Timing der Pflanzenevolution mit einer schnell tickenden epigenetischen Uhr

Jüngste Entdeckungen auf dem Gebiet der Epigenetik, der Untersuchung der Vererbung von Merkmalen, die ohne Veränderung der DNA-Sequenz auftreten, haben gezeigt, dass das chronologische Alter bei Säugetieren mit epigenetischen Veränderungen korreliert, die sich im Laufe des Lebens eines Individuums häufen.

Beim Menschen hat diese Beobachtung zur Entwicklung epigenetischer Uhren geführt, die heute in großem Umfang als Biomarker des Alterns verwendet werden. Während diese Uhren von der Geburt bis zum Tod genau funktionieren, werden sie in jeder neuen Generation auf Null zurückgestellt.

Nun zeigt ein internationales Team unter der gemeinsamen Leitung der University of Georgia, des GEOMAR Helmholtz-Zentrums für Ozeanforschung Kiel und der Technischen Universität München, dass epigenetische Uhren nicht nur in Pflanzen existieren, sondern dass diese Uhren über viele Generationen hinweg genau ticken. In einer neuen Studie, die in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaftbeschreibt das Team, wie diese Uhr die Zeit mit einer Auflösung von Jahrzehnten bis Jahrhunderten anzeigen kann, eine Genauigkeit, die mit herkömmlichen Uhren, die auf DNA-Mutationen basieren, nicht erreicht werden kann.

Die Forschung wirft ein neues Licht auf mikroevolutionäre Fragen, deren Lösung bisher schwierig war, wie zum Beispiel den Zeitpunkt der Einführung invasiver Arten und die Folgen menschlicher Aktivitäten seit dem Aufkommen der modernen Industrialisierung.

„Unser erster Hinweis darauf, dass eine epigenetische Uhr in Pflanzen existiert, wurde entdeckt, als wir untersuchten, wie sich die DNA-Methylierung, eine chemische Modifikation der DNA-Sequenz, die vielen epigenetischen Prozessen zugrunde liegt, über zahlreiche Zweige einer 300 Jahre alten Pappel hinweg veränderte“, sagte Frank Johannes, Professor für Pflanzenepigenomik an der Technischen Universität München und Mitautor der Studie. „Wir haben DNA-Methylierungsdaten mit Astdurchmesser- und Entkernungsdaten kombiniert, um Baumringe zu zählen, die das Astalter widerspiegeln. Wir konnten keinen Ast entkernen, aber wir haben sein Alter nur mithilfe von DNA-Methylierungsdaten genau geschätzt, was die ersten Hinweise darauf lieferte, dass es einen gibt.“ epigenetische Uhr in Pflanzen.

Die Forschung des Teams zeigte experimentell, dass epigenetische Uhren bekannte Divergenzzeiten von phylogenetischen oder evolutionären Bäumen innerhalb einer Art in der selbstbefruchtenden Pflanze A. thaliana, einer kleinen Pflanze aus der Familie der Senfgewächse, und dem klonalen Seegras Z. Marina, die zwei Hauptpflanzen darstellen, rekapitulieren Arten der Pflanzenreproduktion.

„Wir haben die Existenz einer epigenetischen Uhr bei Pflanzen mithilfe verschiedener experimenteller Evolutionspopulationen von A. thaliana weiter gestärkt.“ mit bekannten Stammbäumen“, sagte Robert Schmitz, UGA Foundation Professor für Pflanzenwissenschaften, Lars G. Ljungdahl Distinguished Investigator in der Abteilung für Genetik und Co-Autor der Studie.

Diese Pflanzen wurden bis zu 32 Generationen lang durch Einzelsamen-Abstammung aus Wildtypen, die verschiedenen Umgebungen ausgesetzt waren, oder aus natürlichen Stämmen unterschiedlicher geografischer Herkunft gezüchtet.

„Anhand der DNA-Methylomdaten von Hunderten von Individuen aus allen diesen Populationen haben wir eine Untergruppe von Epimutationen identifiziert, die ‚uhrartig‘ sind und den Zeitpunkt des Stammbaums genau abschätzen“, sagte Zhilin Zhang, Doktorand an der Technischen Universität München und Co -Hauptautorin der Studie zusammen mit Nan Yao, einer Doktorandin in der Abteilung für Genetik des UGA Franklin College of Arts and Sciences.

„Wir haben gezeigt, dass diese epigenetische Uhr bei der Datierung einer kürzlich divergierten nordamerikanischen Population von A. thaliana, etwa 140 Jahre alt, genauer war als eine molekulare Uhr, die DNA-Mutationen derselben Individuen nutzte“, sagte Yao.

„Die vorgeschlagene neuartige molekulare Uhr wird es uns ermöglichen, ein seit langem bestehendes Rätsel zu lösen“, sagte Thorsten Reusch, Leiter der Marinen Evolutionsökologie am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. „Nämlich wie alt sehr große Farn-, Schilf- oder Seegrasklone wirklich sind.“

Die Studie, „Eine evolutionäre epigenetische Uhr in Pflanzen,“ wurde am 29. September veröffentlicht.