来自奥地利科学技术研究所 (ISTA) 以及德国、沙特阿拉伯、捷克和美国的研究机构的研究人员已经证实，植物在平行的信号传导系统中利用两种形式的 cAMP 分子。他们的研究表明，2′,3′-cAMP 和 3′,5′-cAMP 具有不同的酶促来源，并产生不同的细胞反应。 拟南芥（Arabidopsis thaliana）作者指出，这可能会对气候变化下作物生产力和适应能力的研究产生影响。
环磷酸腺苷（cAMP）在动植物体内发挥着第二信使的作用。在哺乳动物中，3′,5′-cAMP 的形式已被较为深入地研究。而在植物中，该分子的作用仍存在一些空白。这项新研究通过揭示两种结构异构体的存在及其功能，拓展了这一领域的研究。这两种异构体具有相同的化学式，但原子键不同。
研究团队分析了幼苗 拟南芥（Arabidopsis thaliana） 采用高效液相色谱-质谱联用技术进行分析。结果表明内源性存在两种形式的cAMP。2′,3′-cAMP的含量远高于3′,5′-cAMP。国际血清学技术协会（ISTA）新闻稿报道称，2′,3′-cAMP的含量比3′,5′-cAMP高出60倍以上。
生产路线
酶活性测定也区分了不同的合成途径。植物腺苷酸环化酶AFB5和HpAC1能够利用ATP生成3′,5′-cAMP。然而，L7蛋白的TIR结构域则能够利用RNA生成2′,3′-cAMP。该研究还发现L7具有双重活性，既能催化ATP生成3′,5′-cAMP，作者认为这可能体现了其功能或进化上的灵活性。
多组学分析显示代谢组、蛋白质组和转录组均表现出不同的响应。2′,3′-cAMP激活了与应激适应相关的基因表达的广泛重编程。3′,5′-cAMP则调节与营养状况和细胞稳态相关的响应。文章指出，这两种异构体形成具有特定且部分重叠功能的双重信号系统。
在转录组中，2′,3′-cAMP 诱导了更广泛、更快速的反应。用 Br-2′,3′-cAMP 处理 30 分钟后，1.925 个基因表达上调，1.958 个基因表达下调。6 小时后，这两个数字分别上升至 2.937 个和 2.630 个。Br-3′,5′-cAMP 在 30 分钟内导致 1.249 个基因表达上调，1.312 个基因表达下调。6 小时后，这两个数字分别达到 2.690 个和 2.429 个。
与压力相关的过程
2′,3′-cAMP诱导的基因在应激相关过程中富集。该研究指出，这些基因参与了对缺氧、活性氧、损伤、水分亏缺、盐度和细菌感染的反应。另一方面，3′,5′-cAMP诱导的基因则与锌缺乏、细胞壁修饰和细胞对氧水平的反应关联更为有限。
在蛋白质组中，2′,3′-cAMP 也引起了更广泛的变化。作者观察到与应激通路和特殊代谢相关的蛋白质发生了更显著的改变。3′,5′-cAMP 主要影响与生长和维持相关的初级代谢过程。
发育数据表明，其作用具有剂量依赖性和植物发育阶段依赖性。在测试浓度下，种子萌发率未发生改变。在7日龄幼苗中，2′,3′-cAMP在10和100 μM浓度下均能促进主根伸长。3′,5′-cAMP仅在100 μM浓度下促进根伸长。在15日龄幼苗中，3′,5′-cAMP主要在100 μM浓度下增加子叶和真叶面积。
提出的假设
作者提出，维持两条平行且相互连接的信号通路能够实现细胞调控的精细调节。每条通路中的异构体分别控制着代谢、基因表达和胁迫反应的特定部分。通路间的相互作用还能产生冗余和特化，从而增强植物对环境刺激的响应能力。
该研究也指出了方法上的局限性。研究人员使用溴代类似物来追踪代谢和生物效应。这些化合物模拟天然分子，但在细胞吸收、代谢稳定性或结合亲和力方面可能存在差异。作者建议未来开展基因研究，以调控内源性环化酶活性，并验证药理学发现。
这项研究为探究植物如何通过周期性信号传导将生长、防御和环境适应结合起来奠定了基础。作者认为，了解这些途径可以指导未来的策略，以提高植物在不同环境条件下的适应能力和农业生产力。
更多信息请访问 science.org/doi/10.1126/sciadv.aea7828
