tRNA-derived RNA fragments (tRFs) are 18–26 nucleotide small RNAs that are not random degradation products, but are rather specifically cleaved from mature tRNA transcripts. Abundant in stressed or viral-infected cells, the function and potential targets of tRFs are not known. We identified that in the unstressed wild-type male gamete containing pollen of flowering plants, and analogous reproductive structure in non-flowering plant species, tRFs accumulate to high levels. In the reference plant Arabidopsis thaliana, tRFs are processed by Dicer-like 1 and incorporated into Argonaute1 (AGO1), akin to a microRNA. We utilized the fact that many plant small RNAs direct cleavage of their target transcripts to demonstrate that the tRF–AGO1 complex acts to specifically target and cleave endogenous transposable element (TE) mRNAs produced from transcriptionally active TEs. The data presented here demonstrate that tRFs are bona-fide regulatory microRNA-like small RNAs involved in the regulation of genome stability through the targeting of TE transcripts.

The regulation of parental genome dosage is of fundamental importance in animals and plants, exemplified by X chromosome inactivation and dosage compensation. The “triploid block” is a classical example of dosage regulation in plants that establishes a reproductive barrier between species differing in chromosome number 1,2 . This barrier acts in the endosperm, an ephemeral tissue that nurtures the developing embryo and induces the abortion of hybrid seeds through a yet unknown mechanism. Interploidy hybridizations involving diploid (2×) maternal parents and tetraploid (4×) pollen donors cause failure in endosperm cellularization, leading to embryo arrest 3 . Here we show that paternal epigenetically activated small interfering RNAs (easiRNAs) are responsible for the establishment of the triploid block-associated seed abortion in Arabidopsis thaliana . Paternal loss of the plant-specific RNA polymerase IV suppressed easiRNA formation and rescued triploid seeds by restoring small RNA-directed DNA methylation at transposable elements (TEs), correlating with reduced expression of paternally expressed imprinted genes (PEGs). We propose that excess of paternally derived easiRNAs in diploid pollen prevents establishment of DNA methylation, leading to triploid seed abortion. Our data further suggest that easiRNAs form a quantitative signal for chromosome number and their balanced dosage is required for post-fertilization genome stability and seed viability.

Abstract Epigenetic mechanisms are key regulators of genomic integrity and genic expression. Emerging evidence shows that epigenetic regulation is an important component of the transcriptional reprogramming during stress. Despite this, the overall stress-induced reprogramming of the different epigenetic marks and their targets are unknown. Here, we uncovered multiple epigenetic changes taking place during viral infection in Arabidopsis thaliana and their connection with gene expression. We find that cucumber mosaic virus (CMV) infection induces an overall reorganization of the repressive epigenetic marks H3K9me2, H3K27me3, and DNA methylation, which interact between them and are dynamic during infection. Overall, these epigenetic changes are involved in the reprogramming of the transcriptional program to adapt to the biotic stress, and might ensure genome stability through the transcriptional control of transposable elements (TEs). Mechanistically, we demonstrate that the catalytic component of the Polycomb Repressive Complex 2 (PRC2) CURLY LEAF (CLF) mediates the transcriptional repression of genes gaining H3K27me3 during viral infection and that mutants on that component induce resistance against CMV. Altogether, our results provide a complete picture of the epigenetic changes that occur during biotic stress and exemplify the overall dynamism of epigenetic regulation in eukaryotic organisms.

tRNA-derived RNA fragments (tRFs) are 18-26 nucleotide small RNAs that are not random degradation products, but are rather specifically cleaved from mature tRNA transcripts. Abundant in stressed or viral-infected cells, the function and potential targets of tRFs are not known. We identified that in the unstressed wild-type male gamete containing pollen of flowering plants, and analogous reproductive structure in non-flowering plant species, tRFs accumulate to high levels. In the reference plant Arabidopsis thaliana, tRFs are cleaved by Dicer-like 1 and incorporated into Argonaute1 (AGO1), akin to a microRNA. We utilized the fact that many plant small RNAs direct cleavage of their target transcripts to demonstrate that where the tRF-AGO1 complex acts to specifically target and cleave endogenous transposable element (TE) mRNAs produced from transcriptionally active TEs. The data presented here demonstrate that tRFs are bona-fide regulatory microRNA-like small RNAs involved in the regulation of genome stability through the targeting of TE transcripts.

