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为什么你的玫瑰闻起来很香

暗示这主要是巧合。

许多花卉气味对人类的吸引力是一个幸运的副产品:当它们出现时,我们甚至不在身边。而且,对于所有的……Maxine Singer

T许多花卉气味对人类的吸引力是一个幸运的副产品:当它们出现时,我们甚至不在身边。尽管如此,商业香水很少闻起来像鲜花。昂贵的花瓶被称为茉莉花或栀子,闻起来很香,但它们是真正的东西的悲哀代用品。

一个原因是鲜花通常产生非常大的混合物,不同的挥发性分子,多达一千。其中一些进入相关的化学基团,尽管它们在化学结构上略有不同,但它们可以产生非常不同的气味。在紧密相关的花中,挥发性分子可以在相对量(反映所需的基因和所需的基因产物的差异调节)和它们的化学结构(反映进化的基因的活性以产生合成所需的酶)中变化。弄清混合物中的哪些成分对于吸引昆虫或鸟类或获得对人有吸引力的香水是不容易的。这是特别具有挑战性的,因为我们自己的嗅觉依赖于一套复杂的神经细胞,并且常常不同于一个人。气味的产生取决于植物的基因,动物的能力,包括我们自己的嗅觉气味,取决于动物的基因。

索鲁EPOTOK/快门

与颜色一样,影响气味的挥发性化合物的化学成分取决于编码蛋白质酶的基因的存在。这些酶的作用顺序是从前体分子产生复杂气味分子,其存在还依赖于其他基因和酶。不同分子的相对量反过来依赖于编码RNAs的其他基因和对制造气味所需的基因进行调节和调节的蛋白质。

当我们闻到一股玫瑰花时,我们正在拾取几百种不同分子的混合物。它们中的每一个都是一系列基因和它们编码的酶的结果,这些酶能够在玫瑰花瓣中实现特定的化学反应。许多挥发性分子是由氨基酸苯丙氨酸制成的。

植物通过简单的分子,通过一组编码必需的蛋白酶的基因来制造苯丙氨酸。苯丙氨酸与酪氨酸密切相关,酪氨酸是植物用来制造甜菜碱色素的氨基酸,它也是一种带有碳原子环的“芳香化合物”。两者之间的化学结构的差异仅仅是酪氨酸具有附加的氧(以-OH基团的形式附着在碳环上)。事实上,哺乳动物用苯丙氨酸生产酪氨酸(植物使用另一种途径)。由苯丙氨酸和酪氨酸衍生的愉快气味分子的列表是长的。

进化确保了基因在需要时最活跃。

植物产生苯丙氨酸和酪氨酸,使它们能制造蛋白质。但是进化是机会主义的,也利用氨基酸来实现其他目的。每一种用途都取决于一个或多个附加的基因,这些基因编码的酶使芳香化合物以及需要的蛋白质和RNA确保在正确的时间内花瓣被打开。一些芳香挥发物将起源于基因复制事件,随后是复制品的突变,我们已经见过多次这种模式。这是变异的最有力的方式之一,自然选择可以起作用。

为了从氨基酸中产生挥发性芳香,苯丙氨酸或酪氨酸需要通过特定酶催化的一个或多个反应在氨基酸上进行化学手术。一个这样的反应除去氨基(-NH)。)来自氨基酸。如果起始分子是苯丙氨酸,结果是肉桂酸的分子;如果起始分子是酪氨酸,结果是香豆酸。肉桂酸和香豆素酸的唯一区别是香豆酸与酪氨酸具有-OH基团相同的附加氧原子。大多数植物,但并非全部,植物芳族化合物都是这两种分子中的一种。

肉桂酸这个名字不应该是个谜。这就是肉桂闻到的熟悉的气味。肉桂是某些常绿乔木的干树皮。肉桂属在月桂家族中,它提醒我们花瓣旁边的许多植物都是芳香的。从苯丙氨酸中除去氨基以产生酸的酶称为PAL,由基因编码。帕尔. 大多数植物都有不止一种。帕尔基因。模型植物拟南芥,例如,有四个。帕尔这些基因在植物的不同部位都有不同程度的活性。有几个是有意义的。帕尔基因,因为苯丙氨酸减去它的氨基,如肉桂酸,在挥发物旁边产生许多植物分子。在这些分子中有木质素,树胶中发现的巨大分子,以及用于染色花的avon类色素。一些植物使用PAL开始长时间的反应,导致查尔酮,最终转化为花青素的分子。

