猫薄荷为何会吸引猫咪,科学家告诉你原理

猫薄荷因为特别吸引猫咪而闻名,猫薄荷影响了大约三分之二的家猫与野生猫科动物(包括狮子、老虎和豹猫),并诱发嬉戏的行为,例如翻身、摩擦脸颊与伸出爪子。

猫的行为是由于猫薄荷挥发性的环烯醚萜化合物“荆芥内酯”所引起,但国际研究团队透过基因组分析发现,猫薄荷的祖先在演化过程中已经丧失了制造环烯醚萜的能力,因此荆芥内酯的生物合成是“重复演化”的结果。

环烯醚萜化合物是萜烯的植物次生代谢物,很多植物(许多来自薄荷家族)产生这种物质来保护自己免受草食动物或病原体侵扰。

荆芥亚科是唇形科种类特别丰富的亚科,其中包括许多著名香草:例如罗勒、牛至、迷迭香、柠檬香和薄荷。然而,尽管多数物种在演化过程中丧失制造环烯醚萜的能力。

但有一个例外:荆芥属(俗称猫薄荷)仍能产生环烯醚萜类化合物。猫薄荷制造的环烯醚萜化合物包含非常特殊的“荆芥内酯”,它是让猫咪变兴奋的元凶。

根据推测,它的实际功能是阻止那些把猫薄荷当食物的食草动物,荆芥内酯类似合成驱虫剂可以有效地驱除蚊虫。德国耶拿的马克斯普朗克化学生态研究所天然产物生物合成部主任莎拉‧欧康纳所领导的国际研究团队,目前已经研究猫薄荷如何与为何制造荆芥内酯,以及这种特殊化学分子的生物合成途径。

为了回答这些问题,科学家对猫薄荷进行基因组定序,该研究第一作者、约克大学的本杰明‧利奇曼解释说,我们发现一套与众不同的酶能产生荆芥内酯分子,这些酶在任何相关植物里都没有发现,只有在猫薄荷上演化。

当我们第一次看到猫薄荷的基因组定序时发现,我们假设的重要基因在制造荆芥内酯的过程中特别活跃且紧邻基因组,这个情况让解决难题变得更容易。

科学家比较了两种猫薄荷物种的基因组,两种都能制造出荆芥内酯,而与猫薄荷紧密相关的药用植物神香草(又名牛膝草)既无法制造荆芥内酯,也无法制造任何环烯醚萜类化合物。

这就是为何猫薄荷让猫咪兴奋,但其他薄荷类没有同样效果的原因。透过比较法、重建古代基因,以及全面的系统发育分析,让科学家得以了解导致荆芥内酯生物合成发生的事件年表。

他们确定了猫薄荷中环烯醚萜生物合成的缺失与后来重新演化的机制,新发现也为植物代谢演化的新颖性与多样性提供了更多的经验。具体来说,他们发现荆芥内酯的合成途径是一个基因群,一群相似的基因紧邻基因组旁边。

藉由观察这个基因群,再加上基因“化石”与重建古代的酶,科学家阐明了导致这个基因群形成的关键步骤,而类似的步骤也引领了许多植物谱系的植物代谢多样性演化。

莎拉‧欧康纳总结未来的研究计划,猫薄荷为研究这些过程提供了一个很好的示例,我们现在正尝试改变猫薄荷中存在的化学物质。

这么做可以帮助我们知道是否完全了解这个途径的各方面,以及荆芥内酯的生态功能,反过来还能帮助我们揭开这个途径的选择压力所导致的能力丧失与重获。植物不断演化出新的化学物质,我们希望透过研究捕捉这些演化过程的瞬间。

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