植物是自然界最杰出的化学家之一

植物是自然界最杰出的化学家之一。与动物不同，它们不能逃离掠食者或病原体，也无法为了寻找伴侣或散播种子把自己连根拔起。

因此，他们制造毒素等化学物质来杀死细菌，制造苦味生物碱来抵御草食动物的啃食，产生甘甜的花蜜和宝石般的色素来吸引授粉者或鸟类的驻足，帮它们散播种子。

可以说，化学物质是植物制造爱和挑起战争的一种方式。

但是树木、灌木和花朵如何获得这些能力的?

在一项新的研究中，科学家们通过栀子花的发展来探索这个问题。栀子花是一种常绿灌木，叶绿花白，在热带地区常作为庭院观赏植物种植。

研究人员首次对栀子花的基因组进行了测序。然后，他们深入研究了这一植物是如何制造出一种称为藏红花素的化合物的。这种颜色鲜艳的化学成分使藏红花具有朱红色的色调，也使栀子花成熟的果实呈橘红色。

这项研究确定了与藏红花素相关的基因，并在实验室中利用这些基因制造出了藏红花素。这项工作包括解密栀子花一步一步合成藏红花素的过程，为大规模生产藏红花素奠定了基础。科学家认为藏红花素具有抗氧化剂的药用特性。

该研究还探讨了栀子花中藏红花素的来源。这项在6月18日发表于BMC Biology上的发现着重强调了一种名为串联基因复制的进化过程的力量，在这个过程中，DNA的意外复制使有机体能够灵活地扩展自己掌握的遗传工具库。这只是植物发展新功能的方式之一，但却是至关重要的一种。

该研究的合著者、布法罗大学生物学家Victor Albert博士说：“重要的原则是植物可以重塑事物。它们可以复制遗传工具包的某些部分，并对功能稍加调整。假设您有一把螺丝刀，但头部很大，使用不太方便。您可以复制那把螺丝刀，同时磨削头部，使它变小，从而使它适用于小螺钉。与此同时，你仍然可以使用原来的大头螺丝刀来处理大螺钉。这些植物就是这么做的。”

该研究的共同通讯作者宋经元博士表示：“在研究对中医和现代生物医学研究都如此重要的植物的基因组时，发现这些分子的‘计策’是令人兴奋的。”

他来自中医药资源工程研究中心，该研究中心隶属于医学科学院和北京协和医学院。

该项目由中药资源工程研究中心和中医科学院的宋博士、陈世玲博士以及意大利国家新技术、能源和可持续经济发展机构的Giovanni Giuliano博士领导，第一作者是医学科学院和北京协和医学院的徐志超博士和浦向东先生。徐博士同时隶属于中药资源工程研究中心。

纽约州立大学布法罗分校生物科学教授，新加坡南洋理工大学客座教授Albert和他的学生为研究做出了重要贡献。他们进行了生物信息学研究，帮助揭示子藏红花素和咖啡因合成在栀子花和咖啡植物中的进化史。

在串联复制事件中，单个基因在复制过程中会被错误地复制。由于物种会随着时间的推移而进化，多余的DNA可以自由突变并发展出新的功能。

研究得出结论，在栀子花中，串联复制导致了藏红花素合成所需的基因的进化。这项研究表明，这种基因复制的形式还使栀子花的近亲中果咖啡能够发展出产生咖啡因的基因。同时，研究还将栀子花的DNA与中果咖啡的DNA和其他几种植物的DNA进行了比较。

Albert表示：“在这种情况下，我们看到了相同的潜在进化机制，这些机制产生了串联而重复序列，从而在两种植物中产生了两种不同的目标生物合成途径。就拿中果咖啡和栀子花来说，它们是从一个紧密而共同祖先演化而来的，在某种情况下，中果咖啡的串联基因通过复制形成了中果咖啡，并疯狂制造了咖啡因。另一方面，相关基因在栀子花中大量复制，从而产生了藏红花素。”

藏红花素不仅存在于栀子花中，还藏于各种藏红花中。这些物种没有从一个共同的祖先那里继承制造藏红花素的能力：他们进化了出了属于自己的基因库。巧克力、茶和咖啡中的咖啡因基因也是如此。

Albert说：“植物正在玩有趣的植物相关的化学物质的多重进化游戏。当然，所有这些植物化学物质对植物都是有用的，它们要么能够抵抗病原体，要么能够发挥作用引诱昆虫。”

说到栀子花，植物果实火热的颜色有助于扩大物种的范围，有助于吸引那些以水果为食的动物，它们吃下果实，把种子排泄到新的地方。

尽管植物为了自身的利益进行化学反应，但它们产生的化合物也可以使人类受益。阿司匹林与柳树皮中发现的化合物密切相关。地高辛用于治疗心脏疾病，它来自毛地黄植物。藏红花素的抗氧化特性引起了研究人员的兴趣，现在，科学家们已经掌握了在实验室中制造该化学品所需的知识。