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10NAT10同源物催化ac4C沉积机制3ac4C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1mRNA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2mRNA 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10NAT10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。3ac4C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IILHC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 MFLMpre-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 CYCLASEAOC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.
易基因：深度综述|Nat Plants/IF15：新型RNA修饰ac4C在植物生长发育与环境适应中的作用机制及其应用前景
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10NAT10同源物催化ac4C沉积机制3ac4C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1mRNA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2mRNA 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10NAT10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。3ac4C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IILHC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 MFLMpre-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 CYCLASEAOC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.
