Eine epigenom-weite Assoziationsstudie (EWAS) in Pflanzen

Die Erzeugung oder Auswahl von Sorten in der Pflanzenzüchtung mit verbesserten Eigenschaften und erhöhtem Anpassungspotential unter extremen Bedingungen erfordert detaillierte Kenntnisse der zahlreichen Faktoren, die den Phänotyp einer Pflanze bestimmen. Bis vor kurzem wurde angenommen, dass vererbbare Veränderungen ausschliesslich durch DNA Sequenzunterschiede verursacht werden, aber inzwischen ist die Beteiligung anderer, epigenetischer Prozesse unübersehbar (Madlung und Comai, 2004; Richards, 2006; Richards, 2008; Bossdorf et al., 2008). Einsicht in das Ausmaß epigenetischer Diversität und deren Einfluss auf die Zusammenhänge zwischen Umweltfaktoren, Genotyp und Phänotyp sollten erlauben, die Auswirkungen von Umweltveränderungen auf die Eigenschaften und das Potential von Pflanzen samt ihrer Nachkommen besser verstehen zu können. Um diese Ziel zu erreichen, sieht das Projekt vor: das Ausmaß der durch DNA Polymorphismen bedingten epigenetischen Diversität sowie deren Eigenschaften zu bestimmen, das Ausmaß der durch Umweltfaktoren bedingten epigenetischen Diversität, deren Eigenschaften und die einflussreichsten äusserene Bedingungen zu bestimmen, die Wechselwirkungen zwischen genetischen, epigenetischen und äusseren Faktoren auf den Phänotyp zu untersuchen. Ein entscheidendes Hindernis in diesem Zusammenhang ist die beträchtliche Komplexität der Faktoren und deren Wechselwirkungen bei der Entstehung des Phänotypen. Wir wollen dieses Problem reduzieren mit einem Ansatz, der Methoden der Populationsgenetik und der klassischen Epigenetik vereint. Wir werden dabei genomische Assoziationsstudien mit genomweiter Analyse epigenetischer Faktoren wie der Sequenzierung nach Chromatin- Immunopräzipitation (ChIP-seq) oder nach Bisulfit-Konversion (BS-seq) und mit Transkriptomanalyse durch RNA-Sequenzierung verbinden. Dafür werden wir eine Reihe von Arabidopsis Ecotypen, ausgewählt nach maximaler genetischer und potentiell epigenetischer Diversität, einer genomweiten Analyse der DNA Methylierung, spezieller Histonmodifikationen und der Nukleosomendichte unterziehen. Unterschiede in der Verteilung der epigenetischen Markierungen zwischen den Ecotypen werden dann als "Epiphenotypen" in genomweiten Assoziationsstudien kartiert. Sie werden weiterhin als "Epipolymorphismen" für epigenomweite Assoziationsstudien (EWAS) eingesetzt. Diese Experimente sollen dann auf Pflanzen erweitert werden, die über mehrere Generationen unter verschiedenen Bedingungen gewachsen sind, die schnelles oder langsames Wachstum fördern oder extreme Habitate oder verschiedene Klima-, Ernährungs- oder Lichtbedingungen simulieren. Das wird uns ermöglichen, den Zusammenhang zwischen genetisch, umwelt- und chromatin-bedingter Diversität, biotische und abiotische Faktoren mit Wirkung auf die epigenetische Variation zu identifizieren und die Verbindung zwischen genetischer und epigenetischer Variation, phänotypischer Plastizität und der Anpassung an Umweltbedingungen zu untersuchen. Die potentielle Vererbung der Chromatinkonfiguration und deren Einfluss auf den Phänotyp werden es auch erlauben, die Rolle der Epigenetik bei einem potentiell generationen-übergreifenden "Gedächtnis" umweltbedingter Anpassungen zu studieren.