Germany
July 15, 2016
An international team of scientists has sequenced the whole genomes and epigenomes of more than 1,000 Arabidopsis thaliana plants, sampled from geographically diverse locations. The collection of 1,001 genomes and 1,001 epigenomes not only illuminates new aspects of its evolutionary history, but also provides a comprehensive, species-wide picture of the interaction between genetic and epigenetic variation in this important model plant.
Prof. Detlef Weigel in his lab - Jörg Abendroth / Max Planck Institute for Developmental Biology
When next-generation sequencing appeared around 2007, it became possible to sequence genomes relatively rapidly and cheaply. Human geneticists quickly developed a project to sequence 1,000 genomes to catalog human genetic variation. Not to be outdone, plant biologists decided that “if our colleagues will have one thousand genomes, then we have to have at least one thousand and one genomes,” joked Detlef Weigel (pictured), Director of the Max Planck Institute for Developmental Biology in Germany, who co-led the 1,001 genomes project. But sequencing the genome only provided part of the story—the researchers went further and sequenced the transcriptome and methylome of these plants, too.
Many questions about plant evolution and adaptation can be addressed with the new data. “It’s an enormous hypothesis generator in terms of trying to understand what happens in the natural world,” explained Howard Hughes Medical Institute (HHMI) and Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF) Investigator Joe Ecker, a plant biologist at the Salk Institute who directed the 1,001 epigenomes project. “In the past, we’ve made mutations in almost all genes in the laboratory. But here you’re looking at both subtle and not so subtle variants, both genetic and epigenetic, that are captured from the wild.” So it provides an opportunity for scientists interested in how wild plants adapt to climate change, for example.
“[Researchers] will have tools to look at what kind of natural variation exists in a gene of interest,” said Magnus Nordborg, Director of the Gregor Mendel Institute in Austria, who co-led the 1001 genomes project. “The ultimate goal is to move away from the reference genome, and get a complete picture of all the genetic variation--and everything that it is associated with.”
The two new studies, which will be published together in the July 14, 2016 issue of Cell, show that approximately 25 percent of genes in the Arabidopsis genome exhibit diversity in their methylation state. Methylation, the addition of methyl groups to a strand of DNA, is related to silencing of transposable elements, the “jumping genes” in the genome. “Methylation can also modify gene expression, for example by blocking a transcription factor from landing on a gene promoter and activating it,” said Carol Huang, a computational biologist at the Salk Institute who co-led the epigenomes study.
The researchers also found that the genome and epigenome closely interact with each other. “There are genes that control the epigenome in these various plants,” Ecker explained, “and variants of those genes potentially alter the epigenome in a way that helps the plant survive better in a particular environment.” Taiji Kawakatsu, a plant biologist at the Salk Institute, now working at the National Institute of Agrobiological Sciences in Japan, who co-led the work added “Those genes may also play roles in generating cell-type specific epigenome patterns and inter-species epigenome diversity.”
Although the researchers had looked for such associations between genome and epigenome before, the studies were limited by smaller sample sizes. “With 1,000 accessions, we are able to measure how much methylation variation can be explained by genetic variants,” said Eriko Sasaki, a population geneticist at the Gregor Mendel Institute in Austria, who co-led the epigenomes analysis. “It gives us a much better sense, quantitatively, of the interplay between genetic and methylation variation.”
Another striking feature they discovered was that genes involved in immunity show more genetic and epigenetic variation than other classes of genes. The immunity genes not only had small mutations, but also “variable epiallelic states and are associated with large scale structural rearrangements and transposable elements,” said Florian Jupe, a plant biologist at the Salk Institute who co-led the epigenomes project.
The researchers also noticed correlations of genetic and epigenetic variants with climate and geographic location. They are working to identify which genes and epigenetic markers allow a specific variety to thrive in a particular environment. Plants are probably one of the best organisms in which to study adaptation: when plants are placed in a new environment, they have to adapt quickly, because they have nowhere to go, explained HHMI Investigator Joanne Chory, a plant biologist at the Salk Institute who was not involved in the study. “I think plants are the only place where you can really map genotype to phenotype and fitness. It’s very hard to do in humans … if they can figure this out in the plant world, that will be a huge contribution to understanding multicellular life in general,” Chory said.
