Verbesserte Stressresistenz durch vererbbare Epimutationen

Sesshafte Organismen wie Pflanzen müssen auf die ganze Schwankungsbreite von Umweltfaktoren besonders vorbereitet sein. Wie Pflanzen ihre Genaktivität regulieren, um bei stressauslösenden äußeren Bedingungen zu bestehen, wird erst ansatzweise verstanden. Daran beteiligt ist die epigenetische Regulation, die als zelluläres Gedächtnis dient. Ein bekanntes Beispiel einer entwicklungsbiologischen Anpassung durch epigenetische Kontrolle ist die Tatsache, dass Pflanzen die Länge der Kälteperiode im Winter erinnern können, um die Blütezeit mit dem Frühling zu koordinieren. Ebenso werden Pflanzen, die früh in ihrer Entwicklung umweltbedingtem Stress ausgesetzt waren, durch eine als priming bezeichnete Anpassung dem gleichen Stress gegenüber später resistenter. Viele Aspekte dieses epigenetischen Gedächtnisses sind unverstanden, und wir wollen die Modellpflanze Arabidopsis zur Untersuchung dieses Phänomens einsetzen. Wir werden junge Pflanzen einem Hitze- oder Salzstress aussetzen und die Genaktivität sowie die epigenetischen Veränderungen zu späteren Zeitpunkten in Blättern, Stammzellen, Keimzellen und in den Nachkommen bestimmen. Die Analyse der wenigen Stammzellen und der Gameten ist möglich durch innovative Methoden, die von den Partnern am Gregor Mendel Institut in Wien und an der Universität Zürich entwickelt wurden. Sie wird kombiniert mit der Analyse genetischer und epigenetischer Reaktionen auf Hitze- und Salzstress in Arabidopsis-Pflanzen die an unterschiedliche Lebensräume angepasst sind. Dieser Aspekt beruht auf Zusammenarbeit mit Partnern am Max Planck Institut für Entwicklungsbiologie in Tübingen, die präzise und vollständige Genominformation ausgewählter Arabidopsis-Linien erarbeitet haben, die aus diversen, gut charakterisierten geographischen Regionen stammen. Das kooperative Design dieser Experimente sollte erlauben zu bestimmen, wie Umweltsignale in epigenetisches Gedächtnis umgesetzt werden und ob bzw. wie pflanzliche Stammzellen diese Information auf Blüten, Keimzellen und eventuell die nächste Generation übertragen. Mit den Ergebnissen werden wir außerdem die Hypothese testen, ob durch gezielte Modifikation epigenetischer Faktoren Pflanzen mit größerer Stressresistenz gewonnen werden können. Das wird mit den Partnern an der Universität Warwick erarbeitet, die neue Technologie für die spezifische Veränderung des epigenetischen Gedächtnisses etablieren. Insgesamt erwarten wir, mit Hilfe mehrerer neuer Techniken und der komplementären Expertise der AUREATE Partner ein tieferes Verständnis für die Prinzipien des Gedächtnisses in Pflanzen und seiner Rolle bei der Anpassung an Stress zu gewinnen. Falls die Modulation des epigenetischen Stress- Gedächtnisses, ohne genetischer Eingriffe, resistentere Pflanzen erzeugen kann, werden die Ergebnisse aussagekräftig und relevant für die potentielle Anwendung in Kulturpflanzen sein.

Epigenetik ist die Wissenschaft vererbbarer Eigenschaften, die unabhängig von DNA Sequenz-Änderungen sind. In der Populärwissenschaft wird häufig behauptet dass die Epigenetik - im Sinne von Lamarck - mit einbezogen werden sollte, wenn es um Evolution geht. Und es wird der Eindruck vermittelt, eine Anpassung des Lebensstils und der Ernährung könne helfen, die eigenen Gene zu meistern. Für Biologen beschreibt der Begriff der Epigenetik aber vor allem das Phänomen der Vielfalt der Zellen innerhalb eines Organismus - obwohl doch alle Zellen dieselbe genetische Information besitzen. Mechanistische Studien in der Epigenetik befassen sich mit der Organisation der Erbinformation innerhalb des Zellkerns, denn diese bestimmt wie aktiv ein Abschnitte der Erbinformation ist. Eine sehr prominente epigenetische Modifizierung ist DNS Methylierung, eine chemische Veränderung einer DNS Base. Interessanterweise werden epigenetische Mechanismen auch als zelluläres Immunsystem im Kampf gegen Viren und sogenannten "jumping genes" oder Transposons - benutzt. Die Genom-Sequenzen gesunder Organismen beinhalten oft große Anteile an Transposons, wenn diese jedoch aktiv werden und beginnen zu springen, kann das für den Organismus schlimme Folgen haben. Zum Beispiel, wenn ein Transposon in die Sequenz eines wichtiges Gens hinein springt und es dadurch zerstört. Passiert das in Ei-oder Sperma-Zellen, sind solche Mutationen oft von Nachteil für den daraus erwachsenden Organismus - also die nächste Generation. Über eine epigenetische Kontrolle können Transposons aber in Schach gehalten werden und diese Mechanismen sind besonders wichtig in den Zellen der Keimbahn, denn hier werden jene Zellen produziert aus denen die nächste Generation erwächst. Viele Aspekte epigenetischer Vererbung sind noch unbekannt. Zum Beispiel versteht man noch nicht, wie Änderungen des Epigenoms in Zellen der Keimbahn induziert werden können. In AUREATE benutzen wir ein elegantes Modellsystem um epigenetische Vererbung von DNS Methylierung und epigenetische Mechanismen in Zellen der Keimbahn zu identifizieren. In der kleinen annuellen Pflanze Arabidopsis thaliana wurdes bereits etabliert, dass DNS Methylierung entweder vererbbar oder nicht vererbbar sein kann. Auf Grund dessen haben wir ein Experiment entworfen um die DNS Methylierung durch Hitze-Stress oder Mutationen zu stören. Eine Innovation unseres Experimentes ist die Isolation von Stammzellen in der Spross-Spitze. Es sind jene Zellen, die später zu Ei-und Sperma-Zellen in den Blüten werden und somit einen wichtigen Teil der Keimbahn bilden. Wir haben aufregende Unterschiede zwischen diesen Stammzellen und den sie umgebenden Zellen gefunden und auch gelernt, dass diese Stammzellen nicht alle gleich sind, sondern dass ein bestimmter Teil dieser Zellen besondere, der bei Tieren bekannten Keimbahn ähnliche Merkmale aufweisen. Außerdem haben wir herausgefunden, dass Transposons versuchen in genau diesen Stammzellen aktiv zu werden und konnten Proteine identifizieren die von der Zelle zur Verteidigung dagegen eingesetzt werden. Diese und künftige Erkenntnisse aus dem Projekt werden unser Verständnis der Pflanzenentwicklung und Evolution und die Rolle genetischer- und Umweltfaktoren nachhaltig beeinflussen.