UNIVERZA V LJUBLJANI BIOTEHNIŠKA FAKULTETA
ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE
Mercedes POLAJNAR
VLOGA EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI PRILAGODITVI RASTLIN NA
PODNEBNE SPREMEMBE
DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja
Ljubljana, 2021
BIOTEHNIŠKA FAKULTETA ŠTUDIJ BIOTEHNOLOGIJE
Mercedes POLAJNAR
VLOGA EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI PRILAGODITVI RASTLIN NA PODNEBNE SPREMEMBE
DIPLOMSKO DELO Univerzitetni študij - 1. stopnja
USE OF EPIGENETIC MECHANISMS TO ADAPT PLANTS TO CLIMATE CHANGE
B. SC. THESIS Academic Study Programmes
Ljubljana, 2021
II
Diplomsko delo je zaključek Univerzitetnega študijskega programa prve stopnje Biotehnologija.
Študijska komisija 1. in 2. stopnje študija biotehnologije je za mentorja diplomskega dela imenovala izr. prof. dr. Natašo Štajner.
Komisija za oceno in predstavitev:
Predsednik: prof. dr. Mojca NARAT
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za zootehniko Član: izr. prof. dr. Nataša ŠTAJNER
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za agronomijo Član: doc. dr. Jernej OGOREVC
Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Oddelek za zootehniko
Datum predstavitve: 3. september 2021
III
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA ŠD Du1
DK UDK 601.4:577.21:631.524.85:551.583:581.522.4(043.2)
KG rastline, genetika, epigenetika, epigenetski mehanizmi, epimutacije, metilacija DNA molekule, kromatin, histonske modifikacije, podnebne spremembe, abiotski stresni dejavniki, prilagoditev na okolje, rastlinska fenologija, epigenetski spomin, fenotipska plastičnost
AV POLAJNAR, Mercedes SA ŠTAJNER, Nataša (mentor)
KZ SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
ZA Univerza v Ljubljani, Biotehniška fakulteta, Študij biotehnologije, Univerzitetni študijski program prve stopnje Biotehnologija
LI 2021
IN VLOGA EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI PRILAGODITVI RASTLIN NA PODNEBNE SPREMEMBE
TD Diplomsko delo (Univerzitetni študij - 1. stopnja) OP VI, 22 str., 6 sl., 80 vir.
IJ sl JI sl/en
AI Epigenetika, področje molekularne biologije, omogoča spreminjanje genetske informacije prek odziva organizma na okoljske signale brez spremembe zaporedja DNA molekule. Epigenetska regulacija je dosežena z različnimi epigenetski mehanizmi in povzroča značilno vklapljanje ter izklapljanje prepisovanja določenih genov. Najpogostejši rastlinski epigenetski mehanizmi, ki uravnavajo strukturo kromatina, so metilacija DNA molekule, histonske modifikacije, nekodirajoče RNA molekule in transpozonski elementi. Alternativno izražanje genov predstavlja pomembno vlogo pri razvoju rastlin, obrambo pred ponavljajočimi se elementi in hitremu odzivu na dražljaje iz okolice. Ključen pomen epigenetskih mehanizmov je sposobnost prilagajanja rastlin na stresne in življenjsko ogrožujoče dejavnike okolja, še posebej v času izrazitih podnebnih sprememb, ki močno posegajo v življenjski cikel rastlin. Podnebne spremembe predstavljajo za rastline hud fiziološki stres, zato so s pomočjo epigenetskih mehanizmov razvile visoko fenotipsko plastičnost. Epigenetske spremembe se lahko v obliki epigenetskega spomina dedujejo na hčerinske celice in tako ohranjajo transkripcijska stanja ter ustrezen odziv na okoljske dejavnike.
Problematika podnebnih sprememb vse bolj narašča in povzroča hitrejše spremembe, kot so jih rastline navajene, zato je verjetno, da v prihodnosti naravni prilagoditveni mehanizmi ne bodo več zadoščali za preživetje rastlin. Ogroženi so predvsem gozdni ekosistemi, ki so ključni za ohranjanje naravnega ravnovesja.
IV
KEY WORDS DOCUMENTATION ND Du1
DC UDC 601.4:577.21:631.524.85:551.583:581.522.4(043.2)
CX plants, genetics, epigenetics, epigenetic mechanisms, epimutations, DNA methylation, chromatin, histone modifications, climate change, abiotic stressors, environmental adaptation, plant phenology, epigenetic memory, phenotypic plasticity
AU POLAJNAR, Mercedes
AA ŠTAJNER, Nataša (supervisor) PP SI-1000 Ljubljana, Jamnikarjeva 101
PB University of Ljubljana, Biotechnical Faculty, Academic Study Programme in Biotechnology
PY 2021
TI USE OF EPIGENETIC MECHANISMS TO ADAPT PLANTS TO CLIMATE CHANGE
DT B. Sc. Thesis (Academic Study Programmes) NO VI, 22 p., 6 fig., 80 ref.
LA sl AL sl/en
AB Epigenetics, a field of molecular biology, allows genetic information to be altered through the organism's response to environmental signals without changing the sequence of the DNA molecule. Epigenetic regulation is achieved by various epigenetic mechanisms and results in the characteristic on and off switching of genetic transcription. The most common plant epigenetic mechanisms that regulate chromatin structure are DNA methylation, histone modifications, noncoding RNA molecules and transposon elements. Alternative gene expression plays an important role in plant development, defense against repetitive elements and fast response to stimuli from the environment. The key importance of epigenetic mechanisms is the ability of plants to adapt to stressful and life-threatening environmental factors, especially in times of climate change, which strongly interferes with the life cycle of plants. Climate change causes severe physiological stress to plants, which is why they have developed high phenotypic plasticity through epigenetic mechanisms. Epigenetic changes can be inherited in the form of epigenetic memory to daughter cells and thus maintain transcriptional states and an appropriate response to environmental changes. The issue of climate change is growing and is causing faster changes than plants are used to, so in the future natural adaptation mechanisms may not be enough for plants to survive.
