當您遞出灰普普（Grey Poupon）芥末醬時，您可能不會想到大自然的防禦系統。但芥末的刺激性不僅僅是為了調味您的三明治，它也是植物反擊的一種方式。最近的研究發現了某些芥菜植物攜帶這些化合物的一個原因：在某些環境中，辛辣的味道可能會阻止害蟲。
杜克大學、德國馬克斯·普朗克化學生態研究所和伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的分子生物學家和野外生物學家研究了為什麼同一物種的兩個芥菜植物種群會產生明顯不同的辛辣風味。他們在8月30日出版的《科學》雜誌上詳細介紹了他們的發現。
研究人員研究了芥菜科植物Boechera stricta這個物種。他們觀察了生長在落基山脈的兩個B. stricta種群，一個在蒙大拿州，另一個在科羅拉多州。每個種群嚐起來都很辛辣，但略有不同，這表明它們具有區域性獨特的化學成分。
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研究人員選擇這些種群是因為它們擁有原始的自然環境，這些棲息地在3000年裡幾乎沒有變化。共同作者、杜克大學進化遺傳學家托馬斯·米切爾-奧爾茲解釋說，這種環境使生物學家能夠回答關於物種進化的問題。在本例中，它使科學家們既能考慮芥菜植物的遺傳變異，又能考慮仍然存在的推動這種變異的環境因素。
研究人員首先在實驗室分析了來自科羅拉多州和蒙大拿州種群的樣本。他們鑑定了產生不同芥菜植物辛辣味道的化合物。他們還發現了植物如何產生這些化學物質。透過仔細的分子分析，他們確定了一個名為BCMA的基因，該基因編碼一種酶的活性。這種酶負責啟動化合物的生產，這些化合物賦予每種芥菜獨特的味道。根據BCMA基因的變體，酶將產生蒙大拿州或科羅拉多州芥菜植物的獨特風味。
在確定了化學和遺傳差異後，米切爾-奧爾茲和同事們接下來進入田野，觀察這些植物如何在各自的棲息地生存。研究人員在每個州的田間地點共同種植了數千株科羅拉多州和蒙大拿州芥菜植物。他們在春天返回，計算每株植物的葉子數量，並量化飢餓昆蟲造成的損害。正如預期的那樣，無論地點如何，科羅拉多州和蒙大拿州植物都產生了它們獨特的科羅拉多州和蒙大拿州香料。然而，更令人感興趣的是昆蟲種群對每種植物的反應方式。
蒙大拿州的昆蟲遠離蒙大拿州植物，但吞噬了科羅拉多州的品種。它們的厭惡表明，蒙大拿州芥菜的香料是專門配製來阻止當地害蟲的。因此，有可能在許多代以前，BCMA基因上的突變創造了一個具有蒙大拿州香料的植物家族，這種香料如此成功地擊退了蟲子，以至於該基因在種群中變得很常見。
科羅拉多州地點的故事略有不同。這些蟲子對味道不太挑剔，它們以相似的熱情吞食當地和外來的芥菜。研究人員需要進一步調查以瞭解這種差異，但他們確實觀察到某些相關的植物比其他植物表現更好，這表明在科羅拉多州環境中還存在其他可遺傳的防禦特性。也可能這種差異揭示了科羅拉多州昆蟲種群的一些資訊，例如高度的香料耐受性。這也可能表明環境更具競爭性，貪婪的害蟲必須忍受香料引起的胃痛，否則將面臨飢餓。
但第三個實驗步驟為芥菜的BCMA變異增加了額外的細微差別。研究人員回到實驗室，用B. stricta最親近的近親之一擬南芥（一種小型開花植物）進行了一項實驗。擬南芥是生物學領域最受了解的開花植物——尤其是在基因水平上。科學家們對擬南芥進行了基因工程改造，使其表達BCMA基因，產生科羅拉多州或蒙大拿州香料變體。他們再次發現植物香料的化學成分來自基因變異。當研究人員將他們的辛辣擬南芥植物暴露於害蟲時，他們發現BCMA變異可能存在權衡。雖然辛辣化合物可以阻止某些昆蟲和病原體，但它們可能會增加對其他昆蟲和病原體的易感性。透過進一步分析，研究人員希望更好地瞭解這種權衡如何影響B. stricta風味的區域進化。
雖然仍有許多問題有待解決，但米切爾-奧爾茲和同事們提出了理解自然選擇如何在進化時間尺度上塑造芥菜物種變異的第一步。“這篇論文為野生環境中的適應性研究樹立了標準，”哈佛大學動物學家霍皮·霍克斯特拉說。“這項研究精美地展示瞭如何將田間實驗和分子技術結合起來，比單獨使用任何一種方法都能講述更完整的適應性故事。”
傑克·舒爾茨在密蘇里大學哥倫比亞分校研究擬南芥的化學生態學，他也稱讚了這種方法，並指出需要更多將基因組學與田野生物學相結合的研究。“這種方法可能與結果本身一樣重要。”結合分子和野外工作是一項相對較新的努力，但舒爾茨和其他人認為這對進一步研究生態學至關重要。
米切爾-奧爾茲就他而言，仍然對他們的發現如此巧妙地證明了進化在起作用感到驚訝。他說：“我們發現環境很重要，快速進化正在發生，我們可以將變化定位到特定的氨基酸…… 我們的進化生態學思想可以得到驗證——這真是令人高興。”