ИСТИНА

выяснение эпигенетических механизмов взаимной адаптации растений-паразитов и растений-хозяев друг к другу на примере облигатного паразитического растения Cuscuta campestris

The fundamental task of the project is the elucidation of the epigenetic mechanisms of mutual adaptation between host and parasitic plants. To this end, we are planning to study the obligate parasitic plant dodder (Cuscuta campestris) that is capable of infecting a vast range of the host plants. The epigenetic variability is widely known to be one of the main mechanisms of rapid adaptation to the changing environment in plants. The relationship between the host and parasitic plants is unique since the epigenetic variability of both plants could play an important role. On the one hand, epigenetic variability in a parasitic plant, such as dodder, could be a way to adapt to a very vast range of the host plants. On the other hand, the parasitic plant could selectively affect the epigenome of the host plant in a way that changes its gene expression in a favorable direction, for example, by exchanging small RNAs. Last but not least, epigenetic changes induced in the host plant by the parasitic plant infection could be a part of an epigenetic mechanism that ensures it’s resistance to this specific parasite. The study of the relevant epigenetic changes is necessary to solve a unique task in the fundamental plant epigenetics - elucidation of the competition mechanisms between two plant epigenetic systems. In practice, understanding of these mechanisms could play a key role in the elaboration of effective and safe ways to conquer the ubiquitous parasitic plants of the Cuscuta genus. Specifically, the creation of plant strains resistant to dodders infection, instead of the use of unsafe remedies, such as herbicides. The studies of the role played by DNA methylation, and histone modifications in the mutual adaptation between dodder and different host plants are entirely original and actual. To the best of our knowledge, until now, such studies were never carried out anywhere in the world.

Для проверки гипотезы о роли метилирования ДНК в адаптации повилики к различным растениям-хозяевам и экологическим нишам будут исследованы транскриптомы и паттерны метилирования ДНК в диких популяциях Cuscuta campestris, имеющих разные спектры растений-хозяев. Планируется использовать ранее собранные в различных регионах Республики Болгария образцы паразитического растения Cuscuta campestris. Они будут подробно охарактеризованы по признакам географического распространения и спектру чувствительных растений-хозяев. Будет проведено сравнительное исследование их транскриптомов в области контактов с тканями растения-хозяина. Из этих же растений будут получены семяна, из которых будет получено выращенное в лабораторных условиях на растениях Arabidopsis thaliana поколение паразитических растений. Будет проведен сравнительный анализ транскриптомов и паттернов метилирования ДНК между этими и исходными растениями на предмет признаков эпигенетической адаптации к новому растению-хозяину. Роль эпигенетических изменений в краткосрочной адаптации растения-хозяина и растения-паразита друг к другу будет исследована на модельной системе Arabidopsis thaliana (хозяин) – Cuscuta campestris (паразит). При этом будут изучаться транскриптомы и полные ДНК-метиломы, а также, углубленно, экспрессия и характер метилирования наиболее интересных, с точки зрения возможной роли в эпигенетической адаптации, генов. Будут также исследованы изменения в метилировании гистона H3 по 4-му (H3K4me3 – активирующая транскрипцию модификация) и 27-му (H3K27me3 – репрессирующая транскрипцию модификация) остаткам лизина в области генов, экспрессия которых изменяется в результате инфекции. Полученные данные будут сопоставляться с результатами морфологического анализа: способности к формированию гаусторий и скорости роста растения-паразита, а также масштабов локального некроза при повторной инфекции уже зараженных растений-хозяев. Будут получены линии из нескольких поколений зараженных повиликой растений арабидопсиса. В каждой из них будет исследована динамика чувствительности на предмет выбора линий с повышающейся устойчивостью или, наоборот, с повышающейся чувствительностью к паразиту. Для наиболее интересных линий будет проведено сравнительное исследование динамики транскриптомов на предмет идентификации дифференциально экспрессируемых генов, а также динамики метилирования ДНК и гистона H3. Сопоставление полученных данных с результатами изучения фенотипических признаков долгосрочной адаптации растения-хозяина к растению-паразиту позволит установить вероятные эпигенетические механизмы, лежащие в ее основе. Следует отметить, что в лаборатории зарубежного партнера уже проводится работа по получении данных линий инфицированных повиликой растений арабидопсиса.

