Dev Cell | 俞皓团队揭示mRNA ac4C修饰调控植物低温适应性开花的新机制

迄今为止，在真核生物中已鉴定到超过上百种不同的RNA修饰，它们在RNA分子命运决定中发挥着关键作用，已成为基因表达调控的重要层面。4-乙酰化胞苷(N4-acetylcytidine, ac4C) 是RNA胞嘧啶(C)第四位N上发生的乙酰化修饰，也是目前鉴定到唯一的乙酰化修饰类型，已被证实广泛存在于多种细胞系mRNA上(Arango et al., 2018)。近期研究发现，ac4C修饰同样存在于植物mRNA中，对植物生长发育至关重要 (Wang et al., 2023; Li et al., 2023)。然而，在植物体内ac4C修饰如何建立、具体发挥何种生理功能及其调控机制仍有待深入研究，尤其是ac4C修饰参与植物环境适应性生长中的分子机制尚不清楚。

开花时间的调节是植物环境适应性生长的关键策略，能够在适宜的时间开花对于植物的存活和繁衍至关重要。目前，在模式植物拟南芥中已鉴定到多种重要的环境适应开花调控途径，其中温度响应开花途径 (thermosensory flowering) 是指植物感知外界温度变化以调控其开花的过程。研究发现，高温环境可促进拟南芥开花，而低温则延迟其开花，这主要是由温度响应的开花抑制因子FLOWERING LOCUS M (FLM)可变剪接所控制的 (Pose et al., 2013; Lee et al., 2013)。FLM前体mRNA可响应环境温度变化发生选择性剪接，差异性的剪接形成两个主要剪接体FLM-β和FLM-δ，它们对开花具有完全相反的作用，其中FLM-β为开花抑制因子，而FLM-δ为促进因子。研究表明，低温环境可促进FLM-β的剪接形成，而导致FLM-δ表达减少，这两种剪接体的低温响应调节是实现低温抑制开花的重要机制(Luo et al., 2025)。然而，植物如何感知和响应环境温度变化，进而精准调控FLM可变剪接以实现温度依赖的开花调控分子机理尚未阐明。

近日，新加坡国立大学/淡马锡生命科学研究院俞皓院士团队与申莉莎研究员课题组合作在Developmental Cell发表了题为Temperature-responsiveN4-acetylcytidine mRNA modification controls thermosensory flowering inArabidopsis的研究论文，首次揭示了N-乙酰化转移酶NAT10s介导mRNA ac4C修饰特异性调控植物低温适应性开花的新机制。

该研究发现，mRNA上ac4C修饰的形成和动态调控是植物新型低温响应器， ac4C修饰可通过调控基因表达和RNA可变剪接直接控制低温环境中植物开花时间。拟南芥N-乙酰转移酶10 A/B (N-acetyltransferase 10A/B)是功能保守的ac4C修饰酶(writers)，二者功能冗余，共同催化mRNA ac4C修饰的发生。在正常生长条件下，nat10a/b单基因突变体没有明显表型，其杂交产生的双突变体nat10a nat10b则导致胚胎败育，部分敲除nat10 (nat10a/+ nat10b) 双突变体也无明显开花表型。然而，在低温环境中，nat10单基因和部分敲除双突变体却表现出显著的开花延迟表型。分析发现，在低温条件下NAT10A/B的表达显著升高，其蛋白水平也显著增加，从而导致低温依赖的mRNA ac4C水平显著增加。NAT10s的ac4C乙酰转移酶活性是控制低温环境开花时间所必须的，相应的ac4C催化失活转基因材料均不能回复nat10s突变体的晚花表型。

