Site-dependent differences in DNA methylation and their impact on plant establishment in Populus trichocarpa

Abstract

Phosphate (Pi) limits total biomass production in natural tree ecosystems. Due to the low mobility of Pi in soil, higher plants, like trees, require special adaptations for phosphorus (P) acquisition. The genetic and physiological basis of this adaptation has been studied extensively. In addition, phosphorus starvation was recently suggested to affect epigenetic modifications in varying annual plant species. However, the impact of differential DNA methylation and microRNAs (miRNAs) on gene expression as well as site-dependent P-related physiology is largely unknown in perennials. In this study Populus trichocarpa clones, established from stem cuttings from two different locations, were grown in hydroponic culture with different P levels. Morphological and physiological parameters as well as, using bisulfite sequencing, site-specific genome-wide methylomes were determined. Gene and miRNA expression of differentially methylated regions was quantified via qPCR. Site-dependent differences in plant establishment were encountered, together with site-specific differentially methylated chromosomal regions. Methylation differences were nucleotide context-specific and extensively regulated miRNAs and their target genes in an organ-specific way. Though no direct relation between differential methylation in coding regions and their corresponding gene expression was observed, a general site-dependent transcriptional repression by DNA methylation was detected. Nevertheless, differential DNA methylation and gene expression was not affected by P nutrition, although recent studies described P-starvation induced DNA methylation changes, suggesting species-specific epigenetic mechanisms. However, differentially methylated miRNAs, together with their target genes, showed P-dependent expression profiles, indicating miRNA expression changes as a P-related epigenetic modification in poplar. Hence, it was shown that differences in DNA methylation or differentially methylated miRNAs might influence plant establishment and partially correlate with P acquisition, and thus be responsible for a site-dependent adaptation and growth performance, interesting for plant breeding, conservation biology and biodiversity studies of vegetatively propagated perennials.

In natürlichen (Wald-)Ökosystemen gehört Phosphor (P) zu den wichtigsten Faktoren für die Gesamtbiomasseproduktion. Aufgrund der geringen Mobilität von anorganischem Phosphat (Pi) im Boden benötigen höhere Pflanzen, wie Pappeln, sogar auf nährstoffreichen Ackerböden eine mehr oder weniger ausgeprägte Anpassung der P-Aufnahme. Die genetische als auch physiologische Grundlage hierzu wurde in den letzten Jahren umfangreich erforscht. Neueste Studien zeigten auch in verschiedenen einjährigen Pflanzenarten starke durch P-Mangel hervorgerufene epigenetische Veränderungen. Jedoch ist kaum bekannt, inwiefern epigenetische Veränderungen, wie DNA Methylierungen und Gen-Inaktivierungen via microRNAs (miRNAs), in perennierenden Pflanzen zur P-Mangelanpassung gehören und ob diese eine schnellere Anpassung an Umwelt-bezogenen Stress als genetische Mutationen darstellen. In diesem Forschungsprojekt wurde untersucht, ob genetisch identisches Pappelmaterial (Populus trichocarpa cv. Muhle Larson) von verschiedenen Standorten genomweite epigenetische Unterschiede in DNA Methylierung und in differentiell methylierten miRNA Expressionen aufzeigte und ob diese Unterschiede für Standort-spezifische Anpassungen verantwortlich sein könnten. Hierzu wurde die zwar nicht-heimische, aber bereits vollständig sequenzierte Balsampappel (Populus trichocarpa) als Modellpflanze verwendet. Genetisch identisches Startmaterial (Schnitthölzer) von zwei verschiedenen Standorten (Kurzumtriebsplantagen) wurde zuerst hinsichtlich seines P-Gehalts charakterisiert und im Gewächshaus mit unterschiedlichen Phosphorangeboten angezogen. Des Weiteren wurden morphologische und physiologische Parameter erfasst und Methylierungsunterschiede der DNA durch Bisulfit-Sequenzierung genomweit kartiert. Anschließende Expressionsanalysen wurden für differenziert methylierte Gene, miRNAs und deren Zielgene mittels qPCR durchgeführt. Im Fokus standen hierbei die auf P-Ernährung und Wachstumsleistung bezogenen Methylierungsunterschiede der DNA und miRNA. Signifikante Standort-spezifische Wachstumsunterschiede der Pflanzen gingen mit Standort-spezifischen differenziert methylierten chromosomalen Regionen einher. Die Methylierungsunterschiede zeigten zusätzlich eine Spezifität in verschiedenen Nukleotid-Kontexten und eine extensive Beeinflussung von miRNAs und deren Zielgenen in einem P-abhängigen und Organ-spezifischen Kontext. Allerdings wurde kein direkter Zusammenhang zwischen differentiell methylierten Genbereichen und den dazugehörigen Genexpressionsveränderungen festgestellt, auch wenn eine Standort-spezifische, allgemeine Repression der Transkription durch DNA Methylierung nachgewiesen werden konnte. Anders als in aktuellen Studien beschrieben, wurde kein direkter Einfluss des P-Ernährungszustandes auf die DNA Methylierungsmuster und Genexpression beobachtet, was auf Spezies spezifische epigenetische Mechanismen hindeuten könnte: Eine Anpassung an P-Mangel könnte in Pappeln durch unterschiedliche Expression differentiell methylierter miRNAs und deren Zielgene ablaufen. Die beobachteten epigenetischen Anpassungen erklären demnach das Standort-spezifische Wachstum der Bäume, was bei zukünftigen Züchtungs- und Biodiversitätsstudien von Pflanzen, die nicht über Samen vervielfältigt werden, berücksichtigt werden sollte.