Forest ecosystems, which are crucial for maintaining the natural balance, are particularly at risk.
V
KAZALO VSEBINE
1 UVOD 1
1.1 NAMEN IN POVOD DELA 1
2 EPIGENETIKA PRI RASTLINAH 1
2.1 OSNOVE EPIGENETSKIH MEHANIZMOV 2
2.1.1 Metilacija DNA molekule 3
2.1.2 Histonske modifikacije 6
2.1.3 Nekodirajoče RNA molekule 8
2.1.4 Transpozonski elementi 10
2.2 POMEN EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI RASTLINAH 11
3 VLOGA RASTLINSKIH EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI
PRILAGODITVI RASTLIN NA PODNEBNE SPREMEMBE 12
3.1 VPLIV PODNEBNIH SPREMEMB NA RASTLINE 12
3.2 PRILAGODITEV RASTLIN NA PODNEBNE SPREMEMBE 13
3.2.1 Fenotipska plastičnost in epigenetski spomin rastlin 13 3.2.2 Odziv epigenetskih mehanizmov na okoljske spremembe 14 3.2.3 Soočanje z najhujšimi posledicami podnebnih sprememb 15
3.2.4 Stanje v gozdnih ekosistemih 16
4 ZNANSTVENI IZZIVI NA PODROČJU PREUČEVANJA VPLIVA
PODNEBNIH SPREMEMB NA RASTLINE 17
5 ZAKLJUČEK 18
6 VIRI 18
ZAHVALA
Str.
KLJUČNA DOKUMENTACIJSKA INFORMACIJA III
KEY WORDS DOCUMENTATION IV
KAZALO VSEBINE V KAZALO SLIK VI
VI
KAZALO SLIK
Str.
Slika 1: Shematska primerjava genetskih in epigenetskih sprememb
v rastlinski tkivni kulturi (Smulders in Klerk, 2010) 2
Slika 2: Osnovni prikaz glavnih epigenetskih mehanizmov v rastlinah
(Tarhan in Tugut-Kara, 2016) 3
Slika 3: Prikaz delovanja in odvisnosti de novo metilacije, vzdrževanja
metilacije in demetilacije DNA molekule v rastlinah (Zhang in sod., 2018) 6 Slika 4: Podrobnejši prikaz delovanja glavnih epigenetskih mehanizmov
v rastlinah in njihove medsebojne povezanosti (Fedoroff, 2012) 8 Slika 5: Shematski prikaz de novo metilacije DNA molekule prek RNA
usmerjene metilacije DNA (Fujimoto in sod., 2018) 10
Slika 6: Shematski model epigenetske regulacije, fenotipske plastičnosti in
epigenetskega spomina v apikalnem meristemu poganjkov (Sow in sod., 2018) 14
1 1 UVOD
Epigenetika, novejše področje molekularne biologije, preučuje dedne spremembe na nivoju izražanja genov, ki nastajajo kot posledica vpliva dejavnikov okolja tekom življenja posameznega organizma, zaporedje DNA molekule pa ob tem ostaja nespremenjeno. V času pred drugo polovico prejšnjega tisočletja, ko se je pojem epigenetika dokončno uveljavil v znanosti, ni bilo potrjeno, da lahko zunanje okolje vpliva na izražanje genov v organizmih. Z razcvetom znanstvenih raziskav na področju epigenetike pa so znanstveniki ugotovili, da je številne procese v celici, kot so podvojevanje DNA molekule, transkripcija genov, diferenciacija celic, itd., poleg klasične regulacije s promotorji, induktorji, ojačevalci in represorji, mogoče uravnavati tudi s pomočjo epigenetskih mehanizmov. V zadnjih letih se težnja znanstvenikov po boljšem poznavanju le-teh vse bolj povečuje, saj nam razumevanje epigenetskega ozadja omogoča nov vpogled v mehanizem genskega izražanja, princip dedovanja genov (Tarhan in Tugut-Kara, 2016) in dojemanje fenotipskih razlikovanj med osebki (How-Kit in sod., 2017).
1.1 NAMEN IN POVOD DELA
Namen diplomskega dela je pregled obstoječe literature, ki opisuje delovanje glavnih epigenetskih mehanizmov v rastlinah in njihovo vlogo pri soočanju s podnebnimi spremembami. V nalogi se bom osredotočila na splošni sistem prilagajanja rastlin na stresne okoljske spremembe in ga podprla s primeri posameznih rastlinskih vrst. Opisala bom tudi trenutne znanstvene izzive pri raziskovanju epigenetike pri rastlinah in želji po ohranjanju rastlinskih ekosistemov s pomočjo biotehnologije.
2 EPIGENETIKA PRI RASTLINAH
Rastline so zelo primerni organizmi za preučevanje vpliva okolja na genom. V zadnjih desetletjih so se študije na tem področju sicer osredotočale predvsem na sesalce in modelne organizme,kot sorod Drosophila, določene vrstekvasovk in nematode,rastlinam pasoposvetili veliko manj pozornosti (Chapman in Carrington, 2007). S prvim sekvenciranim rastlinskim genomom vrste Arabidopsis thaliana so raziskovalci začeli prvič resnično razumevati delovanje zapletenih rastlinskih mehanizmov in vlogo rastlinskih genov, ki oblikujejo kraljestvo rastlin, kot ga poznamo (Tarhan in Tugut-Kara, 2016). Rastline so idealni organizmi za študij epigenetike, saj namesto težko razumljenega živalskega živčnega sistema uporabljajo transkripcijske nadzorne sisteme, s katerimi lahko ustvarjajo podobne epigenetske odzive kot živali. To jim omogoča močno razširjena družina transkripcijskih faktorjev v rastlinskih genomih. Raziskovalcem je prek tega rastlinskega sistema omogočen enostavnejši vpogled v metode vzpostavljanja ustreznih fenotipskih različic glede na zunanje okolje (Lane in sod., 2014). Za razliko od preostalih organizmov najdemo pri rastlinah podobne vzorce delovanja epigenetskih mehanizmov, npr. metilacije DNA molekule, kot pri ljudeh, zato postaja rastlinska genetika vse bolj zanimiva za raziskovanje tudi s tega vidika (Chapman in Carrington, 2007).
