Abstract Corydalis yanhusuo W.T. Wang is a classic herb that is frequently used in traditional Chinese medicine and is efficacious in promoting blood circulation, enhancing energy, and relieving pain. Benzylisoquinoline alkaloids (BIAs) are the main bioactive ingredients in Corydalis yanhusuo . However, few studies have investigated the BIA biosynthetic pathway in C. yanhusuo , and the biosynthetic pathway of species-specific chemicals such as tetrahydropalmatine remains unclear. We performed full-length transcriptomic and metabolomic analyses to identify candidate genes that might be involved in BIA biosynthesis and identified a total of 101 full-length transcripts and 19 metabolites involved in the BIA biosynthetic pathway. Moreover, the contents of 19 representative BIAs in C. yanhusuo were quantified by classical targeted metabolomic approaches. Their accumulation in the tuber was consistent with the expression patterns of identified BIA biosynthetic genes in tubers and leaves, which reinforces the validity and reliability of the analyses. Full-length genes with similar expression or enrichment patterns were identified, and a complete BIA biosynthesis pathway in C. yanhusuo was constructed according to these findings. Phylogenetic analysis revealed a total of ten enzymes that may possess columbamine-O-methyltransferase activity, which is the final step for tetrahydropalmatine synthesis. Our results span the whole BIA biosynthetic pathway in C. yanhusuo . Our full-length transcriptomic data will enable further molecular cloning of enzymes and activity validation studies.

The mulberry leaf is a classic herb commonly used in traditional Chinese medicine. It has also been used as animal feed for livestock and its fruits have been made into a variety of food products. Traditionally, mulberry ( Morus alba L.) leaf harvesting after frost is thought to have better medicinal properties, but the underlying mechanism remains largely unsolved. To elucidate the biological basis of mulberry leaves after frost, we first explored the content changes of various compounds in mulberry leaves at different harvest times. Significant enrichment of flavonoids was observed with a total of 224 differential metabolites after frost. Subsequently, we analyzed the transcriptomic data of mulberry leaves collected at different harvest times and successfully annotated 22,939 unigenes containing 1,695 new genes. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG) analysis revealed 26, 20, and 59 unigenes related to flavonoids synthesis in three different groups harvested at different times. We found that the expression levels of flavonoid biosynthesis-related unigenes also increased when harvested at a delayed time, which was consistent with the flavonoid accumulation discovered by the metabolomic analysis. The results indicated that low temperature may be a key trigger in flavonoid biosynthesis of mulberry leaves by increasing the expression of flavonoid biosynthesis-related genes. This study also provided a theoretical basis for the optimal harvest time of mulberry leaves.

Abstract Cnidium monnieri , a medicinal herb of the Cnidium genus and the Apiaceae family, is among the most important traditional Chinese medicines and is widely distributed in China. However, to date, no C. monnieri -related genomic information has been described. In this study, we assembled the C. monnieri genome of approximately 1210.23 Mb with a contig N50 of 83.14 Mb. Using PacBio HiFi and Hi-C sequencing data, we successfully anchored 93.86% of the assembled sequences to 10 pseudochromosomes (2n = 20). We predicted a total of 37,460 protein-coding genes, with 97.02% of them being functionally annotated in Non-Redundant, Gene Ontology, Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes, and other databases. In addition, we identified 2,778 tRNAs, 4,180 rRNAs, 258 miRNAs, and 1,700 snRNAs in the genome. This is the first reported C. monnieri genome. Hopefully, the availability of this chromosome-level reference genome provides a significant basis for upcoming natural product-related biosynthetic pathway assessment in C. monnieri .

Complex coumarins (CCs) represent characteristic metabolites found in Apiaceae plants, possessing significant medical value. Their essential functional role is likely as protectants against pathogens and regulators responding to environmental stimuli. Utilizing genomes and transcriptomes from 34 Apiaceae plants, including our recently sequenced Peucedanum praeruptorum, we conduct comprehensive phylogenetic analyses to reconstruct the detailed evolutionary process of the CC biosynthetic pathway in Apiaceae. Our results show that three key enzymes - p-coumaroyl CoA 2'-hydroxylase (C2'H), C-prenyltransferase (C-PT), and cyclase - originated successively at different evolutionary nodes within Apiaceae through various means of gene duplications: ectopic and tandem duplications. Neofunctionalization endows these enzymes with novel functions necessary for CC biosynthesis, thus completing the pathway. Candidate genes are cloned for heterologous expression and subjected to in vitro enzymatic assays to test our hypothesis regarding the origins of the key enzymes, and the results precisely validate our evolutionary inferences. Among the three enzymes, C-PTs are likely the primary determinant of the structural diversity of CCs (linear/angular), due to divergent activities evolved to target different positions (C-6 or C-8) of umbelliferone. A key amino acid variation (Ala161/Thr161) is identified and proven to play a crucial role in the alteration of enzymatic activity, possibly resulting in distinct binding forms between enzymes and substrates, thereby leading to different products. In conclusion, this study provides a detailed trajectory for the establishment and evolution of the CC biosynthetic pathway in Apiaceae. It explains why only a portion, not all, of Apiaceae plants can produce CCs and reveals the mechanisms of CC structural diversity among different Apiaceae plants.