2026年6月，中国农科院基因组所（大鹏湾实验室）王丽团队在Nature Communications（中科院1区）上发表了题为“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”。 中国农科院基因组所（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文章的共同第一作者，基因组所（大鹏湾实验室）王丽研究员为文章的通讯作者。
成果简介
植物次生代谢产物（Secondary Metabolites, SMs）是植物在长期进化过程中形成的具有生物活性的化学分子，在植物抵御非生物和生物胁迫中发挥着关键作用。不同亲缘关系物种之间，次生代谢产物往往呈现出显著的谱系特异性差异——它们拥有相同的基本骨架，却通过不同的化学修饰（如甲基化、羟基化和O-异戊烯基化等）产生了结构多样的化合物。理解这些化学多样性背后的进化驱动力，不仅有助于揭示植物次生代谢途径的组装与进化规律，也为代谢工程改良药用活性物质的生产提供了创新策略。
当归属（Angelica）是伞形科重要的药用植物属，其富含呋喃香豆素（Furanocoumarins, FCs），这是一类具有光敏性、抗炎、抗菌等多种生物活性的次生代谢产物。然而，不同当归属物种间FCs的含量存在巨大差异，本文对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）进行对比研究。
本研究通过对高FCs的狭义当归属与低FCs的广义当归属进行比较基因组学分析，首次揭示了一个呋喃香豆素生物合成基因簇（FC BGC），并阐明了该基因簇的架构演化、基因拷贝数扩张和功能创新如何共同驱动了当归属植物FCs的积累与结构多样化。该研究为理解植物次生代谢产物多样性的进化起源提供了重要范例，也为药用呋喃香豆素的合成生物学改造提供了理论蓝图。
文章亮点
1. 首次发现FCs生物合成基因簇：首次鉴定了当归属植物中完整的呋喃香豆素生物合成基因簇（FC BGC），包含核心酶基因（C2'H、PT）和外围修饰酶基因（OMT）。
2. LTR转座子扩张驱动基因组进化：通过LTR转座子扩张驱动基因组增大，进而促进了关键代谢基因的表达水平提升，为基因组规模与代谢产物多样性之间的关联提供了新证据。
3. 基因复制与功能创新协同进化：狭义当归属中C2'H基因发生了显著的拷贝数扩张，且发现具有O-异戊烯基化功能的PT基因（广义当归属的PT只有C-异戊烯基化活性），二者协同大幅提升了FCs的产量和结构多样性。
4. 基因簇架构决定代谢效率：揭示了基因簇的空间排列方式（in cis vs. in trans）是决定FCs积累量差异的关键因素——狭义当归属中核心酶与修饰酶位于同一染色体上，形成了高效的代谢装配线。
主要内容
1. 高质量基因组组装与系统发育解析
研究团队对三种当归属植物A. biserrata、A. keiskei和L. officinale 进行了染色体水平的基因组组装。三种新组装的基因组大小均超过3.9 Gb，其scaffold N50超过370 Mb，组装质量达到BUSCO 96-99%的完整性标准。
系统发育分析揭示，这五种当归属植物分为两个主要分支：狭义当归属（s.s.）分支包含白芷、重齿当归和明日叶，约475万年前分化；广义当归属（s.l.）分支包含当归和欧当归，约22200万年前与s.s.分支分化。这一分化时间表明两个分支经历了长期的独立进化，为FCs积累差异的进化研究提供了理想的材料体系。
图1. 当归属植物基因组组装与进化分析。（a）为三条全新组装基因组序列概述图，三种新组装基因组的染色体特征（外圈为染色体编号，内圈分别为染色体长度、基因密度和转座元件密度）；（b）为含17种被子植物的系统发育树图，红色和蓝色框分别代表Angelica s.s.和s.l.两个主要分支。
2. LTR转座子扩张驱动基因组增大
比较基因组分析发现，当归属大型基因组的主要驱动力是LTR逆转座子的扩张。在五个当归属物种中，含有LTR插入的基因其表达水平显著高于不含LTR插入的基因。一个典型例子是PT基因——呋喃香豆素生物合成途径中的关键基因，带有LTR插入的PT基因表现出较高的表达水平，而在不含LTR插入的北柴胡（Bupleurum chinense）和胡萝卜（Daucus carota）中，对应的PT基因几乎不表达。这表明LTR转座子的扩张不仅驱动了基因组的增大，还间接促进了次生代谢关键基因的高表达。
3. PT基因功能分化驱动FCs结构多样性
研究团队量化了五种当归属植物中总FCs含量，发现狭义当归属（s.s.）物种的FCs浓度是广义当归属（s.l.）物种的5-18倍，且FCs在根部显著富集。进一步分析显示，狭义当归属在FCs代谢通路的多个节点均表现出显著的优势积累：包括线性或角型香豆素骨架、CYP介导的呋喃环环化产物、以及O-异戊烯基化产物等。
