Pioniere der Landschaftstranskriptomik untersuchen Gene in freier Wildbahn

Ein interdisziplinäres Team am Penn State College of Agricultural Sciences konzentriert sich im Rahmen einer Initiative, die darauf abzielt, die Auswirkungen des Klimawandels auf Tier- und Pflanzenleben sowie landwirtschaftliche Systeme besser zu verstehen, auf ein aufstrebendes Forschungsgebiet namens Landschaftstranskriptomik.

In einem (n eingeladenes technisches Review-Papier kürzlich veröffentlicht in Ressourcen zur MolekularökologieTeamleiter Jason KeagyAssistenzprofessor für Wildtierverhaltensökologie, erklärte, dass die Landschaftstranskriptomik untersucht, wie Muster der Genexpression in lebenden Organismen mit Veränderungen in der Umwelt – einschließlich Lebensraum, Wetter, Klima und Schadstoffen – sowie den daraus resultierenden Auswirkungen auf die Funktion von Pflanzen und Tieren zusammenhängen .

Er erklärte, dass ein Transkriptom die Gesamtheit aller RNA-Moleküle ist, die von den Genen eines Organismus exprimiert werden, im Wesentlichen eine Sammlung aller in einer Zelle vorhandenen Gen-Readouts. Durch die Betrachtung feinerer Genexpressionsunterschiede in größeren Umgebungen ergeben sich Trends, die neue Einblicke in die Art und Weise bieten, wie sich das Leben auf der Erde an Veränderungen anpasst, sagte er.

Wir haben uns mit Keagy zusammengesetzt, um mehr über das neue, komplexe Gebiet zu erfahren.

F: Was ist Landschaftstranskriptomik?

Keagy: Transkriptomik ist die Untersuchung aller RNA-Moleküle in einem bestimmten Gewebe zu einem bestimmten Zeitpunkt. Warum interessieren wir uns für RNA? DNA ist im Grunde ein Speichergerät. Damit ein Gen tatsächlich etwas bewirken kann, müssen die Buchstaben der DNA in Buchstaben der RNA umgeschrieben und dann in ein Protein übersetzt werden.

Wir können die RNA-Buchstaben buchstäblich lesen, um herauszufinden, welche Gene aktiv sind und wie aktiv sie sind. Wir können dann fragen: Wie wird der aktive Teil des DNA-Codes durch einen Umweltstressor beeinflusst? Hier kommt der Landschaftsteil ins Spiel. Normalerweise führen wir Experimente durch, um diese Frage zu beantworten. Aber manche Dinge lassen sich im Labor einfach nicht gut untersuchen. Die Natur ist chaotisch und es ist wichtig zu verstehen, dass Unordnung herrscht.

Was wäre also, wenn wir stattdessen Proben aus der gesamten Landschaft nehmen und fragen würden, wie eine Variable – Temperatur, Höhe, Schatten – die Genexpression, das Transkriptom, beeinflusst? Kurz gesagt, das ist Landschaftstranskriptomik.

F: Was können Forscher mithilfe der Landschaftstranskriptomik erreichen?

Keagy: In dem soeben veröffentlichten Artikel skizzieren wir drei Hauptforschungsbereiche, mit denen wir uns die Transkriptomik der Landschaft vorstellen: Verständnis der molekularen Signalwege, die an der Reaktion auf die Umwelt beteiligt sind, Erstellung und Prüfung von Hypothesen über die Mechanismen und die Entwicklung dieser Reaktionen auf die Umwelt, und Anwendung dieses Wissens auf den Artenschutz und das Artenmanagement.

Die ersten beiden sind wichtig, um zu verstehen, wie Organismen auf die Umwelt reagieren, während der dritte aus eher praktischer Sicht wichtig ist.

F: Welche praktischen Anwendungen gibt es für diesen Ansatz?

Keagy: Wir stellen uns eine Reihe von Möglichkeiten vor, wie die Landschaftstranskriptomik zur Erhaltung und Bewirtschaftung eingesetzt werden kann. Ein Weg liegt in der Entwicklung von Biomarkern. Beispielsweise könnten wir Bachforellen aus verschiedenen Bächen über einen bestimmten Zeitraum untersuchen, um eine Reihe von Genen zu entdecken, die Temperaturstress zuverlässig verfolgen. Anhand dieser Informationen könnten wir gefährdete Populationen identifizieren und sie gezielt für den Lebensraum oder andere Maßnahmen zur Schadensbegrenzung einsetzen.

Wir könnten auch Populationen identifizieren, die besonders widerstandsfähig gegenüber thermischem Stress sind, und diese für die Wiederansiedlung oder unterstützte Migration nutzen. Da die Genexpression flexibel auf die Umgebung reagiert und wir Gewebe oft auf nicht-tödliche Weise gewinnen können – zum Beispiel durch die Entnahme eines winzigen Stücks einer Kieme – könnte es uns ermöglichen, den Stress in der Bevölkerung viel besser zu verfolgen.

In einem möglichen Zukunftsszenario könnte ein Techniker, der für die Pennsylvania Fish and Boat Commission eine Elektrofischerei-Untersuchung durchführt, ein kleines Stück Kieme nehmen, es in ein bereitgestelltes Fläschchen geben, um es aufzubewahren, und es an Penn State schicken. Wir könnten der Kommission mitteilen, ob dieser Fisch Anzeichen von thermischem Stress oder anderen Stressfaktoren aufwies, über die wir Informationen hatten.

F: Warum nutzen nicht schon alle diesen Ansatz?

Keagy: Genomsequenzierung ist teuer, aber sie wird immer billiger. Wir weisen in unserem Artikel darauf hin, dass es möglich ist, mit bestimmten Technologien Proben für weniger als 100 US-Dollar pro Probe sequenzieren zu lassen. Dieser Preis wird wahrscheinlich weiter sinken, da Sequenzer der neuen Generation auf den Markt kommen.

Der Ansatz ist sowohl vom experimentellen Design als auch von der Seite der statistischen Analyse her mit Herausforderungen verbunden. Wir besprechen diese in dem Papier und machen einige Vorschläge, weisen jedoch darauf hin, dass der Bereich von mehr Arbeit profitieren könnte, um herauszufinden, wie Analysen am besten effizient durchgeführt werden können.

Die Initiative zur Landschaftstranskriptomik an der Penn State, zu der Christina Grozinger, Publius Vergilius Maro-Professorin für Entomologie, gehört; Heather Hines, außerordentliche Professorin für Biologie und Entomologie; und Tyler Wagner, stellvertretender Abteilungsleiter der USGS Cooperative Fish and Wildlife Research Unit und außerordentlicher Professor für Fischereiökologie, erhielten vom College of Agricultural Sciences ein Stipendium für strategische Netzwerke und Initiativen der Stufe I.