为什么茶树、咖啡树和可可树都独立进化出了咖啡因？

这个问题看似简短，其实隐藏了多个疑问。

1、茶树、咖啡树和可可树是独立进化出的咖啡因，还是从同一祖先遗传而来？

2、为什么三种树都会进化出咖啡因，对它们有什么作用？

接下来咱们分开来说。

茶树、咖啡树和可可树咖啡因的独立进化

咖啡因的合成过程

咖啡因是一种苦味的白色结晶嘌呤，是一种甲基黄嘌呤生物碱，在化学上与脱氧核糖核酸(DNA) 和核糖核酸(RNA)的腺嘌呤和鸟嘌呤碱基有关。

嘌呤是所有生物的遗传物质合成的基础原料，在代谢过程中，嘌呤会被代谢为中间产物：次黄嘌呤和黄嘌呤，在生物中广泛存在，没有特异性。

在生物中，黄嘌呤只需要三步甲基化就可以合成咖啡因，黄嘌呤→7-甲基黄嘌呤核苷→7甲基黄嘌呤→可可碱→咖啡因。而植物的转甲基酶类（SABATH）广泛参与到花香、防御和激素调节的化学反应中，因此简单的合成过程和广泛存在的转甲基酶类为咖啡因合成的独立进化提供了基础。

在过去40多年的研究中，咖啡因的生物合成网络有12条潜在途径，但是有趣的是植物的咖啡因生物合成途径基本相同，只是参与的酶不同^[1]。

咖啡因合成独立起源的证据

在自然界，源自不同祖先的生物，演化出具有相似形态特征和构造的现象被称为趋同进化。那么茶树、可可树和咖啡树中参与合成咖啡因的甲基转移酶到底是从同一祖先遗传而来还是各自独立进化出来的？一般通过比对基因组，通过系统发育树来分析。

2014年，《Science》上发表了一篇研究，通过比对咖啡，茶和可可的甲基转移酶的基因并构建系统发育树，发现咖啡树的咖啡因生物合成酶与拟南芥的甲基转移酶的同源物基因最接近，而咖啡与可可或茶的基因处于不同的分支中。因此，咖啡树的咖啡因合成基因相较于可可树和茶树是独立起源的。^[2]

2016年，对可可、柑橘、瓜拉那（guaraná）、咖啡和茶谱系合成咖啡因的基因和途径进行比对，发现它们用不同的甲基化酶催化相同的合成途径，这些咖啡因合成酶拥有独立的起源，被独立招募用于咖啡因的积累。

2017年，对茶树基因组的分析和N-甲基转移酶基因的比对，也支持表明茶树和可可中的咖啡因合成途径相对于咖啡是独立进化的。茶树和其相关山茶属物种的咖啡因合成途径可能起源于共同的茶树-可可祖先，但后来分化并独立进化^[3]。

因此，咖啡因的生物合成是不同物种趋同进化的典型案例。

植物进化出咖啡因的作用

全世界产生咖啡因的植物主要来自于咖啡属植物，可乐果属植物、可可属植物、山茶属、柑橘属植物。这些植物之所以产生咖啡因这种生物碱，主要有以下三种作用：

防御

植物中的咖啡因是天然的杀虫剂，它可以麻痹和杀死以植物为食的捕食性昆虫。当咖啡幼苗在长出叶子且缺乏保护机制时，它们体内的咖啡因含量最高；

茶叶中的咖啡因储存在两个地方。1、细胞液泡中，咖啡因与多酚形成复合物。咖啡因可能被释放到昆虫的口中，以阻止昆虫食草；2在维管束周围，咖啡因可能抑制病原真菌进入和在维管束中定殖。

竞争

咖啡幼苗周围的土壤中咖啡因含量也较高，这会抑制附近咖啡幼苗的种子发芽，从而使咖啡因含量最高的幼苗在现有资源的竞争中失去竞争力。

奖励

在上面提到的产咖啡因的植物中，咖啡树和柑橘属植物油较大的花朵，且它们的花蜜中天然存在咖啡因。

用咖啡因奖励的蜜蜂比只用蔗糖奖励的蜜蜂记住习得的花香的可能性高出三倍。咖啡因通过充当腺苷受体拮抗剂，增强了参与嗅觉学习和记忆的蘑菇体神经元的反应。花蜜中的咖啡因浓度从未超过蜜蜂的苦味阈值，通过使用药物来增强对奖励的记忆，植物可以确保传粉者的忠诚度并提高繁殖成功率^[4]。

虽然我们发现了咖啡因合成的趋同进化现象和咖啡因在植物中的作用，但是植物们是如何把功能上趋同的基因进化为编码相同生物合成途径的酶？有假说认为，祖先的酶催化的底物混杂，因此它们可以被招募用于后面新的合成途径的特异性反应。对黄嘌呤甲基化酶谱系的研究表明，黄嘌呤甲基化酶的祖先酶在100万年内维持着它的生化功能，当有新的适应性功能要发生时，祖先酶会被招募突变，以适应新的底物催化。而这一过程恰好独立发生在了茶树、咖啡树和可可树中，从而不约而同的产出了咖啡因。