对来自五种当归属86个PT基因和25个假定的PTs进行系统发育分析，鉴定出三个进化分支（A1、A2和B）。功能验证揭示：
C6-异戊烯基化活性（C6-PT）：Clade A1的PT基因主要催化伞形花内酯的C6位异戊烯基化，生成线性香豆素骨架。
C8-异戊烯基化活性（C8-PT）：Clade A2的PT基因主要催化C8位异戊烯基化，生成角型香豆素骨架。
O-异戊烯基化功能（O-PT）：Clade B的PT基因具有广泛的O-异戊烯基化（O-PT）活性，能将bergaptol等底物转化为isoimperatorin等O-异戊烯基化产物，这是狭义当归属所独有的功能。
关键发现：狭义当归属物种同时拥有C-PT和O-PT基因，而广义当归属仅含有C-PT基因，完全缺乏O-PT基因。这一遗传分化是狭义当归属FCs结构多样性显著增高的关键分子机制。
图2. PT基因功能分化驱动当归属植物FCs多样性。（a）五种物种三种组织中的总FCs含量；（b）FCs生物合成通路及关键化合物在各物种中的含量分布，其中浅绿色、红色、橙色和蓝色箭头/名称分别代表C2'H、C-PT、O-PT和OMT反应或基因；（c）PT基因家族系统发育树，展示三个进化分支及催化活性类型；（d）当归PTs的酶促分析：LC-MS图谱展示了靶向异戊二烯化反应后的代表性产物峰。
4. 基因簇空间排列决定FCs积累差异
基于基因组定位和功能验证，研究团队在五种当归属属中鉴定了保守的FC BGC，包含核心酶（C2'H和PT）和修饰酶（CYP和OMT）。关键发现在于两个分支中基因簇的空间排列方式存在根本差异：
in cis 排列（s.s.分支）：狭义当归属（s.s.）中，OMT基因与核心基因簇位于同一染色体上（距离约10-15 Mb），形成了 in cis 基因簇排列。这种物理上的邻近性确保了途径中各组分基因的共表达，有效地创建了代谢装配线，促进了FCs的高效合成。
in trans 排列（s.l.分支）：广义当归属（s.l.）中，OMT基因位于不同的染色体上，形成 in trans 排列。这种分散的排列方式使途径基因更容易受到重组介导的破坏，可能导致代谢效率降低。
此外，核心基因簇中的C2'H基因在狭义当归属中发生了显著的拷贝数扩张：白芷拥有9个C2'H和4个PT基因，重齿当归拥有4个C2'H和4个PT基因，明日叶拥有5个C2'H和3个PT基因；而广义当归属的当归仅有1个C2'H和2个PT基因，欧当归仅有1个C2'H和1个PT基因。C2'H拷贝数的扩张与其表达水平正相关，进一步推动了FCs前体伞形花内酯的大量合成。
图3. FC生物合成基因簇的差异化进化。（a）当归中C2'H的酶促分析，展示了7-羟基香豆素的目标产物峰值；（b）当归中OMT的酶促分析，展示了目标O-甲基化反应后的目标产物峰；（c）FC BGC在五个物种染色体上的分布格局，浅绿色、红色、橙色和蓝色箭头分别代表C2'H、C-PT、O-PT和OMT基因，每个基因上方的热图分别显示其在根和叶中的表达水平；（d）C2'H基因进化速率分析，揭示加速进化与功能创新的关系。
结论
本研究系统阐明了当归属植物中呋喃香豆素生物合成基因簇的进化驱化机制，得出以下核心结论：
1. LTR转座子的扩张不仅驱动了基因组的增大，还通过促进关键代谢基因的插入和表达提升，间接影响了次生代谢产物的积累。
2. PT酶功能的进化（即获得O-异戊烯基化活性）极大地拓展了狭义当归属FCs的化学空间；反观广义当归属，由于未演化出相应的O-异戊烯基化功能，其FCs的结构多样性受到限制。
3. C2'H基因的拷贝数扩张是狭义当归属FCs高产的重要驱动力，拷贝数与表达水平呈正相关。
4. FC BGC在当归属属中保守存在，但其空间排列方式（in cis vs. in trans）在两个主要分支间发生了分化。狭义当归属演化出了in cis排列，使核心酶与修饰酶位于同一染色体上，促进了代谢途径的高效运行。
图4. 当归s.s.与当归s.l.类群之间FC含量和多样性差异的遗传因素示意图
文章来源
Han, X., Guo, M., Yang, P. et al. Evolutionary tuning of a biosynthetic gene cluster drives furanocoumarin accumulation and diversification. Nat Commun 17, 7624 (2026).
DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-74337-w