化学 ·

调控香柠檬烯,让烟草与天蛾夜里是爱侣、白天成敌人

译/陈昱勋,清华大学原子科学院学士班

开花植物为了繁殖,需要仰赖授粉媒介的帮助。然而在吸引这些授粉者的同时,植物也必须面对一个难题:如果授粉者受香气浓馥的花朵引诱,完成授粉任务后却在植物上产卵,孵化出拥有无尽食欲的小毛虫,贪婪地啃噬着可口的叶片······此时植物能够以什么方法应对呢?

夜晚是爱侣、白天成敌人

德国马克斯.普朗克研究院(Max Planck Institute)生态化学研究所的科学家发现  NaTPS38基因,会在渐狭叶烟草(Nicotiana attenuata)的花与叶子表现,而这个基因可能负责调控某种倍半萜(sesquiterpene) [注1]分子的合成—- ( E )-α-香柠檬烯( ( E )-α-bergamotene)的合成。

本篇研究的第一作者周文武博士指出,渐狭叶烟草是一种在夜晚开花的植物,在开花时会在花冠筒(corolla tube)释放( E )-α-香柠檬烯引诱烟草天成为授粉者。这种化合物可以让天的口器在花中停留更久,使得授粉成功的机率增加;然而在白天时,被天幼虫攻击的叶子受到刺激,会经由信息传递路径释放同一种香柠檬烯,吸引烟草天蛾幼虫的天敌前来捕食,借此达到间接防御的效果。透过这种在特定组织释放某种化合物的方式,烟草能以最具优势的模式与烟草天蛾互动。

该研究由马克斯.普朗克研究院的四个不同单位的研究者们一同参与:一开始,周文武博士与分子生态学研究所的徐树青博士想要研究在烟草在被取食后释放( E )-α-香柠檬烯的遗传学基础。他们发现,当烟草被昆虫攻击后,烟草体内的一种萜类合成酶基因  NaTPS38 会被活化。

随后,生物化学研究所的科学家确认NaTPS38确实参与了该种香柠檬烯的生合成。当研究团队调查烟草植株不同组织的NaTPS38表现量时惊讶地发现,该基因亦大量地在花的部分表现。然而,花朵释放(E )-α-香柠檬烯在生态学上所扮演的角色在当时尚不清楚。由于观察到花朵释放该种香柠檬烯的时间主要在夜间,科学家提出其花朵会藉由该化合物与夜行性授粉者(尤其是烟草天蛾)互动的假说。

由神经行为学研究所进行的更多分析显示,经过纯化后的( E )-α-香柠檬烯能够活化位于烟草天蛾口器尖端的神经受体。此外,分子生态研究所的研究者们将烟草与天蛾置放于在帐篷内的隔离研究证实:当花朵释放大量的( E )-α-香柠檬烯时,授粉成功的机率会增加。***请作者在此下一个小结论。

老狗也能变出新把戏

虽然NaTPS38基因与单萜合成酶(monoterpene synthase)基因家族的序列相似,却参与了( E )-α-香柠檬烯这种倍半萜的合成。通常,倍半萜这类分子是由倍半萜合成酶(sesquiterpene synthase)家族的基因来调控合成,但NaTPS38却似乎是个例外。

藉由分析NaTPS38的分子演化,科学家发现该基因可能是起源自单萜合成酶的基因重复(duplication),之后才演化出制造( E )-α-香柠檬烯这种倍半萜分子的功能。而且,这个独特的演化事件似乎在烟草所属的茄科(Solanaceae)的物种出现分歧之前就发生了。

这种藉由在特定组织调控合成( E )-α-香柠檬烯的单一基因同时调节授粉与防御机转的现象,是生态多效性(Ecological pleiotropy)(注2)的一个实例。徐树青博士解释道:「越来越多的证据显示生态多效性的现象广泛存在于植物间。我们的研究阐述了不同环境因子间的交互作用,例如食草昆虫与授粉者,对于植物演化具有重要性。然而,我们对于这些交互作用如何影响植物适应环境能力还所知甚少。」这些科学家正开始发展一套新的研究方案,尝试以系统性的方式来回答这个问题。

注1:倍半萜,是由三个异戊二烯单元所合成的萜类分子。萜类分子广泛存在于生物(尤其植物)体内,且许多萜类常具有重要的生理活性。

注2:生态多效性,指一个性状在生态中具有两种以上不同的功能。

参考资料

  • Max Planck Institute for Chemical Ecology. Bergamotene ̶ alluring and lethal for Manduca sexta. Apr.  20, 2017.

原文研究

  • Zhou et al., Current Biology 27 , 1-6, Tissue-Specific Emission of ( E )-α-Bergamotene Helps Resolve the Dilemma When Pollinators Are Also Herbivores, May 8, 2017

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