进一步通过acRIP-seq、RNA-seq等多组学分析，研究团队绘制了低温响应的mRNA ac4C乙酰化图谱，发现低温环境可显著增加mRNA ac4C修饰水平和位点数目，但并不影响ac4C修饰在转录组中的分布特征，其中在冷响应转录本中鉴定到更为广泛的ac4C修饰发生。进而明确了NAT10s介导ac4C修饰主要发生在mRNA编码区，其动态变化与mRNA的稳定性和可变剪接密切相关，并在植物低温适应中发挥重要的调控作用。值得注意的是，低温条件下NAT10s可催化开花抑制因子FLM新生转录本上ac4C修饰的形成，并特异地发生在FLM前体mRNA外显子1-内含子1剪接位点附近。该ac4C修饰可调控FLM低温依赖的可变剪接，分别抑制和促进FLM-β和FLM-δ的生成，从而影响FLM-β和FLM-δ两种主要剪接体的相对含量。详细的遗传学分析证实，FLM-β/FLM-δ转录本的相对比例变化是导致nat10s低温依赖晚花表型的关键因素。进一步研究发现，剪切体关键组分SPLICING FACTOR 1 (SF1)是FLM低温依赖选择性剪接的关键调节因子。低温诱导FLM剪切位点附近ac4C修饰的发生可阻碍剪切因子SF1与FLM前体mRNA结合以调节其低温依赖的选择性剪接，从而精确调控FLM-β和FLM-δ剪接体的比例，帮助植物在低温环境中适时开花，顺利完成繁衍。

NAT10s介导ac4C修饰调控FLM低温依赖可变剪接的工作模型

综上所述，该研究揭示了植物低温适应性生长中新型mRNA修饰ac4C的动态调控作用，并阐明了位置特异的ac4C修饰可调控前体mRNA可变剪接以控制植物低温应答的关键机制，为RNA修饰调控在植物环境适应性改良中的应用提供了新的理论基础和设计思路。

新加坡国立大学/淡马锡生命科学研究院俞皓院士和申莉莎研究员为该论文共同通讯作者，俞皓课题组武小伟博士和张松瑶博士为论文共同第一作者。俞皓课题组苏婷婷、Chui Eng Wong博士和申莉莎课题组张禹博士等也参与了该项研究。该研究得到了新加坡国立研究基金会、新加坡国立大学和淡马锡生命科学研究院的支持。

参考文献：

1. Arango, D., Sturgill, D., Alhusaini, N., Dillman, A.A., Sweet, T.J., Hanson, G., Hosogane, M., Sinclair, W.R., Nanan, K.K., Mandler, M.D., et al. Acetylation of cytidine in mRNA promotes translation efficiency. Cell 175 , 1872-1886. (2018).

2. Wang, W., Liu, H., Wang, F., Liu, X., Sun, Y., Zhao, J., Zhu, C., Gan, L., Yu, J., Witte, C.P., and Chen, M. N4 -acetylation of cytidine in mRNA plays essential roles in plants. Plant Cell. 35 , 3739-3756 (2023).

3. Li, B., Li, D., Cai, L., Zhou, Q., Liu, C., Lin, J., Li, Y., Zhao, X., Li, L., Liu, X., and He, C. Transcriptome-wide profiling of RNA N4 -cytidine acetylation in Arabidopsis thaliana and Oryza sativa . Mol. Plant 16 , 1082-1098. (2023).

4. Pose, D., Verhage, L., Ott, F., Yant, L., Mathieu, J., Angenent, G.C., Immink, R.G., and Schmid, M. Temperature-dependent regulation of flowering by antagonistic FLM variants. Nature 503 , 414-417. (2013).

5. Lee, J.H., Ryu, H.S., Chung, K.S., Pose, D., Kim, S., Schmid, M., and Ahn, J.H. Regulation of temperature-responsive flowering by MADS-box transcription factor repressors. Science 342 , 628-632. (2013).

6. Luo, X., Liu, X., Zheng, N., Song, C., and He, Y. Molecular mechanisms of temperature-mediated flowering regulation: from Arabidopsis to short-day crops. Plant Cell Environ. 10.1111/pce.15678. (2025).

论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.devcel.2025.07.003