Med področjema genetike in epigenetike obstaja veliko pomembnih razlik, ki nam pomagajo pri ločevanju in razumevanju teh dveh pojmov. Genetske spremembe opišemo kot mutacije DNA zaporedja, ki se pri rastlinskih križancih dedujejo po mendelskih lastnostih. Te spremembe so lahko npr. točkovne mutacije, insercije transpozonskih in drugih ponavljajočih se elementov, aneuploidija ter poliploidija, ki je še posebej razširjen pojav pri rastlinah. Pri mladih rastlinah,
2
vegetativno pridobljenih v rastlinskih tkivnih kulturah, lahko pogosto opazimo večja genotipska in posledično fenotipska odstopanja od starševskih rastlin, kot bi pričakovali pri klonskem razmnoževanju (Smulders in Klerk, 2010). Vzrok za to so lahko genetske spremembe, za katere načeloma velja, da se naključno pojavljajo v genomih posamičnih organizmov, je pa mogoče opaziti tudi pojave identičnih genetskih sprememb pri mnogih rastlinah hkrati. To se lahko zgodi v primeru, da se je mutacija pojavila že v zgodnjem obdobju tkivne kulture in se klonsko namnožila v številne potomce (Brettell in Dennis, 1991). Razlog za odmik od pričakovane identičnosti starševskih rastlin in njihovih potomcev pa lahko poleg genetskih sprememb predstavljajo tudi dolgotrajne spremembe v izražanju genov, ki jih označimo kot epigenetske spremembe (Smulders in Klerk, 2010). Ker so le te odvisne od okoljskih dejavnikov, se v populaciji rastlin, vzgojenih pri enakih okoljskih pogojih, epigenetski odklon določene lastnosti od starševskih rastlin pojavlja v visoki frekvenci. Poleg tega velja tudi, da se lahko v ločenem poskusu s ponovno vzpostavitvijo identičnih pogojev gojenja rastlin doseže enake epigenetske spremembe (Smulders in sod., 1995). Pogosto govorimo o epigenetskih spremembah kot o dolgotrajnih spremembah, ki se prenašajo na potomce med spolnim razmnoževanjem, a ni vedno temu tako. Mnogokrat se namreč takšne spremembe pojavijo zgolj v začasni obliki, rastlinam pa je tako omogočena ponovna vzpostavitev svojega prvotnega fenotipa (Brettell in Dennis, 1991). Takšne epigenetske spremembe lahko shematsko predstavimo s spodnjo sliko (slika 1) in jih primerjamo z genetskimi spremembami, ki se ohranjajo tekom poteka različnih procesov v tkivni kulturi (Smulders in Klerk, 2010).
Slika 1: Shematska primerjava genetskih sprememb ob mutagenezi in epigenetskih sprememb ob okoljskem stresu v rastlinski tkivni kulturi skozi čas (prirejeno po Smulders in Klerk, 2010).
2.1 OSNOVE EPIGENETSKIH MEHANIZMOV
Epigenetska regulacija je v naravnih celičnih sistemih lahko dosežena z različnimi epigenetskimi mehanizmi, vsak izmed njih pa vpliva na gensko izražanje na svoj specifičen način (Tarhan in Tugut-Kara, 2016). Epigenetski mehanizmi ne povzročajo sprememb v zaporedju DNA molekule in tako ne vplivajo na kodirajoče DNA sekvence, lahko pa sprožijo
3
določene spremembe njene kemijske sestave, kar poznamo tudi pod imenom epimutacije.
Število epimutacij v celicah se povečuje s staranjem organizma, saj je izpostavljenost dejavnikom okolja, ki vplivajo na spremembe, vse daljša. Pod dejavnike okolja, ki vplivajo na kemijsko spremembo DNA molekule, spadajo med drugim vnos hrane in drugih substanc v telo, količina in način gibanja organizma ter izpostavljenost kemikalijem in nevarnim snovem (NIH, 2021). Posledica epimutacij je značilno vklapljanje in izklapljanje prepisovanja določenih genov, kar omogoča alternativno izražanje genov ob enakem genskem zapisu na DNA molekuli.
Poleg nadzora izražanja genov zagotavljajo epigenetski mehanizmi splošno varnost in stabilnost genoma, saj uravnavajo tudi nekodirajoče sekvence DNA molekule in z utišanji določenih regij genoma prek izklapljanja genov omogočajo pravilno delovanje celičnih struktur (Tarhan in Tugut-Kara, 2016).
Epigenetski mehanizmi temeljijo na mnogih zapletenih molekulskih interakcijah, zato še vedno niso do potankosti preučeni. Znano je, da epimutacije nastanejo pretežno s kovalentnimi modifikacijami DNA molekule in histonov ter posledično kromatina, najpogosteje prek procesa metilacije (Calarco in sod., 2012). Posledicam teh mehanizmov se lahko priključijo tudi spremembe bolj prikritih epigenetskih regulatorjev, kot so npr. male RNA molekule in transpozonski elementi. Vsi ti epigenetski mehanizmi so prisotni tudi v rastlinah in imajo svoje značilno ozadje delovanja in način uravnavanja transkripcijskega in posttranskripcijskega genskega izražanja. Osnovni prikaz delovanja glavnih epigenetskih mehanizmov je prikazan na spodnji sliki (slika 2). Za boljše razumevanje ozadja epigentskega delovanja pa bomo morali poseči po multidisciplinarnih pristopih, kot so genetika, genomika, biokemija in bioinformatika (Tarhan in Tugut-Kara, 2016).
