EpiCOL_Ökologische und evolutionsbiologische Epigenetik in Pflanzen

Unterschiede in genetischer Information werden in vielen Organismen, einschließlich in Pflanzen, in großem Maßstab analysiert und mit phänotypischer und physiologischer Vielfalt in Verbindung gebracht. Epigenetische Information, die nicht in der DNA Sequenz kodiert ist, sondern in Form von regulatorischen Schaltern und Chromatinkonfiguration vererbt wird, wurde als potentiell zusätzliche Ursache von Biodiversität bisher vernachlässigt. Das Ziel von EpiCOL ist es, Ausmaß, Stabilität und Bedeutung der epigenetischen Vielfalt zu erfassen. Dafür möchte ich die Kompetenz unseres Labors bei der Erforschung der epigenetischen Vererbung und der molekularen Analyse der Chromatineigenschaften mit der Erfahrung der Partnergruppen bei der Bearbeitung ökologischer und evolutionsbiologischer Fragestellungen kombinieren. Der im Folgenden beschriebene Beitrag sollte, wie im EEFG Gesamtantrag beschrieben, im Zusammenhang mit dem der Partner gesehen werden. Unser Labor will die epigenetischen Unterschiede zwischen ausgewählten Arabidopsis Isolaten aus verschiedenen Habitaten bestimmen, die Flexibilität epigenetischer Merkmale unter verschiedenen Umweltbedingungen und während der genetischen Vererbung testen, und herausfinden, ob die epigenetischen Merkmale zu Fitness und Selektion beitragen. Wir planen, die Expression von bekanntermaßen epigenetisch regulierter Sequenzen (Transposons, Retrotransposons, proteinkodierender und nicht-protein-kodierender Gene) und von epigenetischen Regulatoren (chromatinmodifiziernde Faktoren, mikroRNA und monoallelisch aktive Gene) zu vergleichen. Wir werden genspezifische und genomweite DNA Methylierung (Southern blot, ms-PCR, Bisulfitsequenzierung) und Chromatinmodifikationen (ChIP, QRT-PCR, Hochdurchsatz-Sequenzierung) untersuchen und bioinformatische Methoden anwenden, um die epigenetischen Unterschiede mit der genomischen Information zu verknüpfen. Wir werden Methodik und Erfahrung für die molekulare Analyse des Scabiosa Materials zur Verfügung stellen. Unser Labor wird für die genomweite Analyse mit dem ColotLabor zusammenarbeiten und gemeinsam mit den Arbeitsgruppen Ouborg / Bossdorf / Schmid die Experimente an Extrem-Standorten und zur Fitness-Analyse planen und durchführen. Wir erwarten, dass die Ergebnisse zum Verständnis der Pflanzenevolution und der Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen beitragen werden.

Im Rahmen des zur Zeit großen Interesses an der Epigenetik wird zunehmend spekuliert und heftig debattiert, wie weit ungünstige Umweltbedingungen und Lebensstil die Entwicklung und Fitness von späteren Generationen beeinflussen können. Das stünde im Widerspruch zum Paradigma, dass nur genetische Veränderungen vererbbar sind. Pflanzen sind ausgezeichnete Modellorganismen, diese Frage experimentell zu bearbeiten, da ihre Keimzellen viel später gebildet und somit Umwelteinflüssen stärker ausgesetzt sind als bei den meisten Tieren. Mit Hilfe der kleinen Blütenpflanze Arabidopsis thaliana, die so gut wie keine andere Pflanze genetisch, physiologisch, entwicklungs- und molekularbiologisch untersucht wurde, haben wir (1) gefragt, ob Hitzestress bei Pflanzen vererbbare Auswirkungen auf deren nicht-gestresste Nachkommen hat. Obwohl die gewählten Bedingungen bei den behandelten Elternpflanzen starke Symptome hervorriefen, konnten wir bei den nicht behandelten Nachkommen keine Konsequenzen für deren Wachstum feststellen, selbst wenn auch bereits die Großeltern gestresst wurden. Wir interpretieren das als Evidenz gegen eine simple epigenetische Anpassungshypothese. Um die Analyse zu präzisieren, erstellen wir (2) ein System, das erlaubt, gerichtete epigenetische Veränderungen zu induzieren und deren Stabilität zu verfolgen und (3) die epigenetische Ausstattung direkt in den Stammzellen zu bestimmen.