Die Evolution hat es Pflanzen ermöglicht, unter widrigen Bedingungen zu überleben. Die Winterknospe einer Pflanze ist eine entscheidende Struktur, die ihre Anpassungsfähigkeit bestimmt. Abhängig von Umwelt- und inneren Bedingungen können Knospen zwischen Wachstum und Ruhezustand wechseln. Die drei Ruhephasen werden durch Signale bestimmt, die jede Phase auslösen: Ökodormanz, beeinflusst durch Umweltfaktoren; Paradormanz, gefördert durch andere Pflanzenorgane; und Endodormanz, aufrechterhalten durch interne Signale innerhalb der Knospe.
Paradormante Knospen gehen als Reaktion auf Veränderungen der Tageslänge und/oder niedrige Temperaturen im Herbst in die Endodormanz über, während endo- und ökodormante Phasen als Reaktion auf kühlere Temperaturen auftreten. Der Übergang von der Para- zur Endodormanz ist ein Schutzphänomen für die Knospe. Der epigenetische Mechanismus, der die Endodormanz auslöst, ist noch wenig erforscht.
In einer Studie veröffentlicht in Baumphysiologie Am 21. Juni 2024 erforschen Assistenzprofessor Takanori Saito und seine Kollegen die epigenetischen Veränderungen in Chromatinstrukturen und transkriptionellen Veränderungen, die die Temperaturerkennung in den Achselknospen des Fuji-Apfels ermöglichen.
Die Ergebnisse wurden mithilfe von Deep-Learning-Modellen der künstlichen Intelligenz (KI) und statistischer Analyse weiter interpretiert. Diese Forschung wurde gemeinsam von Dr. Shanshan Wang, Dr. Katsuya Ohkawa, Dr. Hitoshi Ohara und Dr. Satoru Kondo von der Graduate School of Horticulture der Chiba University verfasst.
Eines der Ziele dieser Studie war es, die unterschiedlich exprimierten Gene (DEGs) in der Übergangsphase von der Para- zur Endodormanz zu verstehen. Gene, die mit der zellulären Reaktion auf Hypoxie, der Abwehrreaktion auf Abscisinsäure (ABA) und dem zirkadianen Rhythmus in Zusammenhang stehen, wurden im Anfangsstadium der Knospenruhe aktiviert. Darüber hinaus zeigten die Autoren, dass die Nukleosomverarmung nicht mit dem Transkriptionsmuster korrelierte.
„Im Gegensatz dazu wurde bei den DEGs zwar eine Verschiebung der Nukleosomenposition in den mutmaßlichen Promotoren beobachtet, jedoch konnte während des Übergangs von der Achselknospenruhephase in die Achselknospen kein Unterschied in der Nukleosomenbelegung zwischen den hoch- und herunterregulierten Genen in den meisten Genkörpern festgestellt werden“, erklärt Dr. Saito.
Cis-regulatorische Elemente (CREs) sind kurze DNA-Sequenzen, die die Genexpression beeinflussen. Die Autoren untersuchten die Beziehung zwischen transkriptionellen Veränderungen und CREs mithilfe eines Deep-Learning-KI-Modells. Dr. Saito erläutert diese Ergebnisse wie folgt: „Es wurden CREs gefunden, die mit dem Zellzyklus, dem zirkadianen Rhythmus und der TATA-Box in Zusammenhang stehen. Insbesondere ging die Bedeutung des zirkadianen Rhythmus für herunterregulierte Gene auch mit den transkriptionellen Veränderungen einher.“ Die Daten zeigten außerdem, dass das COL9-Signal möglicherweise an der Veränderung des CO-Spiegels beteiligt war, um die Knospenruhe auszulösen.
Während die meisten KI-basierten epigenetischen Studien große Datensätze verwenden, verwendet ihr Modell einen kleinen Datensatz. Trotzdem verknüpfte die Bayes’sche statistische Analyse epigenetische Veränderungen mit der Gentranskription, die an der Regulierung der Winterknospen beteiligt ist. Der KI-Ansatz dieser Studie kann die epigenetische Analyse verbessern, insbesondere für Nicht-Modellpflanzen mit weniger entwickelten Genomdatenbanken.
Dr. Saito sagt: „Die Gesamtergebnisse unserer Studie mit DL haben gezeigt, dass der kältegesteuerte, auf dem zirkadianen Rhythmus basierende Mechanismus der Ruheinduktion von Achselknospen durch Einzelnukleosomschwingungen abgestimmt wird.“
Mit Blick auf die Zukunft können diese Erkenntnisse die Entwicklung effizienterer Strategien ermöglichen, um eine nachhaltige Produktion von Nutzpflanzen, Pflanzen und Bäumen aufrechtzuerhalten und so den Auswirkungen der globalen Erwärmung entgegenzuwirken.
Weitere Informationen:
Saito, T et al. Deep Learning mit einem kleinen Datensatz sagt den Beitrag der Chromatin-Umgestaltung zur Winterruhe von Apfelachselknospen voraus, Baumphysiologie (2024). DOI: 10.1093/treephys/tpae072