Das Referenz-Epigenom zeigt die Umprogrammierung der Transkription und des Chromatinzustands während der Embryogenese des Weizens

Die Embryogenese ist einer der grundlegendsten und bemerkenswertesten Prozesse sowohl bei Tieren als auch bei Pflanzen. Erstaunlich, dass sich nach der Befruchtung aus einer einzigen mütterlichen Eizelle innerhalb weniger Wochen ein Organismus mit vielschichtigem Körperbau entwickeln kann. Der Übergang des Zellschicksals wird weitgehend durch die Expression der zugehörigen Gene und den epigenetischen Zustand bestimmt, der die Genexpression beeinflussen kann. Es gibt konservierte und unterschiedliche Merkmale im zellulären Prozess der Embryogenese bei Tieren und Pflanzen. Obwohl viele Studien zur tierischen Embryogenese veröffentlicht wurden, sind Genexpression und epigenetische Veränderungen während der pflanzlichen Embryogenese noch immer schwer fassbar.

Das Team von Prof. Xiao Jun vom Institut für Genetik und Entwicklungsbiologie (IGDB) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) konzentrierte sich auf den allohexaploiden Weizen und konstruierte ein Referenz-Epigenom der Weizenembryogenese. Das Referenz-Epigenom umfasste sieben Histonmodifikationen (H3K4me1, H3K4me3, H3K9ac, H3K9me2, H3K27ac, H3K27me3 und H3K36me3), die Besetzung der Histonvariante H2A.Z und RNA-Polymerase II sowie Chromatinzugänglichkeit und Transkriptome.

Das Referenz-Epigenom erstellte ein Profil der Transkriptions- und Chromatinzustandsdynamik während der Embryonalentwicklung und lieferte Hinweise auf die regulatorischen Mechanismen, die der Kooperation und dem Konflikt zwischen Subgenomen innerhalb eines Hexaploiden zugrunde liegen.

Laut ihrer neuesten Forschung gab es nach der Befruchtung im Weizenembryo eine enorme Transkriptions- und Chromatinzustandsänderung. Die Histonmodifikation H3K27ac (aktive Genexpression) war 2 Tage nach der Anthese (DPA2) verringert und markierte hauptsächlich florale Gene. Das Zurücksetzen von H3K27ac kann diese Gene zum Schweigen bringen und die Zygotik von der Eizelle lösen. H3K27me3 (repress gene expression) war bei DPA4 reduziert und markierte hauptsächlich Stammzellnischen-bezogene Gene. Das Zurücksetzen von H3K27me3 kann diese Gene aktivieren und die Zellteilung erleichtern. Dieses Ergebnis legt nahe, dass die Reduktion von H3K27ac und H3K27me3 zur zygotischen Aktivierung (ZGA) in Weizen beitragen kann.

Interessanterweise unterschied sich dieses epigenetische dynamische Muster von dem bei Tieren, obwohl der zelluläre Prozess des Übergangs von der Mutter zur Eizelle bei Tieren und Pflanzen ähnlich ist.

Während der mittleren Embryogenese in Weizen wurden die Chromatinzugänglichkeit und die H3K27ac-Modifikation erhöht, wodurch eine permissive Chromatinumgebung geschaffen wurde. Dieser Chromatinzustand begünstigte die Bindung von Transkriptionsfaktoren an die cis-regulatorischen Regionen von Genen.

Basierend auf den cis- und trans-Regulationsmerkmalen konstruierten die Forscher die genregulatorischen Netzwerke für Embryomuster, die die Dissektion der Genfunktion erleichtern könnten. In der späten Embryogenese wurde das Chromatin wieder kondensiert, mit einem Anstieg von H3K27me3. Das kondensierte Chromatin wurde auch um die differenzierungsbezogenen Gene herum gefunden, wodurch die Gene stumm blieben. Dies kann der Grund sein, warum Pflanzen nicht wie Tiere eine tiefere Organogenese durchlaufen können.

Zusammengenommen war der Chromatinzustand in Weizen in der frühen und späten Embryogenese kondensiert, aber in der mittleren Embryogenese zugänglich. Dies wurde mit dem ähnlich-anders-ähnlich-Expressionsmuster aus dem Subgenomvergleich korreliert.

Darüber hinaus können auch unterschiedliche epigenetische Modifikationen und die Insertion transponierbarer Elemente in die drei Subgenome die Bias-Expression von Homöologen beeinflussen. Als Pflanze mit großem Genom ist die distale Regulation bei Weizen wichtiger und komplexer als bei Pflanzen mit kleineren Genomgrößen wie Arabidopsis und Reis.

Diese Arbeit bietet eine beispiellose epigenomische Ressource für die Embryogeneseforschung bei Weizen, die die funktionelle Untersuchung von Schlüsselgenen während der Embryogenese, insbesondere bei ZGA, erleichtern kann.

Diese Studie wurde veröffentlicht in Genombiologiebetitelt „Dynamische Chromatinregulationsprogramme während der Embryogenese von hexaploidem Weizen.“