Science：“火辣辣”的进化

十字花科植物具有多种多样的辛辣性状，而日前美国Duke大学的跨学科研究团队终于发现了这一现象背后的进化之谜。这项研究发表在八月三十一日的Science杂志上，科学家们从控制自然界生物复杂性状的基因追溯到了影响这些基因的进化过程，这是这类研究中的少数成功典范之一。

　　

生物通报道：人们从不会把芥末掺在热狗里，这是有原因的。芥菜类植物能够产生辛辣的化学物质，让那些不想体验一把火辣滋味的昆虫敬而远之，而这种物质对我们人类产生的作用也是一样的。

十字花科植物具有多种多样的辛辣性状，而日前美国Duke大学的跨学科研究团队终于发现了这一现象背后的进化之谜。研究发现，对于生长在美国落基山脉的一些十字花科植物来说，辛辣的突变类型就是植物生与死之间相隔的一线。落基山脉被称为北美洲的“脊骨”，在该山脉的自然环境在短距离内就会发生显著的变化。

这项研究发表在八月三十一日的Science杂志上，科学家们从控制自然界生物复杂性状的基因追溯到了影响这些基因的进化过程，这是这类研究中的少数成功典范之一。

“从自然界生长的植物到实验室中的氨基酸信息，我们成功拼出了完整的进化故事，”Duke大学基因组科学与政策研究所的生物学教授Tom Mitchell-Olds说。“而这也是这项研究的挑战所在。”

Mitchell-Olds的研究团队对十字花科植物Boechera stricta进行了研究。他们选择Boechera的原因是，Boechera与模式生物拟南芥是近亲这为科学家提供了技术优势，并且这种植物生长的区域近三千年来无人涉足，未受任何人为影响。

研究人员指出，鉴别生物复杂性状差异背后的遗传学因素是一项充满挑战性的工作，只有在这一基础上才能进一步了解形成自然界多态性的进化过程。研究人员首先在植物基因组中鉴别了控制植物化学防御、抗虫性以及生存和繁殖的区域，克隆得到了相应的数量性状位点QTL。

研究显示，Boechera stricta辛辣性状的差异主要来自于控制主要辛辣成分的酶中两个氨基酸的不同。通过复杂的生化分析，研究人员发现这两个氨基酸的差异看起来影响不大，但却完全改变了植物辛辣性状的建立路径，产生了完全不同的防御性化学物质，显然这对于以该植物为食的昆虫来说相当重要。控制酶催化效率和基因拷贝数差异的等位基因不同，使这种酶获得了新功能。

来自于科罗拉多地区与来自于蒙大拿地区的Boechera stricta具有不同的辛辣性状，相应的酶类型也不同。研究人员将来自科罗拉多地区的Boechera stricta种植在蒙大拿地区，该植物能够生存下来而当地昆虫为此付出了代价。来自蒙大拿的Boechera stricta在科罗拉多地区则受到了严重的虫害。研究人员指出，是多种自然条件下的生态学相互作用铸造了广泛的植物多样性。

这一发现具有一定的农业应用价值，但Mitchell-Olds最感兴趣的是能够从中了解自然界的多态性现象以及在数千年中逐渐塑造多态性的进化力量。

“我们走进此前无人涉足的自然环境进行研究，在那里Boechera stricta已经进化了约三千年，形成了多种多样的基因型。” Mitchell-Olds说“我们看到的突变反映了植物的进化史，我们终于发现了这样的基因并了解了它们对植物生理学和适应力的影响，这太酷了。”

（生物通编辑：叶予）

生物通推荐原文摘要：

A Gain-of-Function Polymorphism Controlling Complex Traits and Fitness in Nature

Identification of the causal genes that control complex trait variation remains challenging, limiting our appreciation of the evolutionary processes that influence polymorphisms in nature. We cloned a quantitative trait locus that controls plant defensive chemistry, damage by insect herbivores, survival, and reproduction in the natural environments where this polymorphism evolved. These ecological effects are driven by duplications in the BCMA (branched-chain methionine allocation) loci controlling this variation and by two selectively favored amino acid changes in the glucosinolate-biosynthetic cytochrome P450 proteins that they encode. These changes cause a gain of novel enzyme function, modulated by allelic differences in catalytic rate and gene copy number. Ecological interactions in diverse environments likely contribute to the widespread polymorphism of this biochemical function.