近日，南京农业大学园艺学院熊爱生教授团队在plant physiology（IF=6.5）上发表了题为《The parsley genome assembly and DNA methylome shed light on apigenin biosynthesis in the Apiaceae》的研究论文，该研究组装了染色体水平的高质量欧芹基因组，并解析了欧芹基因组中的DNA甲基化在芹菜素生物合成中的调控作用，从转录与表观层面揭示了芹菜素合成的调控网络。结合系统发育和比较基因组学分析，为芹菜素合成调控机制、伞形科物种分子育种提供了关键数据，为伞形科植物的基因组学和代谢研究奠定了基础。

贝纳基因为本研究提供提供了基因组、转录组测序和部分分析工作。

欧芹（Petroselinum crispum）作为伞形科代表性物种之一，兼具药用和食用价值。其叶片和根部积累的芹菜素（apigenin），具有抗癌、神经保护和调节血脂等药理活性。然而，伞形科植物的基因组进化特征及芹菜素生物合成的分子机制尚未得到系统解析。目前，DNA甲基化在植物次生代谢中的功能研究多集中于模式植物，而伞形科中甲基化与黄酮类活性物质合成的关联仍属未解之谜。

研究团队通过整合PacBio长读长数据、Hi-C数据和Illumina数据，成功构建了染色体水平的高质量欧芹基因组。该基因组大小为1.85 Gb，scaffold N50 为172 Mb，BUSCO评估完整度为96.9%，LAI值为24.05。基因注释共预测到50,068个蛋白编码基因，其中92.24%通过多数据库比对获得功能注释。

图1 欧芹基因组组装与结构特征

全基因组复制分析（WGD）揭示，欧芹经历了两次与伞形目共享的WGD事件。系统发育分析表明，欧芹与芹菜的分化时间约为12.8 Mya，二者基因组具有高度共线性，并且共同经历了伞形科的两次WGD事件。基因家族扩张与收缩分析显示，欧芹特有的628个基因家族在苯丙烷类代谢等次级代谢通路中显著富集，且其中单拷贝基因的比例远高于多拷贝基因。

图2 WGD与进化分析

重复序列分析表明，欧芹基因组中重复序列占比达76.14%，其中长末端重复（LTR）元件占重复序列的61.94%，显著高于胡萝卜等近缘物种。研究团队推测，LTR元件的大规模扩增是推动欧芹基因组膨胀的核心因素。值得注意的是，欧芹的串联复制基因主要富集于苯丙烷类生物合成通路，而胡萝卜的串联复制基因则主要富集于类胡萝卜素代谢相关通路，这表明不同物种通过差异化的基因复制策略来适应各自的代谢功能需求。

图3 欧芹和近缘物种的比较基因组分析

通过全基因组甲基化测序（WGBS），研究团队分析了欧芹叶片、叶柄和根组织的DNA甲基化模式，发现不同组织间甲基化水平呈现显著动态差异。差异甲基化区域（DMRs）分析显示，叶片与根部、叶柄与根部相比，高甲基化区域数量显著多于低甲基化区域，且这些DMRs大多数定位于基因体区，其关联基因在叶片和叶柄中显著富集于芳香族氨基酸代谢通路，如苯丙氨酸生物合成，提示甲基化可能通过抑制相关基因表达，调控次级代谢物的组织特异性积累。转录组与甲基化联合分析进一步揭示，基因表达水平与甲基化程度呈显著负相关，尤其在转录起始位点（TSS）和终止位点（TES）附近，高甲基化基因在叶片中表达水平普遍较低。

图4 欧芹中不同组织间甲基化差异分析

研究团队利用超高效液相色谱（UPLC）进行代谢组分析，发现欧芹叶片中芹菜素含量达47.5 mg/g，分别是近缘物种Cryptotaenia japonica绿色品种和紫色品种的7.5倍和6.5倍，且与花青素积累呈显著负相关。基于同源比对，将欧芹的代谢组数据比对到拟南芥数据库中，研究人员鉴定出苯丙烷类通路的关键酶基因，包括2个PAL、7个4CL、8个CHS、6个CHI及2个FNS基因。其中，CHI基因在叶片、叶柄和根中均呈现高表达，且表达量显著高于其他同源基因。结合功能注释，研究团队推测该基因可能为芹菜素合成的核心限速酶。随后，通过代谢组与转录组联合分析，研究团队采用加权基因共表达网络分析（WGCNA），筛选出16个与芹菜素合成相关的差异表达转录因子，包括9个AP2和7个MYB家族成员。

最后，通过酵母单杂交实验和基因沉默实验进行实验验证，研究团队证实AP2转录因子PcAP2能够特异性结合CHI基因启动子区域。进一步的基因沉默实验表明，抑制PcCHI或PcAP2的表达均会导致叶片中芹菜素含量显著下降，从而直接验证了二者在芹菜素合成通路中的关键调控作用。

图5 欧芹中芹菜素生物合成通路

为了探讨与芹菜素生物合成相关的基因簇（BGCs）的进化过程，研究团队对7种伞形科植物进行了共线性分析。在欧芹基因组中，研究团队鉴定出两个与芹菜素合成相关的BGCs，分别位于染色体2和11。跨物种比较分析表明，伞形科植物的BGCs的组成与分布上呈现显著分化：胡萝卜在染色体2上通过串联复制（TD）扩展了CHS基因簇以增强类胡萝卜素合成能力，而芹菜仅保留单个CHS拷贝，暗示其在进化中可能通过基因丢失简化代谢通路。

图6 伞形科植物中芹菜素生物合成基因簇进化分析

参考文献：

Liu H, et al. The parsley genome assembly and DNA methylome shed light on apigenin biosynthesis in the Apiaceae. Plant Physiol. 2025.