中药白芷基因组解析：多组学整合揭示呋喃香豆素生物合成与表观遗传调控机制

本研究针对药用植物白芷(Angelica dahurica)中具有重要药理活性的呋喃香豆素(FCs)生物合成路径不完整、积累调控机制不明等科学问题，通过构建染色体级别基因组，结合代谢组、转录组和染色质可及性(ATAC-seq)多组学分析，鉴定了催化补骨脂素羟基化的关键细胞色素P450酶CYP71AZ18(PSH)和CYP71AZ19/CYP83F95(P8H)，揭示了近端复制驱动的基因家族扩张机制，首次阐明染色质开放区域(ACRs)通过调控基因表达影响次生代谢物合成的表观遗传机制，为中药材质量控制与合成生物学应用提供理论支撑。

　　

在传统中药宝库中，白芷(Angelica dahurica)因其富含具有抗癌、抗菌和抗炎活性的呋喃香豆素(Furanocoumarins, FCs)而备受关注。这类特殊代谢物在植物防御系统中扮演着关键角色，能有效抵御病原体、抑制竞争植物萌发并阻止草食动物取食。然而令人困惑的是，FCs仅在伞形科、芸香科等少数远缘植物科中零星分布，这种跨越被子植物系统发育树的"拼图式"分布模式暗示着FCs生物合成途径可能经历了多次独立进化。更棘手的是，尽管经过数十年研究，从苯丙氨酸到白芷质量控制标准成分欧前胡素(imperatorin)和异欧前胡素(isoimperatorin)的生物合成路径仍缺失最后一块拼图——补骨脂素-5-羟化酶(PSH)的分子身份始终成谜。与此同时，农业生产中面临采收期缺乏科学依据、有效成分波动大的现实困境，而表观遗传层面如何调控FCs积累更是无人涉足的领域。

中国农业科学院农业基因组研究所的研究团队在《Communications Biology》发表的研究，通过构建染色体级别白芷基因组，整合多组学分析和表观遗传调控网络，不仅填补了FCs生物合成路径的关键空白，更揭示了染色质三维结构调控次生代谢的新机制。研究人员首先采用PacBio HiFi和Hi-C技术组装获得4.89Gb的高质量基因组，BUSCO评估完整度达97.2%，随后通过代谢组动态监测发现根部FCs含量随发育进程逐渐降低，但根径持续增大至S5期(播种后28周)达到稳定，为传统秋季采收实践提供了科学解释。

关键技术方法包括：基于PacBio CCS和Hi-C的基因组组装、跨六个发育阶段的靶向代谢组分析、烟草瞬时表达系统验证酶功能、比较基因组学解析基因家族进化，以及首次在药用植物中应用的ATAC-seq技术绘制染色质可及性图谱。

A. dahurica基因组组装与注释
研究团队构建了伞形科迄今最大的基因组(4.89Gb)，11条伪染色体锚定率达87.08%。基因家族扩张分析显示，近端复制(PD，27.89%)、全基因组复制(WGD，26.64%)和串联复制(TD，18.37%)共同驱动了白芷次生代谢通路的扩张，特别是与香豆素合成密切相关的苯丙烷代谢和类黄酮合成通路。

FCs在根发育阶段的积累模式
定量分析17种香豆素在6个发育阶段(S1-S6)的动态变化，发现欧前胡素含量始终维持高位(平均96.09μg/g)，但总FCs浓度随根径增大呈下降趋势。代谢中间体如伞形花内酯(umbelliferone)和马尔敏(marmesin)显著递减，而黄毒素醇(xanthotoxol)在S5期达到峰值，结合生物量计算证实传统采收期(S5)的科学性。

P8H和PSH的挖掘与验证
通过系统发育树将310个CYP450基因归类，结合表达-代谢物相关性分析，筛选出25个候选基因。烟草瞬时表达实验首次证实：CYP71AZ18特异性催化补骨脂素C-5位羟基化产生佛手酚(bergaptol)，而CYP71AZ19与CYP83F95平行催化C-8位羟基化生成黄毒素醇(xanthotoxol)，三者均位于高染色质可及性区域。

CYP71AZ亚家族进化史
比较基因组学揭示CYP71AZ19源于白芷特异的近端复制事件，与CYP71AZ18形成基因对。系统发育分析表明，参与FCs合成的CYP71AZ和CYP83F亚家族在伞形科内呈现谱系特异性进化，而芸香科、桑科等远缘物种中相同反应步骤由不同P450亚家族催化，为代谢途径的趋同进化提供了典型范例。

染色质可及性景观
ATAC-seq分析发现：启动子区(≤1kb)的可及性与基因表达水平显著正相关，73.10%根特异性差异开放区域(DARs)与上调基因重叠，且富集在苯丙烷代谢等次生合成通路。特别值得注意的是，三个验证的CYP450基因在根中均呈现更强的染色质开放信号，其调控区富含RAP2.11和WRKY48等胁迫响应转录因子结合 motif，与FCs的生物防御功能高度吻合。

这项研究通过多学科交叉方法，首次完整解析了从苯丙氨酸到欧前胡素的生物合成路径，特别是发现单个反应步骤(C-8羟基化)可由不同CYP450亚家族成员催化，展现了植物代谢网络的进化可塑性。表观遗传调控机制的阐明为理解次生代谢物的时空积累提供了新视角，建立的基因组和表观图谱资源将加速其他活性成分(如挥发性萜类)的研究。在应用层面，研究不仅为白芷规范化种植和采收提供了分子依据，鉴定的关键酶基因更为微生物异源合成FCs提供了元件库，对中药现代化和天然药物开发具有重要启示意义。