新型RNA修饰ac4C在植物生长发育与环境适应中的作用机制

N4-乙酰胞苷（ac4C）是一种进化上高度保守的RNA修饰，曾被认为仅存在于tRNA和rRNA上，近年来被证明也广泛存在于mRNA中，并影响mRNA稳定性、翻译效率及密码子特异性解码。在动物中，ac4C与细胞分裂、基因组稳定、免疫、衰老和癌症等过程相关。相比之下，ac4C的植物功能直到近年才在拟南芥、水稻、番茄、大豆等物种中逐步清晰。

2025年11月，广西大学徐秋涛教授和张积森教授团队在《Nature Plants》（IF15/Q1）期刊发表题为“The emerging epitranscriptomic modification ac4C regulates plant development and stress adaptation”的观点性综述文章，探讨了植物writers如何沉积ac4C修饰、总结其对植物发育与环境适应的调控影响，并概述该领域面临的主要挑战、未来方向及其在作物改良中的潜在应用。

DOI:10.1038/s41477-025-02140-4

四个核心议题

（1）植物转录组中ac4C图谱绘制；

（2）植物N-乙酰转移酶10（NAT10）同源物催化ac4C沉积机制；

（3）ac4C在植物发育与环境适应中的调控功能；

（4）该领域面临的挑战与未来方向。

最后，作者指出ac4C可作为作物遗传改良的潜在靶点，通过调控关键转录因子或胁迫响应酶的mRNA修饰水平，提升作物抗逆性和产量。

图1：mRNA中ac4C的酶促调控及其在哺乳动物和植物中的功能多样性。NAT10催化乙酰辅酶A将乙酰基转移至胞苷N4位，从而在mRNA中形成ac4C。

（1）植物转录组中ac4C图谱绘制

ac4C在植物中最早通过dot blot和定量LC–MS/MS在水稻与拟南芥的总RNA和mRNA组分中得以确认，由此确立植物中的mRNA ac4C修饰。随后通过乙酰化RNA免疫沉淀测序（acRIP-seq）等高通量方法用于ac4C修饰的全转录组图谱绘制，且acRIP-seq在识别低丰度修饰中尤为灵敏。

在物种分布上，水稻ac4C主要在翻译起始位点附近富集，而在拟南芥中则呈转录本5'端和3'端双峰分布。尽管存在物种差异，但均表现出显著5'端偏好性，这一特征在哺乳动物中同样存在，提示ac4C调控的跨物种真核保守性，并伴随CXX等重复序列motif。全转录组分析进一步揭示ac4C在RNA代谢中的关键作用：水稻中ac4C可稳定OsSOD4等胁迫响应相关转录本，而Osnat10突变体中ac4C缺失则加速相关转录本降解；拟南芥中ac4C水平降低与内含子保留、外显子跳跃等广泛的可变剪切相关。

跨物种全转录组图谱在拟南芥、水稻、番茄、大豆和人类中分别鉴定出3,858、7,508、1,414、700和4,250个ac4C峰，揭示该修饰的广泛性和谱系特异性。此外，ac4C偏好富集于参与糖酵解和蛋白质合成等保守代谢通路转录本，同时在植物病原感染时富集于免疫相关转录本、在哺乳动物细胞中关联耐药相关基因，提示其参与环境与生理响应下的基因表达调控。

图2：mRNA ac4C在植物中的生物学功能。

在水稻中，NAT10通过ac4C修饰增强胁迫响应基因OsSOD4转录本稳定性。此外，在病原菌侵染后，NAT10表达上调，导致编码OsAOC（茉莉酸生物合成通路关键酶）的mRNA上ac4C修饰增加，从而增强抗病性。

在拟南芥中，ACYR介导的mRNA ac4C修饰不仅有助于TGH蛋白的稳定表达（TGH通过调控miRNA生物发生以调控叶片形态发育）；同时还增强对光合作用至关重要的LHCB3翻译。低温条件下，ACYR介导的FLM pre-mRNA ac4C修饰会抑制剪接因子SF1结合，从而确保FLM-δ亚型保持适当比例，促进拟南芥完成开花转变。

（2）植物NAT10同源物催化ac4C沉积

哺乳动物中N-乙酰转移酶10（NAT10）是负责在mRNA上沉积ac4C的主要writer，主要调控RNA稳定性和翻译效率。比较基因组学研究已在46个植物物种中鉴定出NAT10同源物，凸显其进化保守性。

在拟南芥中，这些同源物被命名为ACYR蛋白（RNA胞苷N-乙酰转移酶），而在水稻中则称为OsNAT10或OsACYR。尽管许多植物物种（如水稻）只编码单拷贝的NAT10同源物，而拟南芥拥有两个旁系同源基因AtACYR1和AtACYR2，二者序列同一性超过84%，并表现出重叠的表达模式。

亚细胞定位分析显示，拟南芥和水稻中的NAT10同源物主要位于细胞核，提示ac4C沉积可能参与共转录发生。这种核定位模式与哺乳动物NAT10一致，表明真核生物中ac4C的生物合成的保守机制。

