猫薄荷，又称猫草，以其对猫的迷醉作用而闻名。引起猫奇怪行为的气味是nepetalactone，一种由猫薄荷产生的挥发性环烯醚萜。一个国际研究团队通过基因组分析发现，在猫薄荷祖先的进化过程中，产生环烯醚萜的能力已经丧失。因此，nepetalactone的生物合成是“重复进化”的结果。然而，这种特殊的环烯醚萜在化学结构和性质上与其他天然产物中的化合物有很大不同，很可能具有不同的生态功能。
环烯醚萜是萜类植物次生代谢产物。许多植物产生这些物质来防御食草动物或保护自己免受病原体的侵害，其中包括许多薄荷科（Lamiaceae）的植物。薄荷科中一个特别物种丰富的亚科Nepetoideae的祖先，包括许多著名的草本植物，如罗勒、牛至、迷迭香、柠檬香脂和薄荷，在进化过程中丧失了产生环烯醚萜的能力。然而，有一个重要的例外：Nepeta属，称为猫薄荷或猫草。
猫薄荷植物产生包括一种非常特殊的形式的环烯醚萜：nepetalactone，一种已知能使猫兴奋的挥发性物质。据推测，其真正的功能是阻止试图食用猫薄荷的食草动物。
一个由德国耶拿马克斯·普朗克化学生态学研究所的Sarah O'Connor领导的研究团队，现在研究了猫薄荷如何以及为何产生nepetalactone，以及这种独特化学分子的生物合成途径是如何进化的。
为了回答这个问题，他们测序了猫薄荷的基因组。“我们发现了一组生成nepetalactone分子的不寻常的酶。这些酶在任何相关植物物种中都没有发现，并且在猫薄荷中独特地进化。当我们第一次看到猫薄荷的基因组序列时，我们意识到我们假设在nepetalactone形成中起重要作用的关键基因在基因组中彼此相邻。这使我们更容易解决问题，”该研究的第一作者，约克大学的Benjamin Lichman解释道。
科学家们比较了两种都能产生nepetalactone的猫薄荷物种的基因组与密切相关的药用植物牛膝草（Hyssopus officinalis）的基因组，后者既不能产生nepetalactone也不能产生任何其他环烯醚萜。这种比较方法，以及古基因的重建和综合的系统发育分析，使研究人员能够理解导致nepetalactone生物合成出现的事件的时间顺序。
他们能够确定猫薄荷中环烯醚萜生物合成的丧失和随后的重新进化的机制。这些新发现为植物代谢新奇性和多样性的进化提供了更广泛的教训。
特别是，nepetalactone途径作为一个基因簇被发现，一组相似的基因位于基因组的邻近区域。通过观察这个簇，结合基因“化石”和复活的古酶，科学家们阐明了导致这个簇形成的重要步骤。类似的步骤导致了许多植物谱系中令人印象深刻的植物代谢多样性的进化。
“猫薄荷为研究这些过程提供了一个很好的模型例子。我们现在正试图修改猫薄荷植物中存在的化学物质。这将帮助我们了解我们是否完全理解了途径的所有方面，以及了解nepetalactone的生态功能。这反过来可以帮助我们揭示导致这一途径丧失和恢复的选择压力。我们还在研究产生不寻常环烯醚萜的其他Nepeta物种，”Sarah O'Connor总结了她的未来研究计划。
该研究的首席研究员自去年以来一直是德国耶拿马克斯·普朗克化学生态学研究所天然产物生物合成系的新主任。她的研究重点是植物代谢产物的生物合成，这些产物不仅在调节植物与其环境的相互作用中具有多种生态作用，而且在医学上也具有潜在的前景。她希望了解植物如何以及为何应用如此复杂的化学反应来产生这种迷人的分子多样性：“植物不断进化新的化学物质。通过我们的研究，我们希望捕捉到这一进化过程的快照。”
这项研究由密歇根州立大学的C. Robin Buell领导的薄荷基因组项目（国家科学基金会）资助。