Nature Communications | 基因组所王丽团队破译当归属药效成分“进化密码”

抓一副中药，当归、白芷常常在列。尽管都是伞形科“当归属”，它们的药效成分呋喃香豆素含量却相差巨大。

这并非特例，研究人员发现，不同当归属物种间，呋喃香豆素的含量水平与结构都存在较大差异，然而其背后的遗传基础与进化驱动力尚不明确。

近日，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）王丽团队在《自然・通讯（Nature Communications）》在线发表了题为“Evolutionary tuning of a biosynthetic gene cluster drives furanocoumarin accumulation and diversification”的研究论文，破译了当归属药效成分"进化密码"。

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74337-w

一味药材，两段进化史

呋喃香豆素是一类具有光敏、抗菌、抗炎等显著药理活性的植物次生代谢物，在伞形科当归属药用植物中含量丰富，是当归、白芷、独活等大宗传统中药材的核心活性成分。

然而，不同当归属物种间呋喃香豆素的含量水平与结构多样性差异巨大，其背后的遗传基础与进化驱动力长期未能得到系统解析。

针对这一科学问题，研究团队选取呋喃香豆素高含量的狭义当归属分支Angelica sensu stricto (s.s.)（包含明日叶A. keiskei、重齿当归A. biserrata、白芷A. dahurica）与低含量的广义当归属分支Angelica sensu lato (s.l.)（包含当归A. sinensis、欧当归Levisticum officinale）开展比较研究。

研究首次完成了明日叶、重齿当归和欧当归的高质量基因组组装，结合已发表的基因组数据进行系统发育分析，发现两个分支大约在2200万年前发生分化。

图1当归属基因组组装和系统发育关系

一条“生产线”，两种排布

在此基础上，研究系统解析了当归属呋喃香豆素生物合成途径的三类关键酶（图2b）：（1）C2’H（p-香豆酰辅酶A 2’-羟化酶）负责催化生成呋喃香豆素的核心骨架伞形花内酯。（2）PT（异戊烯基转移酶）是决定呋喃香豆素线性或角型结构、支撑后续结构多样化的关键酶。研究发现，狭义当归属的PT酶同时具备C-异戊烯基化与O-异戊烯基化活性，而广义分支的PT仅具有C-异戊烯基化活性。

此外，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，填补了呋喃香豆素合成途径的多个关键空白。（3）OMT（氧甲基转移酶）则负责呋喃香豆素下游的甲基化修饰。

图2 当归属呋喃香豆素的含量差异与结构多样化

整合基因功能验证与基因组结构分析，研究证实当归属中呋喃香豆素的合成基因以生物合成基因簇（BGC）的形式存在，但两个分支的基因簇存在显著结构差异（图3）。五个研究物种中，核心酶基因C2’H与PT均在染色体上物理毗邻，构成基因簇的核心模块。在狭义当归属中，OMT基因与核心模块位于同一条染色体上，形成顺式排布的完整基因簇（in cis BGC），同时核心模块的基因拷贝数更高，C2’H基因的表达水平显著上调。而在广义当归属中，OMT基因定位于另一条染色体上，与核心模块形成反式排布（in trans BGC），且核心模块基因拷贝数更低，C2’H基因表达水平也相对较弱。

图3 当归属中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呋喃香豆素生物合成基因簇的进化模型（图4）：狭义当归属分支中，基因簇的紧凑顺式排布、基因复制带来的剂量效应（C2’H表达上调）以及PT酶的功能分化（O-异戊烯基化活性）三者协同作用，共同驱动了呋喃香豆素的大量积累与结构多样化。广义当归属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，因此呋喃香豆素产量更低、结构相对单一。

图4 当归属呋喃香豆素含量及结构多样性差异的遗传机制示意图

该研究提供了多个当归属物种的高质量基因组资源，填补了呋喃香豆素生物合成途径的认知空缺，系统厘清了呋喃香豆素生物合成基因簇的演化历程，解析了当归属次生代谢产物含量与多样性差异的遗传机制。研究成果不仅为目标活性成分的代谢工程生产提供了策略参考，也为探究植物次生代谢物多样性的遗传基础与演化历史提供了重要的理论框架。

基因组所（大鹏湾实验室）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（大鹏湾实验室）王丽研究员为该论文的通讯作者。感谢甘肃农业大学的栗孟飞教授和中国科学院植物研究所的卫然提供的植物材料。

该研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、深圳市科技创新项目、中国农业科学院农业科技创新工程等项目资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-026-74337-w