客观日本

日本国立科学博物馆:酶在三属植物中独立进化成吸引虫类靠近的花臭味

2025年07月11日 生物医药

对于用类似腐肉的臭味吸引昆虫靠近并使其传播花粉的花卉,日本国立科学博物馆等机构组成的研究团队发现,这种与气味相关的酶的进化是在不同的三属植物中独立发生的。进化仅因两三个氨基酸的替换而产生。这一研究成果从基因水平上对气味的产生机制予以揭示,被认为是值得写入生物教科书的“趋同进化”典型案例。

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用含硫的类似腐肉的臭味欺骗昆虫,将其吸引至花朵内部的“腐肉拟态”示意图(供图:国立科学博物馆的奥山雄大研究主干)

生长在东南亚的会开巨大花朵的大王花和巨魔芋,用类似腐肉的臭味欺骗昆虫,将其吸引至花朵内部。花粉会附着在花内四处活动的虫类身上,这些虫类又被诱骗至其他花朵从而承担授粉职责。这是生物拟态中典型的“腐肉拟态”,是生物进化的研究主题之一。然而,腐肉拟态在植物中是如何进化产生得来的,有必要在包括腐肉拟态和非腐肉拟态植株的近缘种中开展比较研究,而寻找这样的植物类群存在难度。

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日本国内可见的臭花示例,左起为德之岛寒葵、臭菘、柃木(供图:国立科学博物馆的奥山雄大研究主干)

国立科学博物馆筑波实验植物园的奥山雄大研究主干(进化生物学)等人注意到,日本特有寒葵属的50个物种有气味强弱之分。在确认臭味源头是含有两个硫原子及甲基的二甲基二硫的基础上,研究团队用寒葵属26个物种的30个个体(谱系)的花,实施了能够确认各谱系中哪些基因较多发挥功能的全转录组(transcriptome)分析。

结果,发现了两个与硫代谢相关的基因。而制备由这两个基因构成的重组蛋白时,找到了一种名为“SBP”的由约500个氨基酸组成的蛋白质。功能研究表明,该蛋白质具有生成气味源头的二甲基二硫的酶功能。

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寒葵30个谱系的谱系树及气味量与基因表达的关系(供图:国立科学博物馆的奥山雄大研究主干)

SBP被视作生成气味源头的酶,根据氨基酸序列的差异可分为三种亚型。其中一种亚型与包括人类在内的动物及细菌中亦存在的酶具有相同功能。奥山研究主干等人根据SBP的基因序列制作了其中也包含与寒葵所属的马兜铃科从科的层级上属于不同类群却开臭花的德之岛寒葵、臭菘、柃木、巨魔芋等物种的谱系树。

追溯基因的进化过程可知,SBP基因发生重复导致在基因组中变为两个,其中一个SBP基因似乎已发生变化以合成二甲基二硫。而在进行SBP的亚型比较时,研究团队得出了“能否合成气味仅由两三个氨基酸的差异决定,差异在不同的臭花中独立进化而来”的结论。

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陆生植物中的SBP基因分子谱系树及其基因产物作为酶的功能。粉色箭头表示基因发生重复,进化出产生气味的酶(DSS)(供图:国立科学博物馆的奥山雄大研究主干)

根据一系列研究结果可作出如下解释:进化出臭花的路径是有限的,独立进化出臭花的三个植物类群,经历了完全相同的过程并获得了有完全相同功能的酶。

奥山研究主干表示:“我们将花如何变得能产生‘臭味’这一进化谜题深入到分子水平进行分析,并且在揭示该臭味的生物合成机制属于分子趋同进化这一点上,明确了一个非常易于理解的生物获得新能力的进化机制的案例,我认为这是一项值得写入教科书的研究成果。”

本研究与国立遗传学研究所、东京大学、昭和医科大学、长野县环境保全研究所、宫崎大学、日本东北大学、大学共同利用机关法人信息与系统研究机构生命科学综合数据库中心、龙谷大学、庆应义塾大学合作开展,获得了日本学术振兴会科学研究费资助项目及国立研究开发法人科学技术振兴机构(JST)战略性创造研究推进项目的支持。相关研究成果已于5月8日发表在美国科学期刊《Science》上。

【论文信息】
期刊:Science
论文:Convergent acquisition of disulfide-forming enzymes in malodorous flowers.
DOI:10.1126/science.adu8988

【相关链接】
·国立科学博物馆新闻稿 解明主动进化出“臭”的花朵们产生气味的机制

原文:JST Science Portal 编辑部
翻译:JST客观日本编辑部

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