当您递出灰普普（Grey Poupon）芥末酱时，您可能不会想到大自然的防御系统。但芥末的刺激性不仅仅是为了调味您的三明治，它也是植物反击的一种方式。最近的研究发现了某些芥菜植物携带这些化合物的一个原因：在某些环境中，辛辣的味道可能会阻止害虫。
杜克大学、德国马克斯·普朗克化学生态研究所和伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的分子生物学家和野外生物学家研究了为什么同一物种的两个芥菜植物种群会产生明显不同的辛辣风味。他们在8月30日出版的《科学》杂志上详细介绍了他们的发现。
研究人员研究了芥菜科植物Boechera stricta这个物种。他们观察了生长在落基山脉的两个B. stricta种群，一个在蒙大拿州，另一个在科罗拉多州。每个种群尝起来都很辛辣，但略有不同，这表明它们具有区域性独特的化学成分。
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研究人员选择这些种群是因为它们拥有原始的自然环境，这些栖息地在3000年里几乎没有变化。共同作者、杜克大学进化遗传学家托马斯·米切尔-奥尔兹解释说，这种环境使生物学家能够回答关于物种进化的问题。在本例中，它使科学家们既能考虑芥菜植物的遗传变异，又能考虑仍然存在的推动这种变异的环境因素。
研究人员首先在实验室分析了来自科罗拉多州和蒙大拿州种群的样本。他们鉴定了产生不同芥菜植物辛辣味道的化合物。他们还发现了植物如何产生这些化学物质。通过仔细的分子分析，他们确定了一个名为BCMA的基因，该基因编码一种酶的活性。这种酶负责启动化合物的生产，这些化合物赋予每种芥菜独特的味道。根据BCMA基因的变体，酶将产生蒙大拿州或科罗拉多州芥菜植物的独特风味。
在确定了化学和遗传差异后，米切尔-奥尔兹和同事们接下来进入田野，观察这些植物如何在各自的栖息地生存。研究人员在每个州的田间地点共同种植了数千株科罗拉多州和蒙大拿州芥菜植物。他们在春天返回，计算每株植物的叶子数量，并量化饥饿昆虫造成的损害。正如预期的那样，无论地点如何，科罗拉多州和蒙大拿州植物都产生了它们独特的科罗拉多州和蒙大拿州香料。然而，更令人感兴趣的是昆虫种群对每种植物的反应方式。
蒙大拿州的昆虫远离蒙大拿州植物，但吞噬了科罗拉多州的品种。它们的厌恶表明，蒙大拿州芥菜的香料是专门配制来阻止当地害虫的。因此，有可能在许多代以前，BCMA基因上的突变创造了一个具有蒙大拿州香料的植物家族，这种香料如此成功地击退了虫子，以至于该基因在种群中变得很常见。
科罗拉多州地点的故事略有不同。这些虫子对味道不太挑剔，它们以相似的热情吞食当地和外来的芥菜。研究人员需要进一步调查以了解这种差异，但他们确实观察到某些相关的植物比其他植物表现更好，这表明在科罗拉多州环境中还存在其他可遗传的防御特性。也可能这种差异揭示了科罗拉多州昆虫种群的一些信息，例如高度的香料耐受性。这也可能表明环境更具竞争性，贪婪的害虫必须忍受香料引起的胃痛，否则将面临饥饿。
但第三个实验步骤为芥菜的BCMA变异增加了额外的细微差别。研究人员回到实验室，用B. stricta最亲近的近亲之一拟南芥（一种小型开花植物）进行了一项实验。拟南芥是生物学领域最受了解的开花植物——尤其是在基因水平上。科学家们对拟南芥进行了基因工程改造，使其表达BCMA基因，产生科罗拉多州或蒙大拿州香料变体。他们再次发现植物香料的化学成分来自基因变异。当研究人员将他们的辛辣拟南芥植物暴露于害虫时，他们发现BCMA变异可能存在权衡。虽然辛辣化合物可以阻止某些昆虫和病原体，但它们可能会增加对其他昆虫和病原体的易感性。通过进一步分析，研究人员希望更好地了解这种权衡如何影响B. stricta风味的区域进化。
虽然仍有许多问题有待解决，但米切尔-奥尔兹和同事们提出了理解自然选择如何在进化时间尺度上塑造芥菜物种变异的第一步。“这篇论文为野生环境中的适应性研究树立了标准，”哈佛大学动物学家霍皮·霍克斯特拉说。“这项研究精美地展示了如何将田间实验和分子技术结合起来，比单独使用任何一种方法都能讲述更完整的适应性故事。”
杰克·舒尔茨在密苏里大学哥伦比亚分校研究拟南芥的化学生态学，他也称赞了这种方法，并指出需要更多将基因组学与田野生物学相结合的研究。“这种方法可能与结果本身一样重要。”结合分子和野外工作是一项相对较新的努力，但舒尔茨和其他人认为这对进一步研究生态学至关重要。
米切尔-奥尔兹就他而言，仍然对他们的发现如此巧妙地证明了进化在起作用感到惊讶。他说：“我们发现环境很重要，快速进化正在发生，我们可以将变化定位到特定的氨基酸…… 我们的进化生态学思想可以得到验证——这真是令人高兴。”