Glyphosate treatment mediates the accumulation of small discrete 5<sup>′</sup> and 3<sup>′</sup>-terminal fragments of 18S rRNA in plant cells

Under many kinds of stress, eukaryotic cells rapidly decrease the overall translation level of the majority of mRNAs. However, some molecular mechanisms of protein synthesis inhibition like phosphorylation of eukaryotic elongation factor 2 (eEF2), which are known to be functional in animals and yeast, are not implemented in plants. We suggest that there is an alternative mechanism for the inhibition of protein synthesis in plant cells and possibly, in other eukaryotes, which is based on the discrete fragmentation of 18S rRNA molecules within small ribosomal subunits. We identified four stress-induced small RNAs, which are 5'- and 3'-terminal fragments of 18S rRNA. In the present work, we studied the induction of 18S rRNA discrete fragmentation and phosphorylation of the α-subunit of eukaryotic initiation factor 2 (eIF2α) in germinated wheat embryos in the presence of glyphosate, which imitates the condition of amino acid starvation. Using northern and western blotting, we have shown that stress-induced 18S rRNA fragments started to accumulate in wheat embryos at glyphosate concentrations that did not evoke eIF2α phosphorylation. It was also found that cleavage of 18S rRNA near the 5'-terminus began much earlier than eIF2α phosphorylation, which became noticeable only at higher concentration (500 μM) of glyphosate. This result suggests that discrete fragmentation of 18S rRNA may constitute a regulatory mechanism of mRNA translation in response to stress and may occur in plant cells in parallel with and independently of eIF2α phosphorylation. The identified small 5'- and 3'-terminal fragments of 18S rRNA that accumulate during various stresses may serve as stress resistance markers in the breeding of economically important plant crops.При многих видах стресса эукариотические клетки быстро снижают общий уровень трансляции большинства мРНК. Однако некоторые молекулярные механизмы ингибирования синтеза белка, такие как фосфорилирование эукариотического фактора элонгации трансляции (eEF2), функционируют у животных и дрожжей, но не реализуются у растений. Мы предполагаем, что существует альтернативный механизм ингибирования синтеза белка в клетках растений и, возможно, других эукариот, основанный на дискретной фрагментации молекул 18S рРНК внутри малых субъединиц рибосомы. Мы идентифицировали четыре малые РНК, индуцированные стрессом, которые представляют собой 5’- и 3’-концевые фрагменты 18S рРНК. В настоящей работе мы исследовали индукцию дискретной фрагментации 18S рРНК и фосфорилирование α-субъединицы эукариотического фактора инициации 2 (eIF2α) в проросших зародышах пшеницы в присутствии глифосата, имитирующего состояние аминокислотного голодания. Используя нозерн- и вестерн-блоттинг, мы показали, что индуцированные стрессом фрагменты 18S рРНК начинают накапливаться в зародышах пшеницы при концентрациях глифосата, не вызывающих фосфорилирования eIF2α. Также установлено, что расщепление 18S рРНК вблизи 5’-конца начинается гораздо раньше, чем становится заметным фосфорилирование eIF2α при высокой концентрации глифосата (500 мкМ). Этот результат указывает на то, что дискретная фрагментация 18S рРНК может представлять собой регуляторный механизм трансляции мРНК в ответ на стресс и происходить в растительных клетках параллельно с фосфорилированием eIF2α и независимо от него. Выявленные 5’- и 3’-концевые малые фрагменты 18S рРНК, накапливающиеся при различных стрессах, могут служить маркерами стрессоустойчивости в процессе селекции хозяйственно важных культур растений.