复合香豆素(CCs)是在伞形科植物中发现的特征性代谢产物，具有重要的药用价值。它们的基本功能可能是作为对抗病原体的保护剂和对环境刺激作出反应的调节剂。
2024年8月10日，中国药科大学赵玉成，南京农业大学薛佳宇，中国热带农业科学院乔飞共同通讯在Nature Communications 在线发表题为“The gradual establishment of complex coumarin biosynthetic pathway in Apiaceae”的研究论文，该研究为伞形科植物CCs生物合成途径的建立和进化提供了详细的轨迹，解释了只有一部分而不是全部的伞形科植物可以产生CCs，并揭示了不同伞形科植物之间CCs结构多样性的机制。
研究利用34种伞形科植物的基因组和转录组，进行了全面的系统发育分析，重建了伞形科植物CCs生物合成途径的详细进化过程。结果表明，对香豆素辅酶a2′-羟化酶(C2′H)、C-戊烯基转移酶(C-PT)和环化酶这3种关键酶是通过异位复制和串联复制等多种基因复制方式，在不同进化节点上先后产生的。新功能化使这些酶具有CCs生物合成所必需的新功能，从而完成该途径。
候选基因被克隆用于异种表达，并进行体外酶分析以验证关于关键酶起源的假设，结果精确地验证了进化推断。在这三种酶中，C-PTs可能是CCs结构多样性(线性/角化)的主要决定因素，因为它们针对伞花酮的不同位置(C-6或C-8)进化出不同的活性。一个关键的氨基酸变异(Ala161/Thr161)被确定并证明在酶活性的改变中起关键作用，可能导致酶和底物之间不同的结合形式，从而导致不同的产物。
为了应对与侵略者的竞争，植物进化出了产生次生代谢物的能力。一些次生代谢物在人类身上表现出特定的治疗活性，我们的祖先巧妙地利用这些代谢物治疗人类疾病。香豆素是植物代谢产物的主要种类之一。香豆素除了作为抗植物病原体和应对生物和非生物压力的保护剂外，还具有多种医学生物活性，如抗菌、抗肿瘤、抗氧化、抗凝血和抗炎等特性。
这些多样性的生物活性可能源于香豆素的结构多样性，可分为五种类型：简单香豆素(SCs)、线性呋喃香豆素(FCs)、角型FCs、线性吡喃香豆素(PCs)和角型PCs；后四种可统称为CCs。相比之下，CCs是具有潜在医疗价值的主要成分，是SCs进一步生物合成的产物。生物合成过程包括三个不同的步骤，通过三种类型的酶-C2'H，C-PT和环化酶。详细的CC生物合成过程由C2'H催化对香豆酰CoA形成伞形花酮。在这一步中，C2'H与催化东莨菪碱生物合成的酶(F6'H)竞争底物，后者不会继续加工成CCs。最后，环化酶催化吡喃环或呋喃环的环化，形成最近被表征的PCs或FCs，填补了CCs生物合成途径中最后缺失的空白。
综述伞形科植物CCs生物合成关键酶的来源和损失（图源自Nature Communications ）
在自然界中，尽管SCs普遍存在于被子植物中，但据报道，CCs主要积聚在433个被子植物科中的4个科中，即Apiaceae, Moraceae, rutacae和Fabaceae，这些科在系统发育上彼此相距较远。CCs在被子植物系统发育中的分散分布表明，在这四个科中，CCs的生物合成有多个独立的起源。巧合的是，分子证据也支持CCs生物合成在不同被子植物谱系中的独立进化。
尽管Apiaceae是众所周知的具有CCs代谢物的被子植物家族，但事实是并非所有的Apiaceae植物都能产生CCs。一些著名的中草药其根中含有大量的碳离子。相比之下，其他植物，例如大多数蔬菜和香料不会积累CCs。此外，一些其他著名的药用植物，也不积累CCs。这些观察结果表明，在Apiaceae中，CCs生物合成可能经历了一个可变的进化模式。目前，由于测序技术的快速发展，伞形科已经积累了丰富的基因组和转录组数据来源。研究还新测序了一种富含所有香豆素类型和特别高的角状CCs含量的伞形科植物P. praeruptorum。这些数据为阐明CCs生物合成起源及其多样化产物的分子机制提供了有价值的基础信息。利用进化基因组学的研究策略，研究努力重建一个详细的伞形科CCs生物合成途径的建立和进化过程。
南京农业大学博士生黄新程、中国药科大学硕士唐欢迎、南京农业大学博士生韦雪芬为论文共同第一作者。中国药科大学赵玉成教授、南京农业大学薛佳宇副教授、中国热带农业科学院乔飞研究员为论文共同通讯作者。湖南农业大学何岳东博士、陕西中医药大学徐顶巧副教授、南京农业大学博士生户帅雅和吴嘉宜也参与了相关工作。该工作主要得到了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”（第一标注）、中央高校基本业务费、秦药特色资源研究开发重点实验室开放课题、安徽省大别山中医药研究院开放课题、云南特色提取实验室开放课题等项目的资助。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41467-024-51285-x
