Кошачья мята, также известная как кошачья мята, хорошо известна своим опьяняющим действием на кошек. Запах, ответственный за странное поведение кошек, - это непеталактон, летучий иридоид, вырабатываемый кошачьей мятой. Международная группа исследователей с помощью анализа генома обнаружила, что способность производить иридоиды уже была утрачена предками кошачьей мяты в ходе эволюции. Следовательно, биосинтез непеталактона является результатом «повторяющейся эволюции». Тем не менее, этот конкретный иридоид значительно отличается от других соединений этой группы природных продуктов по своей химической структуре и свойствам и, скорее всего, по своим экологическим функциям.
Иридоиды - растительные вторичные метаболиты из группы терпенов. Многие растения производят эти вещества для защиты от травоядных или для защиты от патогенов, среди этих растений много видов из семейства мятных (Lamiaceae). Предки особенно богатого видами подсемейства Lamiaceae, Nepetoideae, включающего многие известные травы, такие как базилик, душица, розмарин, мелисса и мята, в ходе эволюции утратили способность продуцировать иридоиды. Однако есть важное исключение: род Nepeta, называемый кошачьей мятой или кошачьей мятой. Растения кошачьей мяты производят иридоиды, в том числе особую форму: непеталактон, летучее вещество, которое, как известно, возбуждает кошек. Предположительно, его реальная функция - отпугивать травоядных, пытающихся питаться кошачьей мятой.
Международная группа исследователей под руководством Сары О'Коннор, директора отдела биосинтеза натуральных продуктов Института химической экологии им. Макса Планка в Йене, Германия, исследовала, как и почему кошачья мята производит непеталактон и как пути биосинтеза для образования этой уникальной химической молекулы развились. Чтобы ответить на этот вопрос, они секвенировали геном кошачьей мяты. «Мы обнаружили набор необычных ферментов, которые генерируют молекулы непеталактона. Эти ферменты не обнаружены ни в одном из родственных видов растений и эволюционировали исключительно у кошачьей мяты. Когда мы впервые увидели последовательность генома кошачьей мяты, мы поняли, что важные гены, которые мы предположили, были активны при образовании непеталактона были рядом друг с другом в геноме. Это позволило нам легче решить проблему», - объясняет Бенджамин Личман из Йоркского университета, который является первым автором исследования.
Повторная эволюция
Ученые сравнили геном двух видов кошачьей мяты, которые оба способны производить непеталактон, с близкородственным лекарственным растением иссопом (Hyssopus officinalis), который не способен производить ни непеталактон, ни какие-либо другие иридоиды. Такой сравнительный подход, реконструкция древних генов, а также комплексный филогенетический анализ позволили исследователям понять хронологию событий, приведших к возникновению биосинтеза непеталактона. Им удалось определить механизмы утраты и последующего восстановления биосинтеза иридоидов у кошачьей мяты. Эти новые открытия дают более широкие уроки эволюции новизны и разнообразия метаболизма растений.
В частности, непеталактоновый путь обнаруживается в виде генного кластера, группы сходных генов, расположенных в непосредственной близости в геноме. Глядя на этот кластер вместе с «ископаемыми» генами и воскресшими древними ферментами, ученые выяснили важные шаги, которые привели к образованию этого кластера. Подобные шаги ведут к эволюции впечатляющего метаболического разнообразия растений во многих линиях растений.
Кошачья мята представляет собой отличный модельный пример для изучения этих процессов. Сейчас мы пытаемся модифицировать химические вещества, присутствующие в растениях кошачьей мяты. Это поможет нам узнать, полностью ли мы понимаем все аспекты пути, а также понимаем экологические функции непеталактона, что, в свою очередь, может помочь нам раскрыть давление отбора, которое привело к потере и восстановлению этого пути. Мы также изучаем другие виды Nepeta, которые производят необычные иридоиды», - говорит Сара О'Коннор, резюмируя свои планы на будущее. Руководителем исследования стал новый директор и глава отдела биосинтеза натуральных продуктов в Институте Макса Планка. Химическая экология в Йене, Германия, с прошлого года. В центре внимания ее исследований находится биосинтез продуктов метаболизма растений, которые не только играют множество экологических ролей в обеспечении взаимодействия растения с окружающей средой, но также обладают многообещающим потенциалом в медицине. хочет понять, как и почему растения используют такие сложные химические реакции для производства этого захватывающего разнообразия молекул: «Растения постоянно развивают новую химию. С помощью нашего исследования мы хотели бы получить снимки этой эволюции в действии».