陕西
近日，中国农业科学院农业基因组研究所王丽研究员团队在Nature Communications 上发表了题为Evolutionary tuning of a biosynthetic gene cluster drives furanocoumarin accumulation and diversification的研究论文。该研究通过比较五个当归属物种的基因组，结合代谢组与功能验证，揭示了呋喃香豆素（FCs）生物合成基因簇（BGC）如何驱动该重要药用活性成分的含量与结构的多样化，为植物代谢多样性研究及代谢工程奠定了遗传学基础和进化理论支撑。
呋喃香豆素是一类具有显著药理活性（如光敏、抗菌、抗炎）的植物次生代谢物，在伞形科当归属植物中尤为丰富。然而，不同当归属物种间FC含量和结构差异显著，其背后的遗传和进化驱动力尚不清楚。针对该科学问题，研究团队选取了高FC含量的Angelica sensu stricto (s.s.) 分支（包括 A. keiskei, A. biserrata, A. dahurica）和低FC含量的Angelica sensu lato (s.l.)分支（包括 A. sinensis 和 Levisticum officinale）进行比较。首先，完成了 A. keiskei, A. biserrata 和 L. officinale 的基因组组装（图1a）。结合已发表的基因组，系统发育分析表明两个分支约在22.20百万年前发生分化（图1）。
图1当归属基因组组装和系统发育关系
代谢组学分析显示，Angelica s.s.分支的总FC含量是Angelica s.l.分支的5至18倍，且结构更多样化（图2）。通过全基因组鉴定和体外酶活实验，系统鉴定当归属物种中FC生物合成途径中的三类关键酶：（1）C2’H（p-香豆酰辅酶A 2’-羟化酶）：催化生成FC核心骨架伞形花内酯。（2）PT（异戊烯基转移酶）：其位点选择性是决定FC线型或角型结构以及后续多样化的关键。研究发现，Angelica s.s.分支具有C-和O-异戊烯基化活性的PT酶，而Angelica s.l.分支的PT仅具有C-异戊烯基化活性。此外，该研究新发现了催化合成别异欧前胡素（alloisoimperatorin）、珊瑚菜素（phellopterin）和8-氧甲基异欧前胡内酯（cnidilin）的PT酶活性，填补了部分FC合成途径的空白。（3）OMT（氧甲基转移酶）：负责FC的甲基化修饰。
图2 当归中FC的含量和结构的多样化（a）当归属物种的FC含量测定；（b）FC合成途径及C2’H、PT、OMT的酶活测定结果。
结合基因功能验证与基因组分析，该研究发现当归属中FC合成基因以BGC的形式存在，但在不同分支间呈现出显著的结构差异。在五个当归属物种中，核心酶基因C2’H与PT在染色体上均物理毗邻，构成“核心基因簇”。在Angelica s.s.中，OMT基因与核心基因簇位于同一条染色体上（in cis BGC），核心簇基因拷贝数较高，同时C2’H基因的表达水平呈现上调。而在Angelica s.l.中，OMT基因则位于另一条染色体上（in trans BGC），核心簇基因拷贝数较低，C2’H基因的表达水平也相对更低。
图3 当归属中FC BGC的结构和位置分布。
基于上述发现，研究团队提出了当归属中FC BGC的进化模型（图4）：在Angelica s.s.中，BGC的紧凑排布、基因复制带来的基因剂量效应（C2'H表达上调）以及PT酶功能分化（获得O-异戊烯基化活性）协同作用，共同驱动了该分支中FC的大量积累与结构多样化。相比之下，Angelica s.l.分支则保留了较为原始的基因簇构型与较低的基因拷贝数，因此FC产量较低、结构相对单一。
图4 当归属FC含量及结构差异的遗传机制示意图
该研究提供了当归属的基因组资源，填补了FC合成途径的部分空白，厘清了FC BGC的演化历程，并解析了当归属中次生代谢产物含量与结构差异的遗传机制，为目标活性化合物的代谢生产提供了参考策略，也为探究植物代谢物多样性的遗传基础与演化历史提供了理论框架。
基因组所博士生韩晓栩、博士生郭妙弦和湖南医药学院杨鹏为论文的共同第一作者，基因组所王丽研究员为该论文的通讯作者。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-026-74337-w
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