Versteckte Genomschicht enthüllt, wie sich Pflanzen an Umgebungen auf der ganzen Welt anpassen können

Versteckte Genomschicht enthüllt, wie sich Pflanzen an Umgebungen auf der ganzen Welt anpassen können

Epigenetische Erkenntnisse von Salk könnten bei der Pflanzenproduktion hilfreich sein

LA JOLLA, Kalifornien – Wissenschaftler am Salk Institute for Biological Studies haben Muster der epigenomischen Diversität identifiziert, die es Pflanzen nicht nur ermöglichen, sich an verschiedene Umgebungen anzupassen, sondern auch der Pflanzenproduktion und der Erforschung menschlicher Krankheiten zugute kommen könnten.

Veröffentlicht am 6. März in NaturDie Ergebnisse zeigen, dass neben der genetischen Vielfalt, die in Pflanzen auf der ganzen Welt zu finden ist, auch ihr epigenomischer Aufbau ebenso vielfältig ist wie die Umgebungen, in denen sie vorkommen. Unter Epigenomik versteht man die Untersuchung des Musters chemischer Marker, die als regulatorische Schicht über der DNA-Sequenz dienen. Je nachdem, wo sie wachsen, ermöglichen die epigenomischen Unterschiede der Pflanzen möglicherweise eine schnelle Anpassung an ihre Umgebung.

Epigenomische Modifikationen verändern die Genexpression, ohne die Buchstaben des DNA-Alphabets (ATCG) zu ändern, und bieten den Zellen ein zusätzliches Werkzeug zur Feinabstimmung, wie Gene die Zellmaschinerie steuern. Diese Veränderungen treten nicht nur bei Pflanzen auf, sondern auch beim Menschen.

Von links nach rechts: Salk-Forscher Robert J. Schmitz, Matthew D. Schultz und Joseph Ecker.

Bild: Mit freundlicher Genehmigung des Salk Institute for Biological Studies

„Wir haben uns Pflanzen aus der ganzen Welt angesehen und festgestellt, dass ihre Epigenome überraschend unterschiedlich sind“, sagt der leitende Autor Joseph R. Ecker, ein Professor in Salk's Labor für Pflanzenmolekular- und Zellbiologie und Inhaber des Lehrstuhls für Genetik des Salk International Council. „Diese zusätzliche Vielfalt könnte eine Möglichkeit für Pflanzen schaffen, sich schnell an vielfältige Umgebungen anzupassen, ohne dass es zu genetischen Veränderungen in ihrer DNA kommt, was sehr lange dauert.“

Durch das Verständnis epigenomischer Veränderungen in Pflanzen können Wissenschaftler sie möglicherweise für verschiedene Zwecke manipulieren, einschließlich Biokraftstoffen und der Schaffung von Nutzpflanzen, die stressigen Ereignissen wie Dürre standhalten können. Dieses Wissen über epigenomische Veränderungen bei Nutzpflanzen könnte Produzenten Aufschluss darüber geben, wofür sie züchten sollen, und könnte einen großen Einfluss auf die Identifizierung von Pflanzen haben, die bestimmte Bedingungen überleben und sich an Umweltstressoren anpassen können, sagt Ecker, der auch am Howard Hughes Medical Institute und am Gordon and Betty Institute tätig ist Ermittler der Moore Foundation.

Mithilfe von MethylC-Seq, einer von Ecker entwickelten Methode zur Kartierung epigenomischer Veränderungen, analysierten die Forscher Methylierungsmuster einer Population von Arabidopsis thaliana, ein bescheidenes Senfkraut, das für die Pflanzenbiologie zu dem geworden ist, was Labormäuse für die Tierbiologie sind. Die Pflanzen stammten aus verschiedenen Klimazonen der nördlichen Hemisphäre, von Europa über Asien und Schweden bis zu den Kapverdischen Inseln. Eckers Team untersuchte die Genome und Methylome von A. thaliana, die Zusammensetzung ihrer gesamten genetischen bzw. epigenomischen Codes, was der erste Schritt zum Verständnis der Auswirkungen epigenetischer Veränderungen auf die physikalischen Eigenschaften der Pflanzen und ihre Fähigkeit ist, sich an ihre Umwelt anzupassen.

