植物是自然界最杰出的化學家之一。與動物不同，它們不能逃離掠食者或病原體，也無法為了尋找伴侶或散播種子把自己連根拔起。

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因此，他們制造毒素等化學物質(zhì)來殺死細菌，制造苦味生物堿來抵御草食動物的啃食，產(chǎn)生甘甜的花蜜和寶石般的色素來吸引授粉者或鳥類的駐足，幫它們散播種子。

可以說，化學物質(zhì)是植物制造愛和挑起戰(zhàn)爭的一種方式。

但是樹木、灌木和花朵如何獲得這些能力的？

在一項新的研究中，科學家們通過梔子花的發(fā)展來探索這個問題。梔子花是一種常綠灌木，葉綠花白，在熱帶地區(qū)常作為庭院觀賞植物種植。

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研究人員首次對梔子花的基因組進行了測序。然后，他們深入研究了這一植物是如何制造出一種稱為藏紅花素的化合物的。這種顏色鮮艷的化學成分使藏紅花具有朱紅色的色調(diào)，也使梔子花成熟的果實呈橘紅色。

這項研究確定了與藏紅花素相關(guān)的基因，并在實驗室中利用這些基因制造出了藏紅花素。這項工作包括解密梔子花一步一步合成藏紅花素的過程，為大規(guī)模生產(chǎn)藏紅花素奠定了基礎(chǔ)?？茖W家認為藏紅花素具有抗氧化劑的藥用特性。

該研究還探討了梔子花中藏紅花素的來源。這項在6月18日發(fā)表于BMC Biology上的發(fā)現(xiàn)著重強調(diào)了一種名為串聯(lián)基因復制的進化過程的力量，在這個過程中，DNA的意外復制使有機體能夠靈活地擴展自己掌握的遺傳工具庫。這只是植物發(fā)展新功能的方式之一，但卻是至關(guān)重要的一種。

該研究的合著者、布法羅大學生物學家Victor Albert博士說：“重要的原則是植物可以重塑事物。它們可以復制遺傳工具包的某些部分，并對功能稍加調(diào)整。假設您有一把螺絲刀，但頭部很大，使用不太方便。您可以復制那把螺絲刀，同時磨削頭部，使它變小，從而使它適用于小螺釘。與此同時，你仍然可以使用原來的大頭螺絲刀來處理大螺釘。這些植物就是這么做的?！?/p>

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該研究的共同通訊作者宋經(jīng)元博士表示：“在研究對中醫(yī)和現(xiàn)代生物醫(yī)學研究都如此重要的植物的基因組時，發(fā)現(xiàn)這些分子的‘計策’是令人興奮的。”

他來自中國中醫(yī)藥資源工程研究中心，該研究中心隸屬于中國醫(yī)學科學院和北京協(xié)和醫(yī)學院。

該項目由中國中藥資源工程研究中心和中國中醫(yī)科學院的宋博士、陳世玲博士以及意大利國家新技術(shù)、能源和可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展機構(gòu)的Giovanni Giuliano博士領(lǐng)導，第一作者是中國醫(yī)學科學院和北京協(xié)和醫(yī)學院的徐志超博士和浦向東先生。徐博士同時隸屬于中藥資源工程研究中心。

紐約州立大學布法羅分校生物科學教授，新加坡南洋理工大學客座教授Albert和他的學生為研究做出了重要貢獻。他們進行了生物信息學研究，幫助揭示子藏紅花素和咖啡因合成在梔子花和咖啡植物中的進化史。

DNA倍增如何幫助植物擴展其基因庫

在串聯(lián)復制事件中，單個基因在復制過程中會被錯誤地復制。由于物種會隨著時間的推移而進化，多余的DNA可以自由突變并發(fā)展出新的功能。

研究得出結(jié)論，在梔子花中，串聯(lián)復制導致了藏紅花素合成所需的基因的進化。這項研究表明，這種基因復制的形式還使梔子花的近親中果咖啡能夠發(fā)展出產(chǎn)生咖啡因的基因。同時，研究還將梔子花的DNA與中果咖啡的DNA和其他幾種植物的DNA進行了比較。

Albert表示：“在這種情況下，我們看到了相同的潛在進化機制，這些機制產(chǎn)生了串聯(lián)而重復序列，從而在兩種植物中產(chǎn)生了兩種不同的目標生物合成途徑。就拿中果咖啡和梔子花來說，它們是從一個緊密而共同祖先演化而來的，在某種情況下，中果咖啡的串聯(lián)基因通過復制形成了中果咖啡，并瘋狂制造了咖啡因。另一方面，相關(guān)基因在梔子花中大量復制，從而產(chǎn)生了藏紅花素?！?/p>

由植物制成，但對人類也有用

藏紅花素不僅存在于梔子花中，還藏于各種藏紅花中。這些物種沒有從一個共同的祖先那里繼承制造藏紅花素的能力：他們進化了出了屬于自己的基因庫。巧克力、茶和咖啡中的咖啡因基因也是如此。

Albert說：“植物正在玩有趣的植物相關(guān)的化學物質(zhì)的多重進化游戲。當然，所有這些植物化學物質(zhì)對植物都是有用的，它們要么能夠抵抗病原體，要么能夠發(fā)揮作用引誘昆蟲?！?/p>

說到梔子花，植物果實火熱的顏色有助于擴大物種的范圍，有助于吸引那些以水果為食的動物，它們吃下果實，把種子排泄到新的地方。

盡管植物為了自身的利益進行化學反應，但它們產(chǎn)生的化合物也可以使人類受益。阿司匹林與柳樹皮中發(fā)現(xiàn)的化合物密切相關(guān)。地高辛用于治療心臟疾病，它來自毛地黃植物。藏紅花素的抗氧化特性引起了研究人員的興趣，現(xiàn)在，科學家們已經(jīng)掌握了在實驗室中制造該化學品所需的知識。

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