Slika 2: Osnovni prikaz glavnih epigenetskih mehanizmov v rastlinah (prirejeno po Tarhan in Tugut-Kara, 2016).
2.1.1 Metilacija DNA molekule
Metilacija DNA molekule predstavlja enega izmed najpomembnejših epigenetskih mehanizmov.
Gre za biološki proces dodajanja metilne skupine na DNA molekulo. Pri evkariontih poteka v glavnem na dušikovi bazi citozinu, ki po poteku metilacije postane metilcitozin (How-Kit in
4
sod., 2017). Natančneje, en ogljikov atom in trije vodikovi atomi, ki sestavljajo metilno skupino, se vežejo na ogljik na petem položaju citozinskega pirimidinskega obroča (Jullien in Berger, 2010). Metilacija sesalskih genomov, vključno s človeškim, se najpogosteje pojavlja pri CG nukleotidnih zaporedjih, združenih v CpG otočke, so pa tudi citozini v drugih sekvencah lahko metilirani (How-Kit in sod., 2017). Rastlinski genomi, kjer se CpG otočki večinoma ne pojavljajo, pa dopuščajo priključek metilne skupine pri treh različicah nukleotidnih zaporedij:
CG, CNG in asimetričnemu CNN zaporedju, pri čemer nukleotid N lahko predstavlja adenin, timin ali citozin (Jullien in Berger, 2010). Rastlinske vrste se med seboj razlikujejo po velikosti in kompleksnosti genoma, kar poleg tipa metilacije (na mestu CG, CNG ali CNN) vpliva na število in porazdelitev metilcitozinov v dednem zapisu določene rastline. Povprečno gledano se metilacija v rastlinah večinoma pojavlja pri CG nukleotidnih zaporedjih in manj na mestih CNG ter CNN (How-Kit in sod., 2017).
Posledica metilacije DNA molekule je kovalentna modifikacija dušikovih baz ob nespremenjenem zaporedju DNA molekule. Kovalentne spremembe DNA molekule so bile sicer odkrite že med zgodnjimi genetskimi preučevanji, dolgo časa pa se ni vedelo, da lahko metilirane baze uravnavajo transkripcijo genov (Griffith in Mahler, 1969). Metilacija DNA molekule omogoča stabilno preureditev strukture kromatina, ki se lahko prek tvorbe epigenetskega spomina ohranja skozi celične delitve in prenese na nove celične generacije.
Pogosto lahko torej epimutacije starševskih celic opazimo tudi pri njihovih hčerinskih celicah (Köhler in Springer, 2017). To medgeneracijsko dedovanje metilacijskih vzorcev se ne pojavlja zgolj v kontrolnih eksperimentalnih pogojih, temveč tudi v naravi (Cubas in sod., 1999). Poleg pomembne vloge pri uravnavanju genskega izražanja z dodajanjem metilnih skupin na primerne tarče, metilacija DNA molekule nadzoruje tudi druge epigenetske mehanizme, in sicer na način, da je njihovo delovanje optimalno (Chen in sod., 2010). Za normalno in nemoteno delovanje genoma je med drugim zelo pomembna DNA metilacija v ponavljajočih se sekvencah, npr.
transpozonskih elementih, saj zavira transkripcijo teh tujih parazitskih DNA sekvenc (Miura in sod., 2001).
V rastlinah je raven izražanja genov pogosto nadzorovana z metilacijo njihovih promotorjev in se večinoma pojavlja pri CG nukleotidnih zaporedjih. V splošnem velja, da imajo geni z metiliranimi promotorji nižjo raven izražanja. Izid metilacije DNA molekule je torej v glavnem transkripcijsko utišanje. Rezultati raziskave iz leta 1981 potrjujejo, da vsebujejo utišani geni bistveno več metiliranih citozinov v svojih promotorskih regijah v primerjavi z geni, ki se aktivno prepisujejo (Naveh-Many in Howard Cedar, 1981). Dodatna raziskava metilacije citozina v promotorskih regijah iz leta 1988 je pokazala, da lahko ta mehanizem onemogoči izražanje genov tako, da prepreči vezavo specifičnih transkripcijskih faktorjev, ki so potrebni za učinkovito transkripcijo, na njihovo vezavno mesto. Metilacija citozinov v vezavnem mestu je močno zavirala izražanje gena, medtem ko metilacija izven tega mesta ni imela vpliva na prepis (Watt in Molloy, 1988). Poleg tega lahko metilacija nekaterih genskih promotorjev zavre gensko izražanje tudi z blokiranjem iniciacije transkripcije, ki je prvi korak v poteku prepisovanja gena in vključuje umestitev RNA polimeraze II na promotor. Metilacija povzroči, da se na DNA molekulo vežejo proteini, ki vežejo metilcitozin, npr. kryptonite (KYP), metiltransferaza, histon H3 lizin 9 (H3K9) in drugi, ter tako prepreči dostop RNA polimerazi II do iniciacijskega mesta promotorske regije. Gen se torej ne more prepisati in je s tem utišan (Woo in sod., 2008).
Posamezne rastlinske vrste imajo tipične epigenetske vzorce, ki jih nekoliko ločijo od ostalih.
