Comparative Genome Analysis of Scutellaria baicalensis and Scutellaria barbata Reveals the Evolution of Active Flavonoid Biosynthesis

黄芩 生物 基因复制 查尔酮合酶 基因 功能分歧 沃戈宁 基因组 遗传学 类黄酮生物合成 串联外显子复制 基因家族 生物合成 基因表达 转录组 中医药 替代医学 病理 医学
作者
Zhichao Xu,Ranran Gao,Xiangdong Pu,Rong Xu,Jiyong Wang,Shu-Jian Zheng,Yan Zeng,Jun Chen,Chunnian He,Jingyuan Song
出处
期刊:Genomics, Proteomics & Bioinformatics [Elsevier]
卷期号:18 (3): 230-240 被引量:55
标识
DOI:10.1016/j.gpb.2020.06.002
摘要

Scutellaria baicalensis (S. baicalensis) and Scutellaria barbata (S. barbata) are common medicinal plants of the Lamiaceae family. Both produce specific flavonoid compounds, including baicalein, scutellarein, norwogonin, and wogonin, as well as their glycosides, which exhibit antioxidant and antitumor activities. Here, we report chromosome-level genome assemblies of S. baicalensis and S. barbata with quantitative chromosomal variation (2n = 18 and 2n = 26, respectively). The divergence of S. baicalensis and S. barbata occurred far earlier than previously reported, and a whole-genome duplication (WGD) event was identified. The insertion of long terminal repeat elements after speciation might be responsible for the observed chromosomal expansion and rearrangement. Comparative genome analysis of the congeneric species revealed the species-specific evolution of chrysin and apigenin biosynthetic genes, such as the S. baicalensis-specific tandem duplication of genes encoding phenylalanine ammonia lyase and chalcone synthase, and the S. barbata-specific duplication of genes encoding 4-CoA ligase. In addition, the paralogous duplication, colinearity, and expression diversity of CYP82D subfamily members revealed the functional divergence of genes encoding flavone hydroxylase between S. baicalensis and S. barbata. Analyzing these Scutellaria genomes reveals the common and species-specific evolution of flavone biosynthetic genes. Thus, these findings would facilitate the development of molecular breeding and studies of biosynthesis and regulation of bioactive compounds.
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