Pflanzenmolekulargenetiker entdecken den epigenetischen Code und beginnen ihn zu knacken

Wenn Pflanzen Umweltprobleme wie Dürre oder längere Perioden extremer Temperaturen spüren, programmieren sie ihr genetisches Material instinktiv neu, um zu überleben und sogar zu gedeihen. Der chemische Code, der diese Veränderungen auslöst, kann entschlüsselt und dann dupliziert werden, um kräftigere, produktivere und widerstandsfähigere Pflanzen zu züchten.

Das ist die Schlussfolgerung eines Teams von Molekularpflanzengenetikern der Penn State University, das die allererste Studie über diese Reprogrammierungseffekte durchgeführt und diesen „epigenetischen Reprogrammierungs“-Code entdeckt hat, der zur Expression und Überexpression einiger Gene und zum Abschalten anderer führt. Das Verständnis und die Nutzung dieses Umprogrammierungsprozesses, so die Forscher, wird eines Tages entscheidend für die Züchtung von Nutzpflanzen sein, die die durch den Klimawandel verursachten Wetterextreme tolerieren können.

„Pflanzen können in diese neuen Zustände eintreten – entweder wirklich kräftiges Wachstum oder, sagen wir, sich zusammenkauern, um Stress zu widerstehen“, sagte Teamleiterin Sally Mackenzie, Professorin für Pflanzenwissenschaften am College of Agricultural Sciences und Professorin für Biologie am Eberly College of Science . „Mit anderen Worten, wir müssen nicht kreuzen, um dies zu erreichen. Wir müssen keine neuen Gene hinzufügen, da die Pflanzen tatsächlich von selbst in diesen Zustand übergehen, wenn sie richtig dazu aufgefordert werden.“

Die Fähigkeit, sich durch diese stressinduzierten Zustände relativ schnell an Umweltveränderungen anzupassen, wird über viele Generationen weitergegeben, weil sich Pflanzen durch einen Prozess „erinnern“, der eine chemische Reaktion beinhaltet, die als DNA-Methylierung bezeichnet wird, erklärte Mackenzie.

Mackenzie, Inhaberin des Lloyd- und Dottie-Huck-Lehrstuhls für Funktionelle Genomik, stellte fest, dass die Beziehung zwischen epigenetischen Veränderungen und Gennetzwerken, die die Eigenschaften des Pflanzenwachstums beeinflussen – die sie „intragene DNA-Methylierungs-Repatterning“ nannte – zuvor nicht untersucht worden sei. Sie wies darauf hin, dass diese Art von Forschung spezialisierte Methoden der Datenanalyse sowie massive Rechenkapazitäten erfordert, die beide bei Penn State verfügbar sind.

In einer früheren Studie entdeckte die Forschungsgruppe von Mackenzie, dass die Manipulation eines einzigen Gens, das sie MSH1 nannten, es ihnen ermöglichte, eine breite Palette von Pflanzen-Resilienz-Netzwerken zu kontrollieren. Und indem die Pflanze dazu gebracht wird, Stress zu „erkennen“, nachdem das MSH1-Gen zum Schweigen gebracht wurde, kann die Pflanze ihr Wachstum anpassen, die Wurzelkonfiguration ändern, die oberirdische Biomasse begrenzen, die Blütezeit verzögern und ihre Reaktion auf Umweltreize verändern.

Aber Mackenzie glaubt, dass das Potenzial dieser Technologie weit über die Pflanzenwissenschaft hinausgeht.

„Da dies eher eine epigenetische ‚Sprache‘ als nur ein Merkmal des MSH1-Systems ist, hat es weitreichendere Auswirkungen“, sagte sie. „Unsere Studie wird es uns wahrscheinlich ermöglichen, diese neu entdeckte Entschlüsselungsmethode zu verwenden, um bei der Früherkennung von Krankheiten bei Tieren oder Menschen zu helfen. Jedes Mal, wenn ein biologisches System ‚dysfunktional‘ oder modifiziert ist, sagt man voraus, dass das Methylom einen Hinweis liefern wird.“

In der neuesten Studie unter der Leitung von Hardik Kundariya, einem leitenden Forscher am Eberly College of Science und Mitglied von Mackenzies Gruppe, konzentrierten sich die Forscher auf die kleine Blütenpflanze Arabidopsis. Auch als Ackerschmalwand bekannt, ist der Verwandte von Kohl und Senf in der Brassica-Familie einer der Modellorganismen, die für das Studium der Pflanzenbiologie verwendet werden, und die erste Pflanze, deren gesamtes Genom sequenziert wurde.

In der Studie, die kürzlich in veröffentlicht wurde Genombiologie, manipulierten die Forscher das MSH1-Gen, um mindestens vier unterschiedliche nichtgenetische Zustände auszulösen, die die Stressreaktion und die Wachstumskraft der Pflanze beeinflussen. Durch den Quervergleich von Daten aus diesen vier Zuständen identifizierten sie bestimmte Genziele der epigenetischen Veränderung innerhalb des Genoms, wo sie für das Pflanzenwachstum relevante Daten lokalisieren und entschlüsseln konnten.

Die Manipulation dieses Gens, berichteten die Forscher, führte zu Veränderungen im äußeren Erscheinungsbild der Pflanze und zu Wachstumsmerkmalen, die möglicherweise ihrem Überleben zugute kommen könnten, wie z. B. verlangsamtes Wachstum, verzögerte Blüte, verbesserte Wachstumskraft und größerer Samenansatz gegenüber Wildtyp-Arabidopsis .