植物是自然界最杰出的化學(xué)家之一。與動(dòng)物不同，它們不能逃離掠食者或病原體，也無(wú)法為了尋找伴侶或散播種子把自己連根拔起。

圖自YW Low

因此，他們制造毒素等化學(xué)物質(zhì)來(lái)殺死細(xì)菌，制造苦味生物堿來(lái)抵御草食動(dòng)物的啃食，產(chǎn)生甘甜的花蜜和寶石般的色素來(lái)吸引授粉者或鳥類的駐足，幫它們散播種子。

可以說(shuō)，化學(xué)物質(zhì)是植物制造愛(ài)和挑起戰(zhàn)爭(zhēng)的一種方式。

但是樹木、灌木和花朵如何獲得這些能力的？

在一項(xiàng)新的研究中，科學(xué)家們通過(guò)梔子花的發(fā)展來(lái)探索這個(gè)問(wèn)題。梔子花是一種常綠灌木，葉綠花白，在熱帶地區(qū)常作為庭院觀賞植物種植。

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研究人員首次對(duì)梔子花的基因組進(jìn)行了測(cè)序。然后，他們深入研究了這一植物是如何制造出一種稱為藏紅花素的化合物的。這種顏色鮮艷的化學(xué)成分使藏紅花具有朱紅色的色調(diào)，也使梔子花成熟的果實(shí)呈橘紅色。

這項(xiàng)研究確定了與藏紅花素相關(guān)的基因，并在實(shí)驗(yàn)室中利用這些基因制造出了藏紅花素。這項(xiàng)工作包括解密梔子花一步一步合成藏紅花素的過(guò)程，為大規(guī)模生產(chǎn)藏紅花素奠定了基礎(chǔ)?？茖W(xué)家認(rèn)為藏紅花素具有抗氧化劑的藥用特性。

該研究還探討了梔子花中藏紅花素的來(lái)源。這項(xiàng)在6月18日發(fā)表于BMC Biology上的發(fā)現(xiàn)著重強(qiáng)調(diào)了一種名為串聯(lián)基因復(fù)制的進(jìn)化過(guò)程的力量，在這個(gè)過(guò)程中，DNA的意外復(fù)制使有機(jī)體能夠靈活地?cái)U(kuò)展自己掌握的遺傳工具庫(kù)。這只是植物發(fā)展新功能的方式之一，但卻是至關(guān)重要的一種。

該研究的合著者、布法羅大學(xué)生物學(xué)家Victor Albert博士說(shuō)：“重要的原則是植物可以重塑事物。它們可以復(fù)制遺傳工具包的某些部分，并對(duì)功能稍加調(diào)整。假設(shè)您有一把螺絲刀，但頭部很大，使用不太方便。您可以復(fù)制那把螺絲刀，同時(shí)磨削頭部，使它變小，從而使它適用于小螺釘。與此同時(shí)，你仍然可以使用原來(lái)的大頭螺絲刀來(lái)處理大螺釘。這些植物就是這么做的?！?/p>

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該研究的共同通訊作者宋經(jīng)元博士表示：“在研究對(duì)中醫(yī)和現(xiàn)代生物醫(yī)學(xué)研究都如此重要的植物的基因組時(shí)，發(fā)現(xiàn)這些分子的‘計(jì)策’是令人興奮的?！?/p>

他來(lái)自中國(guó)中醫(yī)藥資源工程研究中心，該研究中心隸屬于中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院和北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院。

該項(xiàng)目由中國(guó)中藥資源工程研究中心和中國(guó)中醫(yī)科學(xué)院的宋博士、陳世玲博士以及意大利國(guó)家新技術(shù)、能源和可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展機(jī)構(gòu)的Giovanni Giuliano博士領(lǐng)導(dǎo)，第一作者是中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院和北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院的徐志超博士和浦向東先生。徐博士同時(shí)隸屬于中藥資源工程研究中心。

紐約州立大學(xué)布法羅分校生物科學(xué)教授，新加坡南洋理工大學(xué)客座教授Albert和他的學(xué)生為研究做出了重要貢獻(xiàn)。他們進(jìn)行了生物信息學(xué)研究，幫助揭示子藏紅花素和咖啡因合成在梔子花和咖啡植物中的進(jìn)化史。

DNA倍增如何幫助植物擴(kuò)展其基因庫(kù)

在串聯(lián)復(fù)制事件中，單個(gè)基因在復(fù)制過(guò)程中會(huì)被錯(cuò)誤地復(fù)制。由于物種會(huì)隨著時(shí)間的推移而進(jìn)化，多余的DNA可以自由突變并發(fā)展出新的功能。

研究得出結(jié)論，在梔子花中，串聯(lián)復(fù)制導(dǎo)致了藏紅花素合成所需的基因的進(jìn)化。這項(xiàng)研究表明，這種基因復(fù)制的形式還使梔子花的近親中果咖啡能夠發(fā)展出產(chǎn)生咖啡因的基因。同時(shí)，研究還將梔子花的DNA與中果咖啡的DNA和其他幾種植物的DNA進(jìn)行了比較。

Albert表示：“在這種情況下，我們看到了相同的潛在進(jìn)化機(jī)制，這些機(jī)制產(chǎn)生了串聯(lián)而重復(fù)序列，從而在兩種植物中產(chǎn)生了兩種不同的目標(biāo)生物合成途徑。就拿中果咖啡和梔子花來(lái)說(shuō)，它們是從一個(gè)緊密而共同祖先演化而來(lái)的，在某種情況下，中果咖啡的串聯(lián)基因通過(guò)復(fù)制形成了中果咖啡，并瘋狂制造了咖啡因。另一方面，相關(guān)基因在梔子花中大量復(fù)制，從而產(chǎn)生了藏紅花素?！?/p>

由植物制成，但對(duì)人類也有用

藏紅花素不僅存在于梔子花中，還藏于各種藏紅花中。這些物種沒(méi)有從一個(gè)共同的祖先那里繼承制造藏紅花素的能力：他們進(jìn)化了出了屬于自己的基因庫(kù)。巧克力、茶和咖啡中的咖啡因基因也是如此。

Albert說(shuō)：“植物正在玩有趣的植物相關(guān)的化學(xué)物質(zhì)的多重進(jìn)化游戲。當(dāng)然，所有這些植物化學(xué)物質(zhì)對(duì)植物都是有用的，它們要么能夠抵抗病原體，要么能夠發(fā)揮作用引誘昆蟲?！?/p>

說(shuō)到梔子花，植物果實(shí)火熱的顏色有助于擴(kuò)大物種的范圍，有助于吸引那些以水果為食的動(dòng)物，它們吃下果實(shí)，把種子排泄到新的地方。

盡管植物為了自身的利益進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，但它們產(chǎn)生的化合物也可以使人類受益。阿司匹林與柳樹皮中發(fā)現(xiàn)的化合物密切相關(guān)。地高辛用于治療心臟疾病，它來(lái)自毛地黃植物。藏紅花素的抗氧化特性引起了研究人員的興趣，現(xiàn)在，科學(xué)家們已經(jīng)掌握了在實(shí)驗(yàn)室中制造該化學(xué)品所需的知識(shí)。

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