miRNAs are small RNAs that regulate mRNAs at both transcriptional and posttranscriptional level. In plants, miRNAs are involved in the regulation of different processes including development and stress-response. Elucidating how stress-responsive miRNAs are regulated is key to understand the global response to stress but also to develop efficient biotechnological tools that could help to cope with stress. Here, we describe a computational approach based on sRNA sequencing, transcript quantification and degradome data to analyze the accumulation, function and structural organization of melon miRNAs reactivated under seven biotic and abiotic stress conditions at two and four days post-treatment. Our pipeline allowed us to identify fourteen stress-responsive miRNAs (including evolutionary conserved such as miR156, miR166, miR172, miR319, miR398, miR399, miR894 and miR408) at both analyzed times. According to our analysis miRNAs were categorized in three groups showing a broad-, intermediate- or narrow- response range. miRNAs reactive to a broad range of environmental cues appear as central components in the stress-response network. The strictly coordinated response of miR398 and miR408 (broad response-range) to the seven stress treatments during the period analyzed here reinforces this notion. Although both, the amplitude and diversity of the miRNA-related response to stress changes during the exposition time, the architecture of the miRNA-network is conserved. This organization of miRNA response to stress is also conserved in rice and soybean supporting the conservation of miRNA-network organization in other crops. Overall, our work sheds light into how miRNA networks in plants organize and function during stress.

Chromosome dosage plays a significant role in reproductive isolation and speciation in both plants and animals, but underlying mechanisms are largely obscure. Transposable elements can promote hybridity through maternal small RNA, and have been postulated to regulate dosage response via neighboring imprinted genes. Here, we show that a highly conserved microRNA in plants, miR845, targets the tRNAMet primer-binding site (PBS) of LTR-retrotransposons in Arabidopsis pollen, and triggers the accumulation of 21 to 22-nucleotide small RNA in a dose dependent fashion via RNA polymerase IV. We show that these epigenetically activated small-interfering RNAs (easiRNAs) mediate hybridization barriers between diploid seed parents and tetraploid pollen parents (the triploid block), and that natural variation for miR845 may account for endosperm balance allowing formation of triploid seeds. Targeting the PBS with small RNA is a common mechanism for transposon control in mammals and plants, and provides a uniquely sensitive means to monitor chromosome dosage and imprinting in the developing seed.

Environmentally induced changes in the epigenome help individuals to quickly adapt to fluctuations in the conditions of their habitats. Here we explored those changes in Arabidopsis thaliana plants subjected to multiple biotic and abiotic stresses, and identified transposable element (TE) activation in plants infested with the green peach aphid, Myzus persicae. We performed a genome-wide analysis of DNA methylation, mRNA expression, mRNA degradation and small RNA accumulation. Our results demonstrate that aphid feeding induces loss of methylation of hundreds of loci, mainly TEs. This loss of methylation has the potential to regulate gene expression and we found evidence that it is involved in the control of key plant immunity genes. Accordingly, we find that mutant plants deficient in epigenetic silencing show increased resistance to M. persicae infestation. Collectively, our results show that changes in DNA methylation play a significant role in the regulation of the plant transcriptional response and induction of defense response against aphid feeding.

Abstract Meiosis is a specialized cell division that is key for reproduction and genetic diversity in sexually reproducing plants. Recently, different RNA silencing pathways have been proposed to carry a specific activity during meiosis, but the pathways involved during this process remain unclear. Here, we explored the subcellular localization of different ARGONAUTE (AGO) proteins, the main effectors of RNA silencing, during male meiosis in Arabidopsis thaliana using immunolocalizations with commercially available antibodies. We detected the presence of AGO proteins associated with posttranscriptional gene silencing (AGO1, 2 and 5) in the cytoplasm or the nucleus, while AGOs associated with transcriptional gene silencing (AGO4 and 9) localized exclusively in the nucleus. These results indicate that the localization of different AGOs correlates with their predicted roles at the transcriptional and posttranscriptional levels and provide an overview of their timing and potential role during meiosis.

In Arabidopsis thaliana, the DNA-dependent RNA polymerase IV (Pol IV) is required for the formation of transposable element (TE)-derived small RNA (sRNA) transcripts. These transcripts are processed by DICER-LIKE 3 into 24-nt small interfering RNAs (siRNAs) that guide RNA-dependent DNA methylation. In the pollen grain, Pol IV is also required for the accumulation of 21/22-nt epigenetically-activated siRNAs (easiRNAs) that likely silence TEs by post-transcriptional mechanisms. Despite this proposed functional role, loss of Pol IV function in Arabidopsis does not cause a discernable pollen defect. Here, we show that loss of NRPD1, encoding the largest subunit of Pol IV in the Brassicaceae Capsella rubella, causes post-meiotic arrest of pollen development at the microspore stage. As in Arabidopsis, all TE-derived siRNAs were depleted in Capsella nrpd1 microspores. In wild-type background, we found that the same TEs produced 21/22-nt and 24-nt siRNAs, leading us to propose that Pol IV is generating the direct precursors for 21-24-nt siRNAs, which are targeted by different DICERs. Arrest of Capsella nrpd1 microspores was accompanied by deregulation of genes targeted by Pol IV-dependent siRNAs. The distance of TEs to genes was much closer in Capsella rubella compared to Arabidopsis thaliana, providing a possible explanation for the essential role of Pol IV for pollen development in Capsella. Our study in Capsella uncovers a functional requirement of Pol IV in microspores, emphasizing the relevance of investigating different plant models.