菊科植物艾菊中单萜类化学多样性的分子来源提示了特化代谢演化的新模型

高度多样化的专一性代谢使植物能够与传粉者、植食者和保护者进行交流。其化学多样性概括了均匀度、丰富度和变异性，其中包含许多功能尚不明确的化合物，并由此提出了一个进化上的难题：究竟什么受到选择，以及如何受到选择。由于其复杂性，人们常常并不清楚其在基因组中是如何被编码的。为了产生群体水平的化学多样性，这些性状需要使同一群体中的个体同时具备高度多样化且高度特异的化学组成。 在此，我们结合代谢组学、转录组学和基因组学，以及对菊科植物艾菊（Tanacetum vulgare, tansy）的田间分析和单萜合酶功能测定，识别出产生高群体水平化学多样性的作用力量：酶产物特异性的选择、表达缺失等位基因、缺失变异以及专一性代谢岛推动个体趋向低化学多样性；而非连锁的酶位点、表达变异等位基因、存在变异以及酶的新生演化则促成个体具有高化学多样性。由于分子数据表明，在群体水平上，增加化学多样性本身的机制受到了选择，因此，应当以“化学多样性选择假说”取代“筛选假说”；后者主张植物在选择发生之前先产生一个由多种化学物质构成的储备库。研究结果表明，除通过具有已知针对捕食者作用机制的单个化学物质实现植物防御之外，即使彼此亲缘关系很近，与邻近个体保持差异也很可能是植物防御中的一个重要要素。

高度多样化的特化代谢使植物能够与传粉者、食草动物和保护者进行交流。其化学多样性，包括均匀度、丰富度和变异性，涵盖了许多功能尚未知晓的化合物，并提出了一个进化上的难题：究竟是什么、以及如何受到选择。由于其复杂性，通常并不清楚这种特性如何由基因组编码。为了产生群体水平的化学多样性，这些性状需要使同一群体中的个体既具有高度化学多样性，又具有高度特异性。在此，我们结合代谢组学、转录组学和基因组学，并辅以野外分析以及对菊科小春黄菊（Tanacetum vulgare，tansey）单萜合酶的功能测定，识别出产生群体水平高化学多样性的驱动力：对酶产物特异性的选择、失表达等位基因、缺失变异和特化代谢岛使个体趋向于低化学多样性，而非连锁的酶位点、表达变异等位基因、存在变异以及酶的从头进化则使个体具有高化学多样性。鉴于分子数据表明，选择作用偏向于能够在群体水平上提高化学多样性本身的机制，先前提出植物在选择发生之前会产生一个多样化化学物质储库的筛选假说8，应当被化学多样性选择假说所取代。结果表明，除了通过具有已知靶向机制、可防御捕食者的单一化学物质实现植物保护之外，即使与周围个体亲缘关系很近，与邻近植株保持差异也很可能是植物防御中的一个重要因素。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.08.18.745266v1?rss=1

🏷️ 特化代谢 单萜合酶 化学多样性 代谢组学 植物防御