苯丙氨酸对芳烃的另一种途径涉及氨基酸的两种切割。在这里,两个氨基(-NH)并且将其表征为氨基酸的酸(-COOH)基团除去。由此产生的分子是制造许多其他芳香分子的起点。在玫瑰花瓣中进行这种手术所需的酶水平在成熟的花中最丰富,并且在傍晚时,重要的是吸引传粉昆虫。进化确保了基因在需要时最活跃。

负责从苯丙氨酸去除酸性基团的酶的基因的鉴定需要真正的检测工作。对植物基因组数据库进行搜索,通过与其他生物体中已知的基因类比,可以产生一种酶,该酶可以从苯丙氨酸中除去酸性基团。科学家们发现了一个类似于一个动物基因序列的基因,这个基因可以从一个叫做苯丙氨酸的多巴分子中移除酸基团。熟悉吗?这是用来治疗帕金森病的同样的多巴。当苯丙氨酸挥发性分子的产量最高时,该DNA片段在植物和花部分、花瓣和卵巢中最为活跃。在突变植株中,当矮牵牛基因的活性被抑制时,芳香的产生停止。玫瑰基因也同样如此。

一种芳香分子能贡献多达90%的花产生的挥发物。

矮牵牛和玫瑰形成的蛋白质酶基因编码约为65%,与动物酶相同,能从多巴中除去酸部分,类似于其他植物酶,也能从其他分子中去除酸部分。所有这些基因都属于一个相关基因家族。推断它们都是从一些共同祖先基因进化而来的,这是有道理的。

开花植物有更多的基因编码产生其他芳香化合物所需的酶。他们都来自哪里?也许大多数,如果不是所有的,都与其他植物功能重要的基因有关,并且是由过去的基因复制事件引起的。这似乎是在基因的进化过程中发生的,这些基因负责流行的茶玫瑰芳香的“茶”味特征。十八世纪晚些时候,中国古代玫瑰品种纷纷来到欧洲,人们认识到它们有不同于欧洲玫瑰的香味。多年以后,这些独特的气味与特定的化合物有关。到那时,已经培育出了中国和欧洲玫瑰的杂交种。这些杂交种被称为茶玫瑰,尤其受欢迎,其中一个原因是它们强大而有吸引力的香水,是中国杂交种的亲本的继承物。在这些香料中,一种芳香分子(3,5-二甲氧基甲苯,缩写为DMT)可贡献多达90%的花产生的挥发物。欧洲玫瑰花瓣不产生很多,如果有的话,这种分子。

DMT分子与在六个碳原子的核心环上构建的其它植物芳烃有关,其中一些被修饰成碳、氢和氧原子的簇。各种基因和酶赋予植物制造这种装饰环的能力。在月季基因组中编码的两种酶和月季花瓣中的两种酶都能导致DMT的特异性修饰。为什么欧洲玫瑰不能做到这一点呢?因为他们没有合适的基因来进行正确的修饰。两个非常密切相关但截然不同的基因导致玫瑰在中国过去的某个地方发生了相应的化学变化。OOMT1OOMT2. 纯欧洲的玫瑰只有两种基因中的一种,而两种蛋白质都需要以正确的方式修饰芳香环来产生DMT。这两种酶OMOT1和OOMT2中的350个氨基酸是96%相同的,350个氨基酸中的一个氨基酸的变化很可能是它们在花瓣细胞中能做的差异的原因。所有这些都表明最初有一个奥姆特复制的基因,两个拷贝中的一个然后在其DNA中获得突变,从而改变其编码的蛋白质的氨基酸。

哪个基因最先出现?如果奥姆特许多不同的玫瑰基因比较,大多数有OOMT2但只有玫瑰品种有中国玫瑰的祖先OOMT1. 玫瑰的进化树有可能使中国玫瑰比其他玫瑰晚些时候出现。如果是这样,那将是一个强有力的线索。OOMT2已经有一段时间了OOMT1那就是OOMT2这是重复的。

用有气味的人生产玫瑰并不能成为成功复制这种基因的原因。为什么新基因能存活并成功呢?原来是蜜蜂:玫瑰的重要传粉者似乎感觉到DMT。


Maxine Singer于1957从耶鲁大学获得博士学位。她在编辑部任职。美国国家科学院学报,以及生物化学与科学杂志她获得了杰出的总统奖、国家科学奖章和美国国家科学院公共福利奖章。

γ花朵和基因 麦克辛格演唱。版权所有2018马克辛弗辛格。经牛津大学出版社批准出版。

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