Nekatere vrste imajo tako lahko več metiliranih genov, več transpozonskih elementov v genomu
5
ali drugačen prevladujoč tip metilacije DNA zaporedij (na mestu CG, CNG ali CNN). Poleg tega pa so tudi v eni rastlini za posamezne gene, podvržene metilaciji, značilni tkivno specifični vzorci izražanja, kar pomeni, da je metilacijski vzorec določenega gena specifičen za pripadajoče tkivo (How-Kit in sod., 2017). To lahko pojasnijo t.i. diferencialno metilirane regije (DMR), genomske regije z različnimi DNA metilacijskimi vzorci, ki se pojavljajo v različnih tkivih/celicah istega organizma ali pa v isti celici ob različnih časih (Rakyan in sod., 2008). Za različne celične tipe so tako značilni drugačni profili DNA metilacije oziroma metilomi (How- Kit in sod., 2017).
Metilacija citozinov poteka med podvajanjem DNA molekule prek encimskega kompleksa DNA metiltransferaz, ki na novo sintetiziranih verigah DNA molekule katalizirajo reakcijo dodajanja metilne skupine na peti ogljik v strukturi citozina. Donor metilne skupine je S-adenozil-L- metionin (Morales-Ruiz in sod., 2006). Obstaja več tipov metiltransferaz, ki ciljajo na različna metilacijska mesta in so odvisne od celičnega tipa in stanja celičnega razvoja. Nekatere izmed metiltransferaz katalizirajo de novo metilacijo DNA molekule, ostale pa so namenjene predvsem vzdrževanju oz. dedovanju metilirane DNA molekule skozi mitotske in mejotske delitve (Du in sod., 2015). De novo metilacija rastlinske DNA molekule je pri CG, CNG in CNN nukleotidnem zaporedju vzpostavljena z rastlinskima metiltransferazama DRM1 in DRM2 (Jullien in Berger, 2010), ki sta sorodni sesalski metiltransferazi DNMT3 in sodelujeta tudi pri vzdrževanju metilacije. Metiltransferaze se razlikujejo med seboj tudi po tem, na kakšen način dosežejo mesto svoje tarče. Lahko so neposredno usmerjene na tarčno DNA zaporedje, ali pa izkoriščajo delovanje drugih procesov, kot je na primer RNA interferenca (RNAi) med potekom RNA usmerjene metilacije DNA (RdDM). Na mesto delovanja pa jih lahko vodijo tudi interakcije z drugimi DNA vezavnimi proteini (Klose in Bird, 2006). Poleg tega metiltransferaze ne uspejo metilirati vseh svojih specifičnih tarčnih zaporedij, saj obstajajo posebni proteinski regulatorji, katerih naloga je obvarovati pomembna delujoča mesta pred metilacijo in tako obdržati njihovo aktivnost. Eden izmed znanih regulatorjev je protein IBM1 s proteinsko domeno jmjC, ki ima zmožnost omejevanja nivoja metilacije v genih (Miura in sod., 2009). V proces metilacije DNA molekule so lahko poleg metiltransferaz vključeni tudi faktorji preoblikovanja kromatina, npr.
DDM1, ki je pomemben predvsem za metilacijo ponavljajočih se sekvenc, med katere spadajo tudi transpozonski elementi (Jullien in Berger, 2010).
Vzdrževanje metilacije DNA molekule je pomemben proces, saj omogoča, da se vzpostavljeni vzorci metilacije ohranjajo po podvojitvi DNA molekule. Mehanizmov vzdrževanja metilacije je več in so vrstno specifični (Du in sod., 2015). Za ohranjanje metilacije na rastlinskih CG nukleotidnih zaporedjih v glavnem poskrbi vzdrževalna metiltransferaza 1 (MET1), ki je homolog sesalski DNA metiltransferazi 1 (DNMT1) (Kankel in sod., 2003, cit. po Tarhan in Tugut-Kara, 2016). Met1 mutanti z izničeno funkcijo ohranjanja metilacije na CG zaporedjih imajo ta mesta po celem genomu pomanjkljivo metilirana, čemur sledi neustrezno izražanje njihovih genov in neučinkovito uravnavanje delovanja transpozonov (Jullien in Berger, 2010).
Na rastlinskih CNG nukleotidnih zaporedjih izvaja vzdrževanje metilacije rastlinsko specifična DNA metiltransferaza z imenom kromometilaza 3 (CMT3) (Jackson in sod., 2002, cit. po Tarhan in Tugut-Kara, 2016). DRM1 in DRM2 pa v sodelovanju z rastlinsko specifično kromometilazo 2 (CMT2) in majhnimi interferirajočimi RNA (siRNA) v procesu RdDM vzdržujeta metilacijo rastlinske DNA molekule na CNN nukleotidnih genomskih in tudi transpozonskih zaporedjih (Zhang, 2008).
6
Kljub temu da velja metilacija DNA molekule za stabilen proces, se lahko ob določenih pogojih vzorec metilacije spremeni ali celo izbriše z DNA molekule na lokalnem ali globalnem nivoju.