Российская сторона в течение ряда лет проводит исследования различных аспектов эпигенетики растений: экспрессии генов, роли метилирования ДНК в регуляции транскрипции и других генетических процессов, взаимодействия различных эпигенетических систем (метилирование ДНК, модификации гистонов, некодирующие РНК) друг с другом, их роли в регуляции развития растений и т.д. Метилирование ДНК и модификации гистонов при заражении растений-хозяев паразитическим растением Cuscuta campestris, насколько нам известно, еще никем в мире не изучались. Единственным опубликованным исследованием данного вопроса является работа, выполненная в нашем отделе более 40 лет назад (Vaniushin BF, Singkh SS, Sonvol G. Changes in DNA methylation in alfalfa plants infected with Cuscuta and tissue differences in DNA methylation of the parasite plants. Biokhimiia. 1979, 44:864-7), в котором было показано, что суммарная степень метилирования ДНК люцерны изменяется при ее заражении повиликой. Лаборатория профессора Загорчева имеет большой и успешный опыт исследования общих биологических аспектов жизненного цикла облигатно-паразитического растения Cuscuta campestris: способность инфицировать различные растения в разных экологических нишах, влияние биотических и абиотических стрессов на растение-хозяина и растение паразит, метаболические механизмы взаимной адаптации хозяина и паразита друг к другу и к стресс-факторам, действующим напрямую на растение-хозяина и опосредованно – на растение-паразита, и многое другое. В рамках своих предшествующих исследований Болгарская сторона уже отчасти сформировала коллекцию дикорастущих растений Cuscuta campestris из различных географических регионов. Это, безусловно, послужит весьма существенным заделом для реализации первого года предлагаемого проекта.

1. Будут идентифицированы гены паразитического растения Cuscuta campestris, дифференциально экспрессирующиеся между дикими популяциями, различающимися географическим распространением и спектром растений-хозяев, а также дифференциально экспрессирующиеся между одними и теме же линиями Cuscuta campestris, выросшими в природных и лабораторных условиях. Эти гены в дальнейшем будут детально исследоваться как наиболее вероятные детерминанты адаптации повилики к различным экологическим нишам и растениям-хозяевам. 2. Будут исследованы паттерны метилирования ДНК в растениях Cuscuta campestris различных диких популяций, выросших в природных и лабораторных условиях. Будут детально исследованы паттерны метилирования дифференциально экспрессирующихся генов, идентифицированных на предыдущем этапе. Это позволит выяснить вероятную роль метилирования ДНК в устойчивом или краткосрочном изменении их экспрессии при адаптации к растению-хозяину. 3. На модельной системе Arabidopsis thaliana (хозяин) – Cuscuta campestris (паразит) в клетках каждого из растений в области контактов между ними будут идентифицированы гены, экспрессия которых изменяется в результате однократного инфицирования. Эти гены в дальнейшем будут детально исследоваться как наиболее вероятные детерминанты краткосрочного ответа растения-хозяина на заражение растением-паразитом и ответа растения-паразита на взаимодействие с новым растением-хозяином. 4. Будет проведено сравнительное исследование метилирования обнаруженных на предыдущем этапе генов и их ассоциации с метилированными формами гистона H3 (H3K4me3 и H3K27me3). Это позволит выяснить роль данных эпигенетических механизмов в краткосрочном взаимной адаптации растения-хозяина и растения-паразита. 5. Будут идентифицированы гены арабидопсиса, экспрессия которых изменяется при разных результатах долгосрочной адаптации растения-хозяина и растения-паразита друг к другу – постепенном повышении резистентности растения-хозяина в последовательных поколениях зараженных растений или, наоборот, постепенном повышении чувствительности. Эти гены в дальнейшем будут исследоваться как наиболее вероятные детерминанты долгосрочной адаптации растения-хозяина к растению паразиту. 6. Будет проведено сравнительное исследование паттернов метилирования ДНК и метилирования гистона H3 (H3K4me3 и H3K27me3) в области генов, идентифицированных на предыдущем этапе. Тем самым будет выяснена роль этих эпигенетических механизмов в долгосрочной адаптации растения-хозяина к растению паразиту.