Da die globale Erwärmung die Ökosysteme immer wieder neu definiert, müssen sich Pflanzen zunehmend schnell anpassen, um ihr Überleben zu sichern. Ein Hauptmechanismus, der eine solch schnelle Anpassung ermöglicht, ist das epigenetische Gedächtnis, insbesondere die DNA-Methylierung.
Bei der DNA-Methylierung, einer Form der epigenetischen Modifikation, wird den Cytosinbasen der DNA eine Methylgruppe hinzugefügt, wodurch ihre Zugänglichkeit im Chromatin verändert und die Genexpression moduliert wird.
Im Kontext eines sich erwärmenden Klimas können Veränderungen in der DNA-Methylierung durch Umweltfaktoren wie erhöhte Temperaturen ausgelöst werden. Solche epigenetischen Anpassungen spielen eine entscheidende Rolle dabei, dass Pflanzen ihr Wachstum mit sich entwickelnden Umweltreizen synchronisieren können. Ein umfassendes Verständnis darüber, wie sich diese DNA-Methylierungsänderungen auf Pflanzenphänotypen auswirken, insbesondere als Reaktion auf wärmere Temperaturen, bleibt jedoch unklar.
Im Juli 2023, Gartenbauforschung veröffentlicht a Forschungsbericht mit dem Titel „Wärmere Temperaturen während der asexuellen Fortpflanzung induzieren Methylom-, transkriptomische und dauerhafte phänotypische Veränderungen in Fragaria vesca-Ökotypen“.
Um den Einfluss der Temperatur auf phänotypische und epigenetische Variationen zu untersuchen, wurde ein Experiment über drei asexuelle Generationen an vier europäischen F. vesca-Ökotypen (ES12, ICE2, NOR2, IT4) durchgeführt und diese 18 °C und 28 °C ausgesetzt.
Auf phänotypischer Ebene wies der ES12-Ökotyp eine erhöhte Ausläuferproduktion bei 28 °C während der ersten asexuellen Generation (AS1) auf, jedoch nicht bis zur dritten (AS3). Im Gegensatz dazu zeigte der IT4-Ökotyp bei 28 °C sowohl in AS1 als auch in AS3 eine verringerte Stolonenproduktion.
Die Ökotypen ICE2 und NOR2 zeigten durch AS3 signifikante Verzögerungen der Blütezeit bei 28 °C, mit statistischer Signifikanz bei 0,05 > p > 0,001. Was die Blattstiellänge betrifft, waren Pflanzen der Ökotypen ES12, ICE2 und NOR2 länger, wenn sie während AS1 bei 28 °C kultiviert wurden. Bis AS3 blieb die erhöhte Blattstiellänge nur für den Ökotyp NOR2 bestehen.
Die Ergebnisse zeigten einen statistisch signifikanten Unterschied zwischen allen untersuchten phänotypischen Merkmalen und der Wachstumstemperatur im Experiment, der während der asexuellen Fortpflanzung erhalten bleiben kann. Weitere eingehende Studien auf molekularer Ebene und die Bisulfit-Sequenzierung der genomischen DNA-Proben der Ökotypen ergaben erkennbare Unterschiede in den DNA-Methylierungsmustern zwischen den beiden Temperaturbedingungen, insbesondere im CHG- und CHH-Kontext.
NOR2 wies den stärksten Unterschied im Methylierungsgrad zwischen den Temperaturbedingungen auf. Die Hauptkomponentenanalyse (PCA) der Methylierungsprofile zeigte deutliche Unterschiede zwischen Ökotypen, die bei 18 und 28 °C angebaut wurden. Bei allen Ökotypen traten signifikante Veränderungen sowohl bei der Hypo- als auch bei der Hypermethylierung auf, wobei der größte temperaturspezifische Methylierungsanstieg im CHH-Kontext beobachtet wurde. Es wurde insbesondere festgestellt, dass Methylierungsänderungen mit genomischen Merkmalen wie Transkriptionsstartstellen (TSS) und Transkriptionsterminationsstellen (TTS) korrelieren.
Regionen mit unterschiedlicher CHG- und CHH-Methylierung zeigten typischerweise eine Hypermethylierung. Gleichzeitig wurden Transkriptomveränderungen im Zusammenhang mit dem Temperaturanstieg in etwa 3.500 bis 5.000 differentiell exprimierten Genen (DEGs) in verschiedenen Ökotypen beobachtet. Darüber hinaus untersuchte diese Studie auch die ökotypspezifischen Methylierungs- und Expressionsmuster von Genen im Zusammenhang mit dem Gibberellin-Metabolismus, der Blütezeit und epigenetischen Mechanismen. Es wurde festgestellt, dass bei drei oder weniger Ökotypen die absolute Mehrfachveränderung von 1.318 verwandten differentiell exprimierten und differentiell methylierten Genen (DEDMGs) >1,5 betrug.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Forschung darauf hindeutet, dass Temperaturschwankungen während der asexuellen Vermehrung erhebliche erbliche epigenetische und phänotypische Veränderungen hervorrufen, was die Existenz eines temperaturbedingten epigenetischen Gedächtniseffekts bei F. vesca-Ökotypen unterstreicht.
Diese Studie vertieft nicht nur unser Verständnis der Pflanzenanpassung, sondern öffnet auch die Tür für die Nutzung des epigenetischen Gedächtnisses, um Nutzpflanzen zu entwickeln, die besser an die sich erwärmende Welt angepasst sind.
Mehr Informationen:
YuPeng Zhang(张宇鹏) et al., Höhere Temperaturen während der asexuellen Fortpflanzung induzieren Methylom-, transkriptomische und dauerhafte phänotypische Veränderungen in Fragaria vesca-Ökotypen. Gartenbauforschung (2023). DOI: 10.1093/hr/uhad156