Če gre za izbris, temu dogodku rečemo demetilacija DNA molekule. Dva glavna vzroka za demetilacijo sta potek celične diferenciacije med razvojem in sprememba okoljskih razmer, na katero se celice lahko odzovejo s preoblikovanjem metilacijskih vzorcev. V tem primeru je to pasivna demetilacija, saj nastane zaradi neaktivnosti vzdrževalnih metiltransferaz med podvajanjem DNA molekule. Poznamo tudi pojem aktivna demetilacija DNA molekule, ki vključuje aktivno sodelovanje mnogih procesov v celicah in privede do specifične odstranitve metiliranih citozinov (How-Kit in sod., 2017). Pri aktivni demetilaciji sodelujejo DNA popravljalni mehanizmi, kemijske pretvorbe citozinov (Tahiliani in sod., 2009), procesi deaminacije (Bhutani in sod., 2010) in mehanizmi, ki sodelujejo pri podaljševanju DNA molekule med njenim podvojevanjem (Okada in sod., 2010). Pomembni so encimi metilcitozin DNA glikozilaze/liaze, npr. DEMETER (DME), ki v povezavi z DNA demetilazo, imenovano zaviralec utišanja ROS1, izreže metiliran citozin (Morales-Ruiz in sod., 2006) in s tem ustvari vrzel, ki se prek popravljalnega mehanizma popravljanja enojne vrzeli (SSGR) zapolni z običajno obliko citozina (Gehring in sod., 2006). De novo metilacija, vzdrževanje metilacije in demetilacija DNA molekule (Slika 3) so pomembni, med seboj povezani in drug od drugega odvisni mehanizmi, zato je izrednega pomena, da vsi delujejo brezhibno in posledično poskrbijo za optimalno uravnavanje genskega izražanja.
Slika 3: Prikaz delovanja in odvisnosti de novo metilacije DNA molekule, vzdrževanja metilacije pri CG, CNG in CNN nukleotidnih zaporedjih z metiltransferazami in demetilacije v rastlinah (prirejeno po Zhang in sod., 2018).
2.1.2 Histonske modifikacije
Delovanje večine osnovnih epigenetskih mehanizmov temelji na preoblikovanju kromatinske strukture v jedru celice, kar je neposredno povezano s spremembami v zgradbi histonskih proteinov. Histoni so temeljna sestavina kromatina, saj sestavljajo njegovo osnovno enoto, imenovano nukleosom. Nukleosom predstavlja oktamer histonov, okoli katerih je gosto navita DNA molekula, ki se na ta način pakira v močno kondenzirano kromatinsko obliko. Vsak oktamer histonov je sestavljen iz dveh kopij vsakega izmed štirih glavnih tipov histonskih proteinov; H2A, H2B, H3 in H4 (Kornberg, 1974). Nukleosom predstavlja oviro za regulatorne dejavnike, ki nimajo dostopa do DNA zaporedja, zato je transkripcija genov v taki obliki onemogočena. Z določenimi modifikacijami histonov lahko postane DNA molekula ponovno dovzetna za proces prepisovanja (Kouzarides, 2007, cit. po Tarhan in Tugut-Kara, 2016).
7
Histonske modifikacije običajno predstavljajo kovalentne vezave kemijskih spojin na amino terminalni konec histonov med potekom histonskih posttranslacijskih procesov (Ahmad in sod., 2010). V te procese so vključene kemijske reakcije, kot so metilacija, acetilacija, ubikvitinacija, fosforilacija, ribozilacija, sumoilacija in biotinilacija (Kouzarides, 2007, cit. po Tarhan in Tugut- Kara, 2016). Omenjene kemijske reakcije pa ne bi mogle potekati brez specifičnih encimov, ki katalizirajo dodajanje ali odvzemanje spojin na oziroma s serinskih, lizinskih in argininskih ostankov histonskih repov. Encimi lahko svoja specifična tarčna zaporedja poiščejo neposredno ali pa s pomočjo drugih molekul. Pod pomembne encime spadajo histonske acetiltransferaze (HAT) in histonske demetilaze. Obe skupini encimov pogosto vplivata na lizinske ostanke (Marmorstein in Trievel, 2009). Pogoste so tudi kromatinske preoblikovalne ATPaze, ki za katalizo spremembe sestave kromatina in razporejenosti nukleosomov porabljajo energijo, pridobljeno s hidrolizo molekule adenozin trifosfat (ATP). Delovanje teh encimov omogoča vezavo aktivatorjev oziroma inhibitorjev na DNA zaporedje. Med najpogostejše histonske modifikacije spadata H3 acetilacija lizina in H3 metilacija lizina, saj so aminokisline (predvsem aminokislina lizin) na peptidnih repih, štrlečih iz histona H3 (in H4), bolj dovzetne za spremembe kot preostale aminokisline (Vaillant in Paszkowski, 2007).
Posttranslacijske modifikacije histonov povzročijo spremenjeno organiziranost in aktivnost kromatina. Biološki odziv teh sprememb je vpliv na uravnavanje genskega izražanja (Marmorstein in Trievel, 2009). Metilacija histonskih repov je ponavadi povezana s transkripcijskim utišanjem, lahko pa povzroči tudi aktivacijo izražanja genov. Situacija je odvisna od tega, za katero metilirano aminokislino gre, poleg tega pa lahko na to vpliva tudi stopnja metilacije (ali gre za mono-, di- ali trimetilacijo) (Sims in sod., 2003). Zmanjšano gensko izražanje je v glavnem povzročeno z dimetilacijo lizina na 9. mestu histona H3 (H3K9) in lizina na 27. mestu histona H3 (H3K27). V splošnem tudi procesa biotinilacije in sumoilacije povzročata utišanje genov, medtem ko procesi acetilacije, fosforilacije in ubikvitinacije histonov privedejo do povečanega genskega izražanja. Pomembno se zdi poudariti tudi, da delimo strukturo kromatina na transkripcijsko aktiven evkromatin in transkripcijsko neaktiven heterokromatin. Ta delitev omogoča uravnavanje transkripcije genov in je povezana s histonskimi modifikacijami (Vaillant in Paszkowski, 2007). Pri rastlinah je oblikovanje utišanega heterokromatina povezano s hipermetilacijo DNA molekule in specifično metilacijo lizina na histonu H3 (Sims in sod., 2003).
