项目文章|拟南芥中 cAMP 信号的分子靶点和生物学功能

上海元莘生物合作客户徐如强以第一作者在Biomolecules（2区，IF 4.874）发表文章:Molecular Targets and Biological Functions of cAMP Signaling in Arabidopsis，该研究利用可溶性腺苷酸环化酶诱导拟南芥植物中的细胞cAMP升高，通过RNA-seq鉴定cAMP的响应基因，构建了cAMP信号的基本框架，分析cAMP信号在植物可塑性中的调节作用。

研究背景

第二信使分子环磷酸腺苷(cyclic 3′,5′-adenosine monophosphate, cAMP)几乎存在于所有生物体中，它在细胞信号传导中起关键作用，调节各种细胞反应[1]。

图：cAMP是植物中重要的信号分子[2]

cAMP 虽然被认为是植物中复杂信号网络的重要组成部分，但其分子靶标和生物通路方面的潜在分子机制仍然有待探究。

该研究利用可溶性腺苷酸环化酶的工程活性诱导拟南芥植物中的细胞cAMP升高，并通过 RNA-seq 鉴定了427个cAMP响应基因(CRG)，构建了一个cAMP信号框架。

技术路线

研究结果概要

植物细胞cAMP升高相关的基因表达变化

将AC转基因植株进行DEX处理，处理后24小时的标为LD组，0小时的标为LB组，对这两组植株的总RNA进行RNA-seq分析（n=3）,鉴定到427个差异表达基因（DEG），视这些基因为cAMP反应基因（CRGs），包括329个下调基因（down-CRGs）和98个上调基因CRGs（up-CRGs）。

图：CRG 的鉴定

对CRG进行GO分析，发现cAMP升高与转录、激素信号传导以及生物和非生物胁迫反应显著相关。

图：CRG的功能特征

植物中上下调CRG的功能比较

使用DAVID分析上下调CRG的功能富集情况，发现上调和下调CRG均与转录因子活性以及乙烯激活信号通路的功能相关，表明cAMP升高与这些功能之间存在特殊关联。利用转录因子数据库，进一步发现了cAMP 信号优先调节ERF和RAV家族转录因子的可能性。

图：上下调CRG的功能比较

鉴定植物细胞中cAMP升高的相关通路

对CRG进行KEGG分析，结果显示细胞cAMP的升高与各种植物激素（辅助素、细胞分裂素、赤霉素、乙烯、ABA、SA和JA）的信号级联、生物和非生物应激反应以及气孔发育有关。

图：CRG的相关生物学通路

植物中响应cAMP的相关基因集

细胞信号传递往往涉及功能相关基因表达的微小变化，因此研究人员也对CRG进行了GSEA分析，基于GO term列出了含40个以上核心子集的重要基因集。

图：响应cAMP的代表性基因集

植物细胞cAMP升高相关的共表达网络和枢纽基因

为了了解cAMP信号的表达网络，该研究对RNA-seq数据进行了WGCNA分析，发现CRG主要分布在三个重要的模块中，与转录调控、磷酸化以及生理反应有关。

图：与植物内源性cAMP升高相关的共表达网络和枢纽基因

细胞cAMP升高对植物表型的影响

图：细胞cAMP升高对植物表型的影响

结果概述

诱导细胞cAMP升高会抑制种子萌发、扰乱植物激素含量、促进叶片衰老、削弱乙烯反应并降低盐胁迫耐受性和病原体抗性。CRGs 在植物激素信号转导、MAPK 信号传导和二萜生物合成通路中显著表达，同时，也与脂质、糖、K+、硝酸盐信号传导等有关。

参考文献

[1]Xu R, Guo Y, Peng S, et al. Molecular Targets and Biological Functions of cAMP Signaling in Arabidopsis. Biomolecules. 2021;11(5):688. Published 2021 May 3. doi:10.3390/biom11050688

[2]Blanco E, Fortunato S, Viggiano L, de Pinto MC. Cyclic AMP: A Polyhedral Signalling Molecule in Plants. Int J Mol Sci. 2020;21(14):4862. Published 2020 Jul 9. doi:10.3390/ijms21144862