植物tRNA来源小RNA的系统剖析及H3K9甲基化酶作用位点的深度探究.docxVIP

植物tRNA来源小RNA的系统剖析及H3K9甲基化酶作用位点的深度探究

一、引言

1.1研究背景

在植物的生命进程中，小RNA扮演着至关重要的角色，其中tRNA来源小RNA（tsRNAs）作为一类新兴的小RNA，正逐渐成为研究热点。tsRNAs是由转运RNA（tRNA）经过特定的切割加工而产生的。tRNA在传统认知中，主要负责在蛋白质翻译过程里，精准地将mRNA序列转化为氨基酸序列，其具有独特的三叶草形二级结构，包含氨基酸接受茎、D（二氢尿苷酸）茎环、反密码子茎环和TψC茎环（ψ代表假尿苷酸）。但近年来研究发现，在植物、动物和人类中，tRNAs均可被切割加工产生多种tsRNAs。在植物中，当切割位于反密码子环时，会产生5′和3′tRNA半分子（tRNAhalves）；当切割位于TψC环时，会产生3′tRNA衍生的小RNA（3′tsRNA）；而当切割发生在D环、D茎或5′反密码子茎时，则产生5′tRNA衍生的小RNA(5′tsRNA)。其中，5′tRNAhalf和5′tsRNA是丰度最高的两类tRNA衍生小RNAs。清华大学生命科学学院戚益军课题组的研究发现，拟南芥中80个tRNAs可产生近千个5′tRNAhalves和5′tsRNAs，且tRNA-Ala、tRNA-Gly和tRNA-Glu衍生的5′tRNAhalves和5′tsRNAs丰度最高，如tRNA-Ala主要产生19-nt的5′tsR-Ala。tsRNAs参与植物的生长发育过程，如调控种子萌发、幼苗生长、开花时间等，还在植物应对生物和非生物胁迫中发挥作用，像在植物抗真菌防卫反应中，5′tsR-Ala通过调节靶基因CYP71A13的表达和植保素的合成，来调控植物抗真菌防卫反应。然而，目前对于植物中tsRNAs的产生机制、作用靶点及具体调控网络等方面的了解仍十分有限。

与此同时，表观遗传修饰在植物的生长发育和环境响应中也起着关键作用，其中H3K9甲基化酶参与的组蛋白H3第9位赖氨酸残基的甲基化修饰（H3K9me）备受关注。H3K9me修饰主要富集在异染色质区域，能够促进转座子及其他重复序列的沉默，从而维持基因组的稳定性。在植物的生长发育进程中，H3K9甲基化酶参与调控多个重要过程。例如，在水稻愈伤组织形成过程中，OsSDG715编码的组蛋白H3K9甲基转移酶如同“分子开关”，正调控愈伤形成。敲除该基因会导致愈伤诱导率下降、激素失衡。在杨树花青素合成响应环境光照的过程中，组蛋白H3K9去甲基化酶JMJ25通过直接改变MYB182的组蛋白修饰状态来控制其表达水平，参与植物细胞内的花青素合成响应环境光照条件变化的分子机制。此外，在植物应对干旱胁迫时，H3K9me2修饰水平与干旱胁迫响应基因的诱导表达相关，如拟南芥JMJ27介导的组蛋白H3K9去甲基化修饰正调控植物干旱胁迫响应。尽管已有这些研究，但H3K9甲基化酶在植物中的作用位点及精确的调控机制，尤其是其在全基因组水平上如何与靶基因相互作用，仍然存在诸多未知。

1.2研究目的和意义

本研究旨在系统分析植物tRNA来源小RNA，全面解析其产生机制、表达特征、作用靶点及在植物生长发育和环境响应中的调控网络。同时，深入探究H3K9甲基化酶在植物基因组中的作用位点，揭示其参与植物生长发育和环境响应的分子机制。

从理论意义来看，对植物tRNA来源小RNA的系统分析，将极大地丰富我们对植物小RNA家族的认知，有助于深入理解植物基因表达调控在转录后水平的精细机制，填补该领域在tsRNAs研究方面的诸多空白。而对H3K9甲基化酶作用位点的研究，能够进一步完善植物表观遗传调控的理论体系，阐明组蛋白修饰在植物基因组功能调控中的关键作用，为后续研究植物生长发育和环境适应的分子机制奠定坚实基础。

在应用价值方面，本研究的成果有望为作物遗传改良提供全新的靶点和理论依据。通过对tsRNAs和H3K9甲基化酶的深入研究，我们能够揭示更多与植物优良性状相关的调控机制，从而为培育具有更高产量、更强抗逆性（如抗病、抗虫、抗旱、抗寒等）和更优品质的农作物品种提供有力的技术支持。这对于应对全球气候变化、保障粮食安全以及促进农业可持续发展具有重要的现实意义。

二、植物中tRNA来源小RNA的系统分析

2.1tRNA来源小RNA的概述

2.1.1tRNA的结构与功能

tRNA作为细胞中第二常见的RNA，约占总RNA的10-20%，因太小无法通过超