核 tRNA 衍生片段 tRF31Asp2：调控拟南芥免疫的关键 “分子开关”

《Communications Biology》：A nuclear tRNA-derived fragment triggers immunity in Arabidopsis

为探究植物免疫调控机制，研究人员开展了关于拟南芥中效应子触发免疫（ETI）相关机制的研究。结果发现 DCL1 和 tRF31Asp2在调控植物免疫和转录动态方面有重要作用。这一发现为理解植物免疫提供了新视角，对农业病害防治意义重大。

　　在植物的微观世界里，一场场看不见的 “战争” 时刻都在上演。植物常常面临着各种病原体的威胁，为了生存，它们进化出了一套复杂的免疫系统。植物的免疫系统就像一座坚固的城堡，当病原体来袭时，城堡会启动不同的防御机制。其中，效应子触发免疫（ETI）是植物对抗病原体的重要防线之一。然而，目前关于 ETI 的具体调控机制，科学家们还没有完全弄清楚。比如，在 ETI 过程中，一些关键的调控分子是如何发挥作用的，它们之间又有着怎样的相互关系，这些问题都亟待解决。为了深入探究这些奥秘，来自美国德克萨斯州立大学（Department of Biology, Texas State University）等多个研究机构的研究人员展开了一项研究，相关成果发表在《Communications Biology》杂志上。

研究人员主要采用了 RNA 测序（RNA-seq）技术来分析转录组变化，了解病原体感染后基因表达的动态变化；运用染色质亲和沉淀测序（ChAP-seq）技术，探究 tRF³¹Asp²与染色质的结合情况；还通过核富集、免疫印迹（IB）和亲和印迹（AB）分析等方法，对相关蛋白和核酸进行检测和分析。

研究结果如下：

1. DCL1 在防御反应中的作用：研究人员通过监测细菌生长和防御基因病程相关蛋白 1（PR1）的表达，发现 DCL1 可能在防御反应的诱导中起早期作用。在接种无毒的番茄丁香假单胞菌（Pst_avrRpt2）后，dcl1 - 7 突变体植株中的细菌生长水平显著高于野生型（WT），且 PR1 表达在接种后 6 小时显著低于野生型。
2. ETI 中 tRFs 的早期变化：由于在 Pst_avrRpt2触发的 ETI 过程中核 tRNA 水平上升，研究人员进一步探究核 tsRNAs 的变化。利用 MINTmap 分析发现，只有 5'-tRFs 在 Pst_avrRpt2感染后以 DCL1 依赖的方式诱导产生，其中 31nt 的 tRF³¹Asp²在感染后积累明显，它主要来源于 tRNA^Asp2GTC的切割。
3. tRF 触发免疫：将合成的 tRF³¹Asp²RNA 渗入拟南芥叶片，发现它能诱导 PR1 表达，且呈剂量依赖性。tRF³¹Asp²预处理的植株对 Pst 和 Pst_avrRpt2的生长抑制作用明显，对蚜虫的抗性也显著增强。
4. tRF 结构中的茎环：tRF³¹Asp²具有预测的茎环结构，研究人员通过对其进行突变分析，发现预测的茎环结构和 5' 序列对其生物活性很重要。如 tRF³¹Asp²m⁵在 5' 单链区域有三个碱基改变，诱导 PR1 表达和免疫的能力大幅下降；tRF³¹Asp²mStem₁破坏茎结构后，PR1 诱导能力受损，而恢复茎结构的 tRF³¹Asp²sStem₁则能恢复 PR1 诱导水平。
5. tRF³¹Asp²免疫对 AGO2 进化枝的依赖：研究发现，AGO2 进化枝在 tRF³¹Asp²诱导的免疫反应中起相对更重要的作用。在 dcl 或 ago 突变体背景下，ago2/3/7 三重突变体在高剂量 tRF³¹Asp²处理下，PR1 诱导水平仍显著低于野生型。
6. tRF³¹Asp²诱导的防御基因：通过转录组分析，研究人员鉴定出 810 个 tRF³¹Asp²诱导的差异表达基因（tRF - DEGs），其中大部分属于 “对胁迫的响应” 类别，且多数 tRF - DEGs 在 ETI 和 PTI 中共享。
7. tRF 与 Gypsy 的 PBS 及其在防御基因中的同源序列的关联：ChAP - seq 分析表明，tRF³¹Asp²能与染色质相互作用，且在 Gypsy 和 Copia 超家族的长末端重复（LTR）逆转录转座子以及许多防御相关基因的基因区域有结合位点。其 5' 单链区域与 Gypsy 引物结合位点（PBS）完美互补，可能通过序列特异性方式结合这些逆转录转座子。
8. tRF 位点与其 DEGs 的接近程度：分析发现，tRF³¹Asp²结合的 ETI - DEGs 比未结合的诱导倍数更高，且 tRF³¹Asp²能抑制转录活跃的 LTR 逆转录转座子，尤其是 Gypsy。这表明 tRF³¹Asp²可能作为转录增强子，促进防御基因表达，同时抑制逆转录转座子。

研究结论和讨论部分指出，tRF³¹Asp²是一种依赖 DCL1 的小 RNA（sRNA），在 ETI 转录组峰值之前迅速诱导产生，单独处理 tRF³¹Asp²就能启动强大的免疫反应，使拟南芥对无毒和有毒的 Pst 以及蚜虫产生抗性。tRF³¹Asp²可能在 ETI 和 PTI 两条途径中都发挥作用，它通过与 Gypsy LTR 逆转录转座子和防御基因上的特定序列结合，调控基因转录。虽然 DCL1 在免疫中的作用复杂，但它可能参与了 tRNA 向细胞核的逆行转运以及 tRF³¹Asp²的激活过程。此外，研究还发现可能存在其他 tRF 参与防御反应，对这些免疫相关 tRF 的深入理解，有望为农业病害防治提供新的生物技术方法。这项研究为植物免疫调控机制的研究提供了新的思路和方向，对农业生产中植物病害的防治具有重要的理论指导意义。