Medsebojne interakcije različnih histonskih modifikacij so bile v znanstvenih preučevanjih že mnogokrat opažene. Poleg tega je znano tudi, da lahko histonske modifikacije vzpostavljajo povezave z drugimi oblikami epigenetskih mehanizmov, npr. z metilacijo DNA molekule in RdDM (Slika 4), ter se na ta način krepijo. Povezave so pri rastlinah pogosto povezane z utišanjem genskega izražanja. Histoni so sicer bolj nagnjeni k modifikacijam kot sama DNA molekula, je pa zato DNA metilacija bolj stabilna in odporna na morebitne nove spremembe (Chen in sod., 2010). V nasprotju z metilacijo DNA molekule je pri histonskih modifikacijah nejasno, ali in kako se le te ohranjajo v pravilni obliki ob celičnih delitvah (Tarhan in Tugut- Kara, 2016).
8
Slika 4: Podrobnejši prikaz delovanja glavnih epigenetskih mehanizmov v rastlinah; metilacije DNA molekule, histonskih modifikacij in vpliva RNA molekul, ter njihove medsebojne povezanosti (prirejeno po Fedoroff, 2012).
Medtem ko ohranjanje DNA metilacijskih vzorcev v CG nukleotidnih zaporedjih predstavlja stabilne dedne preureditve genoma, spremembe konformacije kromatina in metilacije DNA molekule izven CG sekvenc omogočajo prilagodljivost uravnavanja izražanja genov. Le-ta je ključnega pomena pri diferenciaciji celic med razvojem rastlin, ustvarjanju prilagoditvenih odzivov na okolje in rastlinskih obrambnih mehanizmih (Vaillant in Paszkowski, 2007).
Kromatinska preureditev vpliva na izražanje genov tako pri aktivno delečih se nediferenciranih celicah kot tudi pri tistih, ki so že diferencirane (Jarillo in sod., 2009).
2.1.3 Nekodirajoče RNA molekule
Nekodirajoče RNA molekule (ncRNA) so obsežna heterologna skupina molekul, ki spadajo v družino RNA molekul in so v celicah zastopane v velikem številu. Za razliko od kodirajoče obveščevalne RNA molekule (mRNA), katere naloga je sinteza celičnih proteinov prek transkripcije genskega zapisa na DNA molekuli, ncRNA molekule ne kodirajo proteinov.
Poznamo veliko različnih ncRNA molekul, ki imajo v celicah druge, med seboj zelo različne vloge (Rinn in Chang, 2012). Mnoge izmed njih delujejo kot nadzorni sistemi v celicah, saj s svojimi signali sodelujejo pri uravnavanju izražanja genov na pred- in posttranskripcijski ravni (Holoch in Moazed, 2015). Znano je, da so nekatere izmed ncRNA molekul zmožne posttranskripcijskega utišanja genov prek usmerjanja mRNA molekule v propad (Sunkar in sod., 2007). S svojo aktivnostjo lahko ncRNA molekule utišajo velike dele kromosomov, povzročajo spremembe v strukturi kromatina in vplivajo na jedrno arhitekturo (Mattick in sod., 2009), sodelujejo pa tudi pri zagotavljanju stabilnosti genoma ter obrambi pred tujimi genetskimi elementi (Holoch in Moazed, 2015).
Med ncRNA molekule spadajo med drugim tudi male RNA molekule (sncRNA), ki so sposobne zaustavitve genskega izražanja v interakciji z drugimi RNA ali DNA molekulami in proteinskimi kompleksi. Epigenetsko utišanje je posledica preoblikovanja samih ncRNA
9
molekul in strukture kromatina, kar vodi v stabilne spremembe v izražanju genov. Te preureditve omogoča biološki proces RNA interferenca (RNAi), ki vključuje sodelovanje sncRNA molekul, Argonaut proteinov in drugih RNA molekul. Argonaut proteini spadajo v družino proteinov, ki se vežejo na sncRNA molekule in vodijo nastali kompleks do drugih komplementarnih RNA molekul, katere prepoznajo na osnovi interakcij baznih parov. Posledica vseh teh vezav je priklic histonskih oziroma DNA metiltransferaz, ki metilirajo histone oziroma DNA molekulo. S tem je doseženo zaviranje transkripcije določenih genov. Ne samo da sncRNA molekule zaznajo in utišajo prepis določenih genov, zmožne so tudi pomnjenja teh epigenetskih sprememb. Spomin na pretekle spremembe se ohranja prek pozitivnih povratnih zank s signali na osnovi kromatina (Holoch in Moazed, 2015) in se lahko prenaša med celicami in celo organskimi sistemi prek več generacij (Mattick in sod., 2009).
Ene izmed pomembnih ncRNA molekul so tudi dolge nekodirajoče RNA molekule (lncRNA).
Prav tako kot sncRNA, tudi ta skupina molekul ustvarja stabilne spremembe v genskem izražanju tako, da vpliva na strukturo kromatina s priklicem molekul, ki ta postopek omogočajo (Holoch in Moazed, 2015). Glavna razlika med lncRNA in sncRNA molekulami je ta, da lahko lncRNA molekule izvedejo epigenetske spremembe brez sodelovanja preostalih RNA molekul.
RNA interferenca ob odsotnosti sncRNA molekul ni mogoča, zato morajo imeti lncRNA molekule na voljo svoje signale za priklic kompleksov, ki nato preoblikujejo kromatin (Rinn in Chang, 2012). Tudi lncRNA molekule omogočajo ohranjanje trajnega spomina na epigenetske spremembe (Holoch in Moazed, 2015).
RNA usmerjena metilacija DNA, omenjena že pri opisu metilacije DNA molekule kot mehanizem, ki uporablja siRNA molekule za vodenje metiltransferaz do citozinov, ne bi mogla teči brez prisotnosti ncRNA. RdDM je proces, ki velja za enega izmed najpomembnejših kontrolnih sistemov genske aktivacije ali inhibicije. RdDM usmerja encime metiltransferaze do specifičnih tarčnih zaporedij v genomu in s tem omogoča potek metilacije DNA molekule (Klose in Bird, 2006). Poleg regulacije izražanja genov omogoča RdDM prek delovanja sncRNA tudi potek tvorbe heterokromatina in metiliranja virusov, transpozonov ter drugih škodljivih ponavljajočih se elementov, kar zavira njihovo aktivnost. (Wierzbicki in sod., 2009).