The new dataset will also be an inspiration to plant breeders, who typically focus on genetic markers to select for genes of interest. “Breeders could potentially use epigenetic information just like they use genetic information to select for traits; the power of such an approach can now be tested,” said Ecker. “Beyond individual genes being useful, the idea that there are epigenetic variants that could be selected for is something that they should pay attention to,” he said.
more information:
http://tuebingen.mpg.de/en/developmental-biology-news/weiterlesen/article/der-ne...
1.001 Genome und Epigenome von Arabidopsis zeigen eine enorme Bandbreite an Variation
Ein internationales Wissenschafter-Team, darunter auch Prof. Dr. Detlef Weigel vom Max-Planck-Institut für Entwicklungsbiologie, hat die gesamten Genome und Epigenome von mehr als 1.000 Pflanzen von Arabidopsis thaliana (Ackerschmalwand) sequenziert. Die Pflanzen dafür wurden in unterschiedlichen geografischen Regionen gesammelt. Die Sammlung von 1.001 Genomen und 1.001 Epigenomen beleuchtet nicht nur neue Aspekte der Evolutionsgeschichte, sondern liefert auch ein umfassendes Bild der Interaktion zwischen genetischen und epigenetischen Varianten dieser wichtigen Modellpflanze.
Durch die Next-Generation-Sequenzierung können seit ungefähr 2007 Genome relativ rasch und billig sequenziert werden. Humangenetiker haben daher bald das Projekt „1.000 Genome“ entwickelt um den genetischen Variantenreichtum beim Menschen zu katalogisieren – was den Ehrgeiz der Pflanzenbiologen anspornte: „Wenn unsere Kollegen 1.000 Genome haben, dann wollen wir mindestens 1.001“, scherzte Detlef Weigel, Direktor des Max Planck Instituts für Entwicklungsbiologie in Deutschland, einer der Leiter des 1.001-Genome-Projekts. Doch die Sequenzierung der Genome bildete nur einen Teil der Geschichte: Die Forscher gingen weiter und sequenzierten auch die Transkriptome und Methylome dieser Pflanzen.
Viele offene Fragen zur Pflanzenbiologie und Anpassung können mit diesen neuen Daten behandelt werden. „Es ist ein enormer Hypothesengenerator wenn es darum geht zu verstehen, was in der natürlichen Welt vor sich geht“, erklärt Joe Ecker, Forscher am Howard Hughes Medical Institute (HHMI) und an der Gordon and Betty Moore Foundation (GBMF), ein Pflanzenbiologe am Salk Institute, der das 1.001-Genome-Projekt leitet. „In der Vergangenheit haben wir Mutationen in fast allen Genen im Labor gemacht. Aber hier schauen wir sowohl auf subtile und nicht so subtile, sowohl genetische als auch epigenetische Varianten, die wir in der Wildnis gesammelt haben.“ Das gibt Forschern zum Beispiel die Möglichkeit sich damit zu beschäftigten, wie sich wilde Pflanzen an den Klimawechsel anpassen.
„Forscher werden neue Werkzeuge haben, um zu sehen, welche natürliche Varianten in einem interessanten Gen existieren“, sagt Magnus Nordborg, Direktor des Gregor Mendel Instituts in Österreich, einer der Leiter des Genom-Projekts. „Das ultimative Ziel ist es, sich vom Referenzgenom wegzubewegen und ein komplettes Bild der gesamten genetischen Variation zu bekommen – und vor allem, was damit verbunden ist.“
Die zwei neuen Studien, die gemeinsam in der am 14. Juli 2016 erscheinenden Ausgabe des Journals Cell erscheinen werden, zeigen, dass ungefähr 25 Prozent der Gene im Arabidopsis-Genom Vielfältigkeiten in ihrem Methylierungs-Status zeigen. Methylierung, also das Hinzufügen von Methylgruppen zu einem DNA-Strang, ist verbunden mit dem Abschalten von Transposons, den „springenden Genen“ eines Genoms. „Methylierung kann auch die Genexpression verändern, beispielsweise indem ein Transkriptionsfaktor daran gehindert wird auf einem Genpromoter zu landen und ihn zu aktivieren“, sagt Carol Huang, Bioinformatikerin am Salk Institute, die die Epigenom-Studie mitleitete.
