近日，在《药学学报》英文刊（APSB）上刊登了赵玉成教授团队的最新研究成果"The chromosome-scale assembly of the Notopterygium incisum genome provides insight into the structural diversity of coumarins"。通过多组学联合分析与功能验证，揭示了羌活主要药效成分香豆素结构多样性的分子遗传机制。本团队2020级戴轶群博士为本文的共同第一作者，赵玉成教授、秦民坚教授和南京农业大学薛佳宇副教授为论文的共同通讯作者。

       羌活（Notopterygium incisum）是伞形科(Apiaceae)多年生珍稀濒危草本植物，是我国特有属植物，也是中、藏、羌三大医药体系中常用药材，主要分布在青海、西藏、甘肃、四川和陕西等青藏高原及其周边地区，具有解表散寒、祛风胜湿、止血杀虫等功效。近年来羌活的市场需求日益剧增，推动了羌活人工种植产业的发展，在青海和四川已初步形成了一定的种植规模，然而人工种植羌活的品质退化问题一直存在。

      羌活属目前只有六个物种：羌活(N. incisum)、宽叶羌活(N. franchetii)、卵叶羌活(N. oviforme)、澜沧羌活(N. forrestii)、羽苞羌活(N. pinnatiinvolucellum)以及细叶羌活(N. tenuifolium)，其中羌活和宽叶羌活是中国药典中羌活的基原植物。目前市面上流通的主要是野生羌活与栽培羌活。野生羌活根茎粗壮、有横节如蚕形而称“蚕羌”，表面棕色、断面质紧密、香气浓郁；也有些根部横节延长，形如竹节状而习称“竹节羌”。栽培羌活主要是宽叶羌活，习称“大头羌活”，但栽培羌活的根部横节会更加延长或直接消失，相应的品质也随之退化，市场价格远低于野生品种。

       为了探究其品质退化的机制，该团队首先对不同品种羌活及羌活不同组织部位的化学成分进行了定性分析，同时对主要药效成分——香豆素类化合物进行了定量分析。结果表明：（1）栽培品中大部分香豆素类化合物的含量均低于野生羌活，这可能是野生羌活质量更优的主要原因；（2）根中代表性香豆素的含量均高于其他组织部位，这为羌活以根入药提供了一定的科学依据；（3）宽叶羌活中，nodakenin与isoimperatorin的含量明显高于羌活，这可能是其能成为中药羌活的另一基原的原因。上述结果表明，仿野生栽培有望成为获得高质量药材的良好途径。

图1.羌活中主要化合物类型与主要香豆素化合物的定量分析

图2.羌活基因组组装、系统发育树重建和全基因组重复分析

       利用代谢组-转录组联合分析及系统进化分析等策略，作者筛选并功能验证了决定羌活中香豆素结构多样性的多种关键酶，包括两种对简单香豆素基础骨架结构形成至关重要的对香豆酰辅酶A 2'-羟化酶C2'H，两种催化线型或角型香豆素生物合成的异戊烯基转移酶PT，以及五种决定四氢吡喃（THP）和四氢呋喃（THF）环形成的CYP736环化酶DC/OC/OD，并且首次发现了一种能够同时催化线型和角型香豆素的双功能环化酶OD，此发现也拓展了对于环化酶活性的认识。

  图3. 决定四氢吡喃（THP）和四氢呋喃（THF）环形成的CYP736环化酶的功能发掘

      进一步结合系统发育和比较基因组学方法，探索了环化酶的演化历史及功能分化的机制。发现伞形科/羌活特有的CYP736家族的复制事件导致了五个环化酶基因的出现，为羌活中香豆素的结构多样性做出了贡献。本研究提出了不同被子植物中复杂香豆素生物合成途径的平行进化假说，并为合成生物学生产香豆素提供了必要的酶学元件，也为改良人工种植羌活品种和培育高效优质羌活新品种奠定了重要基础。

图4.羌活中CYP736基因家族的演化

      青海大学李啟恩副教授、中国药科大学博士生戴轶群和南京农业大学博士生黄新程为本文的共同第一作者。中国药科大学中药学院中药资源系赵玉成副教授/秦民坚教授和南京农业大学薛佳宇副教授为论文的共同通讯作者。陕西中医药大学徐顶巧副教授、青海大学郭肖副教授和完地高老师也参与了部分工作。武汉贝纳科技服务有限公司参与了本项目的基因组测序与部分分析工作。

       该工作主要得到了国家中医药管理局青年岐黄学者项目、中央本级重大增减支项目“名贵中药资源可持续利用能力建设项目”、中国科学院西部之光项目、省部共建秦药特色资源研究与开发国家重点实验室（培育）开放课题、安徽省大别山中医药研究院开放课题以及云南特色植物提取实验室开放课题的资助。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.apsb.2024.04.005