Convergent evolution of berberine biosynthesis

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作者
Zhichao Xu,Ya Tian,Jing Wang,Yuwei Ma,Qi Li,Yuanze Zhou,Wanran Zhang,Tingxia Liu,Lingzhe Kong,Yifan Wang,Ziyan Xie,Zhoujie An,Baojiang Zheng,Yuhong Zhang,Chang Cao,Chengwei Liu,Lixia Tian,Chengpeng Fan,Jiushi Liu,Hui Yao
出处
期刊:Science Advances [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:10 (48) 被引量:8
标识
DOI:10.1126/sciadv.ads3596
摘要

Berberine is an effective antimicrobial and antidiabetic alkaloid, primarily extracted from divergent botanical lineages, specifically Coptis (Ranunculales, early-diverging eudicot) and Phellodendron (Sapindales, core eudicot). In comparison with its known pathway in Coptis species, its biosynthesis in Phellodendron species remains elusive. Using chromosome-level genome assembly, coexpression matrix, and biochemical assays, we identified six key steps in berberine biosynthesis from Phellodendron amurense , including methylation, hydroxylation, and berberine bridge formation. Notably, we discovered a specific class of O -methyltransferases (NOMT) responsible for N -methylation. Structural analysis and mutagenesis of PaNOMT9 revealed its unique substrate-binding conformation. In addition, unlike the classical FAD-dependent berberine bridge formation in Ranunculales, Phellodendron uses a NAD(P)H-dependent monooxygenase (PaCYP71BG29) for berberine bridge formation, originating from the neofunctionalization of tryptamine 5-hydroxylase. Together, these findings reveal the convergence of berberine biosynthesis between Coptis and Phellodendron and signify the role of the convergent evolution in plant specialized metabolisms.
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