Cell Rep | Polysome profiling应用：揭秘水稻光合作用的秘密——OsNAT10如何调控植物能量工厂

导读

N4-乙酰胞嘧啶（ac4C）最早在细菌tRNA中被发现，并在真核生物tRNA和18S rRNA中参与核糖体生物发生。近期研究表明，ac4C是一种mRNA修饰，由NAT10（人类）和KRE33（酵母）催化，高温可诱导超嗜热古菌中ac4C积累，其缺失会引发生长缺陷。

ac4C修饰存在于HIV-1 RNA上，NAT10缺失会降低ac4C水平，削弱病毒复制。此外，hNAT10通过调控mRNA稳定性和翻译效率影响细胞增殖，并在胚胎干细胞分化及多能性重编程中发挥ac4C依赖性作用。ac4C修饰的mRNA富集于应激颗粒，降低翻译效率，并调控RNA和蛋白质的亚细胞定位。

拟南芥有两个NAT10同源基因，水稻仅一个（OsNAT10），其ac4C修饰调控叶片发育和免疫应答，但功能机制尚不明确。

光合作用受多层次调控，GLK和COG1调节叶绿体和LHC基因，LHCII和PsbO磷酸化影响光系统平衡，m6A修饰在高光胁迫下促进光保护基因表达，但RNA修饰在正常条件下对水稻光合作用的调控仍待研究。

2025年3月13日，湖南大学生物学院何崇圣团队在Cell Reports上发表了一篇题为“N-acetyltransferase 10 catalyzes RNA N4-acetylcytidine to regulate photosynthesis in rice”的论文，证明OsNAT10是水稻的ac4C乙酰转移酶，OsNAT10介导的ac4C修饰增强光合调控基因的RNA稳定性和翻译效率，从而在提高光合效率和促进水稻整体生长发育过程中发挥关键作用。

文章索引

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研究结果

一. osnat10突变体表现出多种发育缺陷

作者构建了osnat10突变体后，ac4C修饰水平下降，突变体表现出根系缩短、分蘖减少、植株矮小、穗长变短、单株产量降低等发育缺陷。

过表达OsNAT10可完全恢复突变体表型，证实OsNAT10在水稻正常发育中的关键作用。

二. OsNAT10在活跃增殖组织中高表达

OsNAT10在增殖活跃组织（茎叶、根尖、侧根起始区）高表达，主要定位于细胞核。其表达模式与ac4C修饰分布不完全一致，提示ac4C受复杂调控。

水稻OsNAT10与拟南芥同源蛋白的核定位差异，可能反映ac4C修饰机制的物种特异性。

三. OsNAT10是水稻的ac4C乙酰转移酶

研究表明，OsNAT10是水稻中参与mRNA ac4C修饰的乙酰转移酶。通过体外实验和过表达分析，作者证实OsNAT10可以催化RNA上的ac4C修饰，并恢复osnat10中的ac4C水平。

acRIP-seq分析显示，OsNAT10调控的ac4C修饰广泛分布在多个基因中，尤其与翻译相关的基因。osnat10-1中的ac4C修饰显著减少，进一步证明OsNAT10对mRNA ac4C修饰至关重要。

四. OsNAT10功能丧失减少水稻光合速率

osnat10突变体表现出光合作用缺陷，包括CO2分压增加、气孔导度和蒸腾速率降低、最大光合速率下降以及PSII效率降低，表明OsNAT10在光合作用中起关键作用。

五. osnat10突变体中光合作用调节基因的RNA稳定性和翻译效率降低

作者发现，OsNAT10缺失导致光合作用调节基因OsLIR1的RNA稳定性和翻译效率下降。

RNA-seq分析显示，OsLSI3和OsZHD5的RNA稳定性在osnat10-1突变体中显著降低。

Polysome profiling多聚核糖体分析表明，osnat10-1中多核糖体相关mRNA减少，表明ac4C修饰通过增强翻译效率调控RNA翻译。这些结果表明，OsNAT10对光合作用相关基因的RNA稳定性和翻译效率具有重要作用。

六. ac4C调控OsLIR1的翻译效率

Osnat10-1中OsLIR1的ac4C修饰减少，导致其蛋白水平下降。突变ac4C位点（OsLIR1m）降低翻译效率，核糖体结合能力减弱，进一步证实ac4C促进OsLIR1翻译。

七. OsLIR1过表达部分恢复osnat10的发育缺陷

为了研究OsLIR1对osnat10发育缺陷的遗传贡献，作者在osnat10-1中过表达了OsLIR1，结果显示，OsLIR1过表达部分恢复了osnat10-1的植株高度、根长、冠根和侧根数量等发育缺陷。

此外，过表达OsLIR1还部分恢复了osnat10-1中的光合作用参数和叶绿素含量，表明OsNAT10在调控光合作用缺陷中通过OsLIR1进行遗传调控。

总结

本文鉴定了OsNAT10为水稻ac4C修饰酶，osnat10突变体光合相关基因ac4C修饰减少，RNA稳定性和翻译效率下降，导致发育缺陷。OsLIR1过表达可部分恢复osnat10表型，揭示OsNAT10通过ac4C促进光合作用和生长，为作物改良提供新思路。

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