唧唧堂名校科研介绍2014-09-15 4:03 PM

为什么咖啡如此特别

由来自法国,美国、意大利、加拿大、中国等国家20多家研究机构的科学家们组成的一个研究小组对咖啡树进行了最新的测序,揭示出一些帮助生成咖啡因的酶在咖啡树、茶树和可可树(巧克力)中独立进化。


新测序的咖啡树基因组揭示出了有关人类最好的化学朋友:咖啡因进化的秘密。完成这一项目的科学家们说,咖啡树中一些基因的序列以及所在的位置表明,它们独立于茶树和可可树中具有相似功能、也生成咖啡因的一些基因进化而来。换句话说:咖啡并没有从共同祖先那里继承与咖啡因相关的基因,而是自身形成了这些基因。


这些研究结果发表在9月5日的《科学》(Science)杂志上



为什么咖啡如此特别?


每天全世界要消耗超过22.5亿杯咖啡,咖啡是许多热带国家主要的农产品。根据国际咖啡组织估计,2013年生产了超过870万吨的咖啡,在2009-2010年咖啡的出口收入达154亿美元,2010年在52个国家该行业聘用人员接近2600万人。


法国发展研究所(IRD)的Philippe Lashermes说:“对于每日早起的人来说咖啡的重要性不亚于它对全球经济的重要性。因此,对其进行基因组测序是朝着改良咖啡迈出的重要一步。通过检测咖啡基因组以及咖啡特异性的一些基因,我们能够得到一些结论:是什么让咖啡如此特别。”


Lashermes,法国国家测序中心的基因组科学家Patrick Wincker和France Denoeud,以及布法罗大学的生物科学教授Victor Albert是这项研究的主要作者。


该研究团队构建出了中粒咖啡(Coffea canephora)的高质量基因组草图。根据位于曼哈顿的国家咖啡协会的统计,中粒咖啡占世界咖啡产量的30%。


接下来,科学家们检测了咖啡的遗传构成与其他物种的不同之处。相比于包括葡萄、番茄等几种植物物种,咖啡包含更大的与生物碱和黄酮类化合物生成相关的基因家族,它们导致了咖啡的一些特性如咖啡的香气和咖啡豆的苦味。


咖啡中具有扩增的N-甲基转移酶,这类酶与咖啡因的生成相关。


通过更一步的探查,研究人员发现相比于茶和巧克力中的一些咖啡因酶,咖啡的咖啡因酶与咖啡树中的其他一些基因具有更密切的关系。


这一研究发现表明,咖啡树中的咖啡因生成是独立进化而来。如果这一性状是从共同祖先继承而来,物种之间的这些酶会更加的相似。


Albert说:“这一咖啡基因组帮助我们了解了咖啡的令人兴奋之处——除了在清晨让我清醒之外。通过检测咖啡树中扩增的基因家族,以及咖啡和其他物种的基因组结构之间的关系,我们了解了咖啡的独立进化信号通路,其中包括咖啡因的故事。”


为什么咖啡因在自然中如此重要是另一个问题。科学家们认为,这一化学物质有可能帮助植物逐退了一些昆虫或是阻碍竞争对手的生长。近期的一篇论文显示,授粉者如人类可以养成喝咖啡的习惯。接触过咖啡因生长植物的昆虫往往会返回再尝其味。


新的Science研究并没有提供关于咖啡因进化作用的新见解,但它支持了这一观点:这种化合物是一种宝贵的财产。它也为更好地了解咖啡基因组结构的进化提供了机会。


Wincker 说:“结果表明,随着进化时间的推移,咖啡基因组并没有和它的近亲番茄和红辣椒那样三倍化。反而,它保持了与葡萄相似的结构。就这一点而论,当基因组中所有的基因在复制之时,一些特殊基因家族的扩增更有可能驱动了咖啡基因组的进化多样性。”


这一观点与一些大型植物家族的认识相反,其他一些研究人员提出高度的物种多样性与全基因组的倍增或三倍化有关联。


“咖啡属于茜草科植物,茜草科包含大约1.3万种物种,是世界被子植物中的第四大科;没有发生基因组倍增,它似乎打破了基因组倍增与高度多样性关联的模式,”Denoeud说。


论文原文:

《The coffee genome provides insight into the convergent evolution of caffeine biosynthesis》,2014年9月5日发表于《自然》杂志。

http://www.jijitang.com/article/54169323cb31412045dd14ef 

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