Die White Mountains im Osten Kaliforniens sind die Heimat einiger der ältesten Bäume der Welt. Laut Baumringdaten ist ein Great Basin Grannenkiefer, bekannt als Methuselah ist fast 5,000 Jahre alt. Als dieser kleine Kiefernsämling aus dem Boden schoss, streunten noch Mammuts über die Erde, das historische Wahrzeichen Stonehenge wurde gerade erst gebaut und im alten Ägypten war gerade das Schreibpapier erfunden worden. Methusalem hat während seines langen Lebens Stürme überstanden, Temperaturschwankungen ertragen und Dürreperioden überlebt, und wie das Sprichwort sagt: Mit dem Alter kommt die Weisheit. Diese angesammelte „Weisheit“ wird auf zellulärer Ebene in Form epigenetischer Veränderungen gespeichert, die durch die Einwirkung von Umweltstress hervorgerufen werden. Als sesshafte, langlebige Organismen haben Bäume ausgeklügelte Anpassungsmechanismen an ständig wechselnde Umweltbedingungen entwickelt, und das epigenetische Gedächtnis könnte es ihnen ermöglichen, schneller auf wiederkehrende Stressereignisse zu reagieren. Da einige epigenetische Variationen vererbbar sind, können sie dieses „Wissen“ sogar an nachfolgende Generationen weitergeben, was die Hoffnung weckt, dass epigenetische Mechanismen Bäumen helfen könnten, sich effizienter an den Klimawandel anzupassen, als dies durch genetische Anpassung möglich wäre. Korrelationsstudien weisen auf eine Rolle der Epigenetik bei der phänotypischen Plastizität hin, es gibt jedoch nur wenige Beweise, die die Verteilung epigenetischer Markierungen eindeutig mit der Genexpression und Phänotypen in Verbindung bringen.
Eine häufige epigenetische Veränderung ist die DNA-Methylierung von Cytosinresten, die in verschiedenen Kontexten auftreten kann: CG, CHG und CHH, wobei H A, T oder C ist. Die Nicht-CG-DNA-Methylierungskontexte sind typisch für Pflanzen, aber sehr selten bei anderen Organismen. DNA-Methylierungsanalysen wurden hauptsächlich bei der Modellart Arabidopsis durchgeführt, und nur wenige Studien haben diesen Prozess bei langlebigen Baumarten untersucht. Das von Peña-Ponton geleitete Team hat nun beispiellose Einblicke in DNA-Methylierungsvariationen bei Bäumen als Reaktion auf Umweltstressoren. Die Autoren analysierten klonal vermehrte Pyramidenpappeln aus mehreren europäischen Ländern, die 20 Tage lang unter Versuchsbedingungen verschiedenen abiotischen und biotischen Stressbedingungen ausgesetzt waren, und analysierten anschließend ihre DNA-Methylierungsprofile. Pyramidenpappeln stammen von einer einzigen Klonlinie ab, die wahrscheinlich im 17. Jahrhundert in Italien entstand und heute weltweit angebaut wird. Da es sich um eine klonal vermehrte Pflanze handelt, konnten die Autoren die Auswirkungen genetischer Variationen minimieren und die Auswirkungen epigenetischer Unterschiede auf die phänotypische Plastizität maximieren.
Die Autoren zeigten, dass genomweite Methylierungsänderungen, insbesondere im CG- und CHG-Kontext, eher durch den Ursprung der Bäume als durch den experimentell induzierten kurzfristigen Stress erklärt werden konnten, und diese Änderungen spiegeln somit wider, wie die Wachstumsgeschichte der Bäume ihre DNA-Methylierungslandschaft geprägt hat. Es zeigte sich auch, dass diese unterschiedlich methylierten Regionen größtenteils stressagnostisch sind und auf mehrere Stressoren reagieren, was mit der Tatsache zusammenhängt, dass verschiedene Stressfaktoren allgemeine Reaktionskomponenten auf physiologischer Ebene teilen. Die DNA-Methylierungsreaktion zeigte jedoch auch eine gewisse Spezifität, wobei die Dürrebehandlung den stärksten stressspezifischen epigenetischen Effekt hatte und im CHH-Kontext eine Hypermethylierung induzierte, hauptsächlich in genflankierenden Regionen, insbesondere bei sogenannten transponierbaren Elementen oder Transposonen. Transposonen sind genetische Elemente, die Kopien von sich selbst erstellen und sich zwischen genomischen Regionen bewegen können, was ihnen den Spitznamen „springende Gene“ einbrachte. Umweltstress kann die Transposonaktivität aktivieren, und bestimmte Transposonfamilien fügen sich bevorzugt in der Nähe stressreaktiver Gene ein. DNA-Methylierung in diesen Regionen kann ihre Mobilisierung unterdrücken und ihre störenden Auswirkungen auf das Genom in Schach halten. Die Ergebnisse von Peña-Ponton und Kollegen zeigen eine Hypermethylierung ganzer Transposon-Superfamilien als Reaktion auf Stress, insbesondere Dürre, und auf der Grundlage von Genontologie-Anreicherungsdaten spekulieren die Autoren, dass diese durch Methylierung vermittelte Transposon-Stilllegung regulierende Auswirkungen auf nahe gelegene dürreempfindliche Gene haben könnte.
Wir stehen erst am Anfang unseres Verständnisses der funktionalen Konsequenzen der DNA-Methylierung als Reaktion auf Umweltveränderungen, doch tiefere Einblicke sind dringend erforderlich, wenn die epigenetische „Weisheit“ von Bäumen wie Methuselah tatsächlich für die Anpassung an den Klimawandel nützlich sein soll. Groß angelegte Studien wie die von Peña-Ponton et al. sind jedoch leider selten. Die Autoren verwendeten die Bisulfitsequenzierung des gesamten Genoms, die als Goldstandard für die Methylomprofilierung gilt, da sie hochauflösende Daten liefert, aber auch bestimmte Nachteile mit sich bringt, wie hohe Sequenzierungskosten und die Ausgabe großer Datenmengen, die große Rechen- und Speicherkapazitäten erfordern. In einer anderen JXB-Studie Isabelle Lesur und ihre Kollegen bieten einen alternativen Ansatz zur Behebung dieser Mängel an. Die Autoren haben eine Technik entwickelt und validiert, die Regionen mit stark variabler DNA-Methylierung identifiziert und sich auf diese konzentriert. Diese Technik ist möglicherweise besser für epigenetische Studien im Populationsmaßstab bei Pflanzen und Tieren geeignet. Interessierte Leser finden den detaillierten Arbeitsablauf und die entsprechenden Daten in ihrem kürzlich erschienenen Technical Innovation-Artikel im Journal of Experimental Botany.
LESEN SIE DEN VOLLSTÄNDIGEN ARTIKEL:
Peña-Ponton, C., Diez-Rodriguez, B., Perez-Bello, P., Becker, C., McIntyre, LM, van der Putten, WH, De Paoli, E., Heer, K., Opgenoorth, L. und Verhoeven, KJ, 2024. Hochauflösende Methylomanalyse deckt stressreaktive genomische Hotspots und dürreempfindliche TE-Superfamilien in der klonalen Pyramidenpappel auf. Zeitschrift für experimentelle Botanik, https://doi.org/10.1093/jxb/erae262.
Mareike Jezek
Dr. Jezek ist stellvertretender Herausgeber des Journal of Experimental Botany, einer der offiziellen Zeitschriften der Gesellschaft für Experimentelle Biologie.
Ausgewähltes Bild von Alun Salt
