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咖啡為何要合成咖啡因?咖啡的基因體還說了什麼

文/ Yu-Wei Wu

Pansci關於咖啡基因體的文章《為何咖啡要合成咖啡因?讓咖啡的基因體告訴你》雖然有意思,但是並沒有詳細解釋這篇Science Paper [1] 後半段對於合成咖啡因的基因家族的演化關係。本文就試著針對這一部分來補充原來的報導。

source:pexels

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咖啡因在咖啡的生存競爭上伴演著很重要的角色。舉例來說,咖啡葉裡的咖啡因有著防蟲的功效,而果實與種子裡的咖啡因則有著抑制其他競爭物種發芽的功能。這篇Paper的研究人員在咖啡的基因體裡面發現一組用來產生咖啡因的基因家族;而這個基因家族並不存在於茶或可可等同樣可以產生咖啡因的植物裡面。換句話說,這一組基因家族為咖啡所獨有。

研究人員也發現這組基因家族同時具備了兩個特性:正向選擇(Positive Selection)以及趨同演化(Convergent Evolution)簡單來說,正向選擇代表著因為有著對生物有著生存優勢而留下來的基因。在這個例子中指的就是因為咖啡因可以為咖啡帶來生存優勢,所以在演化的過程中一直被保留了下來。

至於趨同演化就更有意思了。所謂的趨同演化指的是兩種不具親緣關係的生物因為長期生活在類似的環境,而因應需要演化出相同功能的器官。舉例來說,兩種親緣關係不近的熊貓–大熊貓與小熊貓–因為生活環境都與竹子有關的緣故,各自演化出了「偽」拇指 [2]。熊貓的拇指與靈長類的拇指完全不同:它是從腕部的某根小骨頭突變伸長而來的,這根偽拇指可以讓熊貓攀爬並進食竹子。兩種熊貓各自演化出這根偽拇指的現象就叫作趨同演化。

source:台北市立動物園

大熊貓的偽姆指。source:台北市立動物園

有趣的是在2006年,有人在西班牙發現小熊貓祖先的化石,上面已經有著這一根「偽」拇指了 [3]!在比較生存環境的資料後,研究人員認為小熊貓的祖先發展出偽拇指的原因是爬樹;而這一根偽拇指在現代的小熊貓身上出現了二次演化,目的則是為了吃食竹葉。這篇研究很有意思,因為它顯示熊貓的大拇指有可能演化了兩次。

回到咖啡。在遠古時期,咖啡樹裡形成咖啡因的基因本來都在第一條染色體上;但是隨著演化的時間流逝,這些基因逐漸地散播到其他染色體上,而主要集中在第一條與第九條染色體。更重要的是這兩段基因家族各自演化出具有類似功能的基因:都能夠合成咖啡因。這種往同一個方向各自演化的發現代表了咖啡因的合成對咖啡樹相當重要。推測大概是因為咖啡因對咖啡樹的生存優勢相當重要,所以就會有一組以上的基因家族能夠合成咖啡因。(其實功能導向的演化方向不太對–演化本身應該是沒有目的的。不過在這裡我還是套用了這個說法,因為咖啡因的確對咖啡樹有著生存優勢。)

我對這裡所說的趨同演化其實還有點疑慮。一般來說趨同演化指的是不同物種之間的各自演化。我目前還沒找到研究說明同一物種身上不同的基因片段也可以稱為趨同演化。由於我的研究方向不是演化,所以或許這個部分交給演化專家來說明釋疑比較好。

參考資料:

  • [1] Denoeud et al., “The coffee genome provides insight into the convergent evolution of caffeine biosynthesis," Science 345(6201):1181-1184, 2014.
  • [2] Stephen Jay Gould, “The Panda’s Thumb." Excerpt can be found at http://faculty.washington.edu/lynnhank/Gould.pdf
  • [3] Salesa et al., “Evidence of a false thumb in a fossil carnivore clarifies the evolution of pandas", PNAS 103(2): 379-382, 2006.

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