„Wir haben Unterschiede in den Methylierungsmustern zwischen Pflanzengruppen auf der ganzen Welt erwartet“, sagt Co-Hauptautor Robert J. Schmitz, Postdoktorand in Eckers Labor. „Der Betrag war jedoch weitaus größer, als wir jemals erwartet hatten.“

Diese Grafik zeigt eine Sammlung von Wildtieren Arabidopsis thaliana aus der ganzen Welt, die sich an ihre lokale Umgebung angepasst haben. Diese Pflanzensammlung wurde verwendet, um die Muster der epigenomischen Populationsvielfalt innerhalb einer Art zu verstehen.

Die Fotos wurden von Patrick Gooden, Kathleen Donohue und @2011 Google beigesteuert. Die Grafik wurde von Jamie Simon, Salk Institute for Biological Studies, entworfen

Durch die Analyse dieser Muster konnte Eckers Team deren Auswirkungen auf die Aktivität von Genen im Genom der Pflanzen aufzeichnen. Wissenschaftler wissen, dass Methylierung Gene inaktivieren kann, aber im Gegensatz zu DNA-Mutationen sind Methylierungsmuster reversibel und geben den Pflanzen die Fähigkeit, Gene vorübergehend zu aktivieren. Die Identifizierung von Genen, die epigenetisch reguliert werden, hat die potenziellen Kandidaten, die für die Anpassung an die Umwelt wichtig sind, erheblich eingegrenzt.

Die Stummschaltung der Methylierung kommt auch beim Menschen vor – und das hat Auswirkungen auf die Behandlung von Krebs, deren Kennzeichen die Stummschaltung von Tumorsuppressorgenen ist. „Wenn diese Gene durch das Epigenom ausgeschaltet werden, könnten sie möglicherweise durch die Aufhebung der DNA-Methylierung wieder aktiviert werden“, sagt Matthew Schultz, Co-Hauptautor der Studie und Doktorand in Eckers Labor. Zu verstehen, wie sich diese Methylierungsvarianten in freier Wildbahn bilden, wird zu einer besseren Entwicklung von Epigenomen beitragen.

Als nächstes wird Eckers Team untersuchen, wie sich Methylierungsvariationen auf die Merkmale von Pflanzen auswirken. Sie werden stressbedingte epigenomische Veränderungen untersuchen und untersuchen, wie sie Hinweise darauf geben könnten, welche Veränderungen für die Pflanzen am wichtigsten sind.

Weitere Forscher an der Studie waren Mark A. Urich, Joseph R. Nery, Mattia Pelizzola, Andrew Alix, Richard B. McCosh und Huaming Chen vom Salk Institute; und Ondrej Libiger und Nicholas J. Schork vom Scripps Research Institute.

Die Arbeit wurde unterstützt durch die , der National Institutes of Health, der Howard Hughes Medical Institute, der National Science Foundation (Zuschüsse MCB-0929402 und MCB-1122246) und die Gordon und Betty Moore Foundation (Zuschuss GBMF3034).

Über das Salk Institute for Biological Studies:
Das Salk Institute for Biological Studies ist eine der weltweit herausragenden Grundlagenforschungseinrichtungen, in der international renommierte Dozenten in einem einzigartigen, kollaborativen und kreativen Umfeld grundlegende Fragen der Biowissenschaften untersuchen. Salk-Wissenschaftler konzentrieren sich sowohl auf Entdeckungen als auch auf die Betreuung zukünftiger Forschergenerationen und leisten bahnbrechende Beiträge zu unserem Verständnis von Krebs, Alterung, Alzheimer, Diabetes und Infektionskrankheiten, indem sie Neurowissenschaften, Genetik, Zell- und Pflanzenbiologie und verwandte Disziplinen studieren.

Die Leistungen der Fakultät wurden mit zahlreichen Ehrungen gewürdigt, darunter Nobelpreise und Mitgliedschaften in der National Academy of Sciences. Das 1960 vom Polioimpfpionier Jonas Salk, MD, gegründete Institut ist eine unabhängige gemeinnützige Organisation und ein architektonisches Wahrzeichen.