功能研究证实植物ACYR在ac4C沉积中的催化作用。在水稻中，OsNAT10的GCN5相关N-乙酰转移酶结构域可在体外催化ac4C修饰，过表达OsNAT10可恢复Osnat10突变体的ac4C水平；在拟南芥中，atacyr1或atacyr1/atacyr2缺失突变体的总RNA与mRNA中ac4C显著降低，挽救实验可恢复至野生型水平。全基因组ac4C分析显示ACYR依赖的ac4C峰富集于植物数千个转录本中，揭示该修饰在植物中的广泛调控潜力。

（3）ac4C作为生长发育与胁迫响应的调控开关

越来越多证据将ac4C定位为植物发育与环境适应的关键调控因子。

在发育过程中，拟南芥AtACYR突变导致ac4C丢失，进而引起叶片形态显著缺陷。这些表型异常一方面归因于AtTOUGH等关键转录本稳定性降低（AtTOUGH是miRNA生物发生中调控营养发育的关键因子）；另一方面也归因于捕光复合体II（LHC）转录本（包括LHCB3）翻译效率的下降。ac4C存在可增强这些mRNA翻译，从而促进生物量积累并改善光合效率。

在环境适应中，拟南芥低温胁迫诱导AtACYR在FLOWERING LOCUS M（FLM）pre-mRNA剪接位点附近催化ac4C修饰，阻碍剪接因子SF1结合，促进FLMδ异构体产生，从而防止过度延迟开花，并支持植物在低温环境中适时完成生殖转变。水稻中，稻瘟病菌Magnaporthe oryzae感染后OsNAT10快速上调，导致茉莉酸生物合成关键酶ALLEENE OXIDE CYCLASE（AOC）等关键免疫相关转录本ac4C升高，增强其翻译效率，促进茉莉酸生物合成等快速免疫反应，从而提高抗病性。这些结果共同把ac4C定位成整合发育信号与环境信号的表观转录开关，通过改变特定转录本稳定性、翻译效率或可变剪切以对基因表达进行精细调控。

（4）挑战与未来方向

近期突破已将ac4C确立为植物中一种至关重要的RNA修饰，但仍存在一些关键空白。

首先，植物ac4C eraser尚未鉴定。鉴于m6A、m5C等其他RNA修饰具有可逆性，ac4C存在RNA去乙酰化酶是合理假设，值得探索；还需判断这些潜在eraser是否选择性作用于光合、激素信号或胁迫响应相关转录本，以及其活性如何随组织、发育阶段或环境条件变化，可为理解ac4C动态提供关键机制见解。

其次，识别ac4C并介导下游稳定性、翻译或定位的 reader 蛋白仍未发现。ac4C如何靶向到特定转录本，是由序列motif、RNA二级结构还是互作蛋白诱导。

最后，需要在植物器官、发育阶段和干旱、盐害、病原等胁迫条件下开展全转录组ac4C图谱比较分析。以判断ac4C是否作为阶段特异或胁迫诱导的调控标记，并揭示其与 m6A、m5C 等修饰的潜在互作。

应用层面，基于上述机制认识，ac4C调控为作物遗传工程提供了契机。例如，可应用基因组编辑或合成生物学增强编码关键转录因子或胁迫响应酶的转录本上的ac4C沉积，从而提升胁迫韧性；或提高光合相关转录本上的ac4C以增强光合效率并增加产量。这种靶向ac4C修饰相关通路可补充现有育种策略，为植物转录后调控提供新方案。

结论和启示

ac4C是一种进化保守的RNA修饰，是植物发育与环境适应的关键表观转录组调控因子。植物NAT10同源物（ACYR）在细胞核中以共转录方式催化ac4C，该过程通过稳定关键转录本、增强翻译效率并调控可变剪切，进而影响叶片形态、光合能力、开花转变和病原菌免疫等生物学过程。尽管“writer”酶已被充分表征，但“eraser”和“reader”的鉴定仍需要探索。

研究启示

（1）多组学整合：未来可整合ac4C图谱、转录组、翻译组等多组学数据，揭示ac4C与其他RNA修饰（如m6A）之间的互作网络。

（2）跨物种拓展：当前研究主要集中在拟南芥和水稻，未来应拓展至更多作物（如小麦、玉米、马铃薯）以及极端环境植物，揭示ac4C功能的进化多样性。

（3）从基础研究到应用转化：ac4C相关通路（writer、reader、eraser）的鉴定将为精准育种提供全新的分子靶标，特别是针对气候变化背景下的抗逆育种。

参考文献：

Yao J, Xiao G, Ma X, Hui S, Shang H, Zhang J, Xu Q. The emerging epitranscriptomic modification ac4C regulates plant development and stress adaptation. Nat Plants. 2025 Nov;11(11):2200-2203. doi: 10.1038/s41477-025-02140-4.