生物合成基因簇的进化调控推动了呋喃香豆素的积累与多样性形成

《Nature Communications》：Evolutionary tuning of a biosynthetic gene cluster drives furanocoumarin accumulation and diversification

　　

摘要

解析生物合成途径的进化驱动因素有助于提高生物活性化合物的产量。在当归属植物中，呋喃香豆素积累的种间差异反映了不同途径的进化过程。本研究对呋喃香豆素含量高的狭义当归物种与含量低的广义当归物种进行了比较基因组分析。我们发现了一个呋喃香豆素生物合成基因簇，其中包含核心酶（p-香豆酰-CoA 2’-羟化酶、预烯基转移酶）以及外周的O-甲基转移酶。广义当归的祖先支系保留着这样的基因簇结构，即O-甲基转移酶位于不同的染色体上，而预烯基转移酶仅负责C-预烯基化反应。相比之下，狭义当归的基因簇中，核心酶和O-甲基转移酶位于同一染色体上，C2’H基因的拷贝数增加会导致其表达水平上升，同时预烯基转移酶既能进行C-预烯基化也能进行O-预烯基化，从而共同提升呋喃香豆素的产量及其结构多样性。这些研究结果揭示了基因簇结构、基因拷贝数以及功能创新如何共同推动植物化学物质的演化，为设计高效的药用呋喃香豆素生物合成途径提供了理论依据。