Evolutionary tuning of a biosynthetic gene cluster drives furanocoumarin accumulation and diversification

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作者
Xiaoxu Han,Miaoxian Guo,Peng Yang,Donghua Hu,Yuanxia Chen,Yujie Jia,Hongcui Pei,Jiantao Tan,Elsayed Nishawy,Zefu Lu,Anthony Twamley,Garth Maker,Li Wang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
标识
DOI:10.1038/s41467-026-74337-w
摘要

Deciphering evolutionary drivers of biosynthetic pathways could enhance bioactive compound production. In Angelica, interspecific variation in furanocoumarins (FCs) accumulation reflects divergent pathway evolution. Here, we conduct comparative genomics between high-FC Angelica sensu stricto (s.s.) and low-FC Angelica sensu lato (s.l.) species. We reveal an FC biosynthetic gene cluster (BGC) comprising core enzymes (p-coumaroyl-CoA 2’-hydroxylases (C2’Hs), prenyltransferases (PTs)) and peripheral O-methyltransferases (OMTs). The ancestral Angelica s.l. clade retains an FC BGC configuration with OMTs on separate chromosomes and PTs performing only C-prenylation. In contrast, Angelica s.s. evolves an FC BGC, where core enzymes and OMTs co-localise on the same chromosome, with C2’H copy number expansion correlating with elevated expression and PTs enabling both C- and O-prenylation, collectively enhancing FC production and structural diversity. These findings elucidate how BGC architecture, gene copy number and functional innovation collectively drive phytochemical innovation, providing a blueprint for engineering medicinal FC biosynthesis. Most Angelica species possess pharmaceutical value due to furocoumarin (FC) accumulation. Here, the authors compile the genomes of five species (three high-FC species and two low-FC species) and reveal the underlying mechanisms leading to the differentiated patterns of FC accumulation.
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