Die Forscher fanden auch heraus, dass Genome und Epigenome eng miteinander interagieren. „Es besteht eine klare Verbindung zwischen genetischen und epigenetischen Varianten“, sagt Ecker. „Es gibt Gene, die die Epigenome in diesen verschiedenen Pflanzen kontrollieren“, erklärt er, „und Varianten dieser Gene ändern eventuell das Epigenom so, dass es der Pflanze hilft, in einer bestimmten Umgebung besser zu überleben.“ Taiji Kawakatsu, Pflanzenbiologe am Salk Institut, der nun am National Institute of Agrobiological Sciences in Japan arbeitet und die Arbeit mit leitete, fügt hinzu: „Diese Gene könnten auch eine Rolle spielen bei der Bildung zellspezifischer Epigenom-Muster und der Epigenom-Vielfalt in verschiedenen Spezies.“
Obwohl die Forscher schon seit längerem solche Verbindungen zwischen Genomen und Epigenomen gesucht hatten, waren diese Studien immer durch eine geringe Probengröße beschränkt. „Mit diesen Daten sind wir nun in der Lage weltweit zu messen, wie viel Methylierungsvariation durch genetische Varianten erklärbar ist,“ sagt Eriko Sasaki, Populationsgenetikerin am Gregor Mendel Institut in Österreich, eine Co- Leiterin der Epigenom-Analyse. „Das gibt uns ein viel besseres Gefühl vom Umfang der Wechselwirkungen zwischen genetischer und Methylierungs-Variation.“
Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft, die dabei entdeckt wurde: Gene, die mit Immunität zu tun haben, zeigen eine größere genetische und epigenetische Variation als andere Genklassen. Die Immunitätsgene haben nicht nur kleine Mutationen, sondern auch „veränderliche Stadien der Epiallele und sind in großem Umfang mit strukturellen Neuanordnungen und Transposons verbunden“, sagt Florian Jupe, Pflanzenbiologe am Salk Institute und einer der Leiter des Epigenom-Projekts.
Die Forscher bemerkten auch, dass genetische und epigenetische Varianten mit Klima und Standort korrelieren. Sie arbeiten nun daran die Gene und epigenetischen Marker zu identifizieren, die es einer bestimmten Art erlauben, in einer bestimmten Umgebung zu gedeihen. Pflanzen sind wahrscheinlich einer der besten Organismen, um Variationen zu untersuchen: Wenn Pflanzen in eine neue Umgebung gebracht werden, passen sie sich rasch an, da sie nirgendwo hingehen können, erklärt die HHMI-Forscherin Joanne Chroy, Pflanzenbiologin am Salk Institute, die nicht in die Studie eingebunden war. „Ich denke, dass Pflanzen die einzigen Organismen sind, bei denen man tatsächlich Erbgut in Verbindung mit Phänotyp und Fitness skizzieren kann. Das ist beim Menschen sehr schwierig … wenn sie das in der Pflanzenwelt herausfinden, dann wird das ein großer Beitrag sein, um mehrzelliges Leben im Allgemeinen zu verstehen“, sagt Chory.
Der neue Datenbestand wird auch eine Inspiration für Pflanzenzüchter sein, die sich normalerweise auf genetische Marker konzentrieren, um interessante Gene auszuwählen. „Züchter könnten epigenetische Informationen verwenden, um Eigenschaften einer Pflanze auszuwählen, genau so wie sie genetische Informationen nutzen. Die Macht eines derartigen Ansatzes kann jetzt geprüft werden“, sagt Ecker: „So nützlich individuelle Gene sind – die Vorstellung, dass man nach epigenetischen Varianten auswählen kann, ist etwas, dem man Aufmerksamkeit schenken sollte.“
Weitere Informationen:
http://dx.doi.org/10.1016/j.cell.2016.06.044
http://tuebingen.mpg.de/en/developmental-biology-news/weiterlesen/article/der-ne...
Topics
Species
