Multiomics analyses of two Leonurus species illuminate leonurine biosynthesis and its evolution

生物 基因 生物合成 计算生物学 生物化学 遗传学
作者
Peng Li,Mengxiao Yan,Pan Liu,Dan-Jie Yang,Ze-Kun He,Yun Gao,Yan Jiang,Yu Kong,Xin Zhong,Sheng Wu,Jun Yang,Hongxia Wang,Yanbo Huang,Le Wang,Xiao‐Ya Chen,Yonghong Hu,Qing Zhao,Ping Xu
出处
期刊:Molecular Plant [Elsevier]
卷期号:17 (1): 158-177 被引量:38
标识
DOI:10.1016/j.molp.2023.11.003
摘要

The Lamiaceae family is renowned for its terpenoid-based medicinal components, but Leonurus, which has traditional medicinal uses, stands out for its alkaloid-rich composition. Leonurine, the principal active compound found in Leonurus, has demonstrated promising effects in reducing blood lipids and treating strokes. However, the biosynthetic pathway of leonurine remains largely unexplored. Here, we present the chromosome-level genome sequence assemblies of Leonurus japonicus, known for its high leonurine production, and Leonurus sibiricus, characterized by very limited leonurine production. By integrating genomics, RNA sequencing, metabolomics, and enzyme activity assay data, we constructed the leonurine biosynthesis pathway and identified the arginine decarboxylase (ADC), uridine diphosphate glucosyltransferase (UGT), and serine carboxypeptidase-like (SCPL) acyltransferase enzymes that catalyze key reactions in this pathway. Further analyses revealed that the UGT–SCPL gene cluster evolved by gene duplication in the ancestor of Leonurus and neofunctionalization of SCPL in L. japonicus, which contributed to the accumulation of leonurine specifically in L. japonicus. Collectively, our comprehensive study illuminates leonurine biosynthesis and its evolution in Leonurus.
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