RdDM proces je bil prvič zaznan pri rastlini tobaku, ki je bil okužen z viroidi (Wassenegger in sod., 1994). Za delovanje RdDM poti so ključnega pomena encimi RNA polimeraze. Za vse evkarionte so značilne RNA polimeraze I, II in III (Pol I, Pol II, Pol III), medtem ko sta RNA polimerazi IV in V (Pol IV in Pol V) prisotni zgolj pri rastlinah. Pol IV in V sta nepogrešljivi pri ustreznem delovanju RdDM, saj sodelujeta pri siRNA mehanizmu utišanja genov, prikazanem na spodnji sliki (Slika 5) (Onodera in sod., 2005). Pol IV v sodelovanju z od RNA odvisno RNA polimerazo (RDR2) omogoča specifičnim enoverižnim RNA molekulam (ssRNA), da tvorijo dvoverižno RNA molekulo (dsRNA). Izgrajena dsRNA se nato prek Dicer-like 3 proteina (DCL3) razcepi v več siRNA molekul, ki prav tako spadajo med dvoverižne RNA molekule z običajnimi dolžinami med 20 in 24 baznih parov (Henderson in Jacobsen, 2007). V RdDM je vpletena tudi Pol V, ki z oblikovanjem nekodirajočih transkriptov na mestih, utišanih s siRNA, usmerja protein Argonaut 4 (AGO4) do tarčnega mesta na kromatinskem kompleksu. AGO4, ki obsega tudi RNA-induciran utiševalni kompleks (RISC), se namreč veže na eno izmed na novo ustvarjenih siRNA molekul in na ta način prispe do ustreznega položaja v genomu. Celotni kompleks z AGO4, siRNA, Pol V in dodatnimi specifičnimi transkripcijskimi faktorji pripomore k metilaciji DNA zaporedja tako, da usmeri metiltransferazo, npr. DRM2, na pravilno mesto metilacije. Encim nato de novo metilira DNA sekvenco, ki je komplementarna siRNA zaporedju, in s tem utiša tuj genski material (Wierzbicki in sod., 2009).
10
Slika 5: Shematski prikaz de novo metilacije DNA molekule prek RNA usmerjene metilacije DNA, ki vključuje sodelovanje siRNA molekul, RNA polimeraze Pol IV, RNA polimeraze Pol V, od RNA odvisne RNA polimeraze RDR2, proteina DCL3, proteina AGO4, metiltransferaze DRM2 in sekvence DNA molekule (prirejeno po Fujimoto in sod., 2018).
2.1.4 Transpozonski elementi
V rastlinah sodijo transpozonski elementi med najpogostejše epigenetske mehanizme (Calarco in sod., 2012). Transpozoni so gibljivi, podvajajoči se segmenti molekule DNA, ki se lahko kot rastlinski mutageni aktivno vstavljajo v genome svojih gostiteljev (Tanurdzic in sod., 2008, cit.
po Smulders in Klerk, 2010). Svetovno množično sekvenciranje evkariontskih genomov kaže na to, da transpozoni in drugi ponavljajoči se elementi predstavljajo velik sestavni del genomov rastlin in vretenčarjev (Miura in sod., 2001). Znani so po tem, da lahko spreminjajo svojo lokacijo v genomu in s tem v njem ustvarjajo številne spremembe (Tarhan in Tugut-Kara, 2016).
Najpogosteje gre za velike insercije, delecije in druge kromosomske preureditve, ki potencialno zmanjšujejo stabilnost genomov, pod določenimi stresnimi pogoji pa lahko aktivacija transpozonov pomeni prednost in boljši potencial preživetja (Köhler in Springer, 2017).
Vstavljanje aktivnih transpozonov v kodirajoče regije genoma skupaj z njihovimi premiki namreč moti naravno delovanje genoma in spremeni normalno gensko izražanje v bližnjih genomskih regijah (Suzuki in Bird, 2008). Transpozoni tako delujejo kot regulatorne regije in epigenetski mehanizmi v genomu ter vplivajo na samo kodiranje proteinov (Tarhan in Tugut- Kara, 2016).
Učinki polimorfizmov, ki jih povzročijo transpozonski elementi, so večinoma škodljivi, zato so evkariontski organizmi razvili mehanizme za utišanje delovanja transpozonov in preprečevanje menjavanja njihove pozicije v genomu (Suzuki in Bird, 2008). Za najboljšo zaščito se je izkazala DNA metilacija transpozonskih citozinov, zato je velika večina transpozonov močno metiliranih (Köhler in Springer, 2017). Rastline iz rodu Arabidopsis imajo močno metilirana tako CG zaporedja v genomu kot tudi ostale citozinske ostanke (Miura in sod., 2009).
Transpozonski elementi in druge ponavljajoče se sekvence so pravzaprav glavna tarča mehanizma epigenetske metilacije DNA, zato znanstveniki domnevajo, da se je le-ta najverjetneje razvila prav z namenom utišanja transpozonov. Poleg metilacije DNA k zaviranju transpozonskega delovanja prispeva tudi epigenetski mehanizem RNA interferenca in posledično zagotavlja stabilnost rastlinskega genoma (Suzuki in Bird, 2008).
11
2.2 POMEN EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI RASTLINAH
Epigenetski mehanizmi igrajo pomembno vlogo pri razvoju rastlin, saj z uravnavanjem izražanja genov nadzorujejo mnoge parametre, med drugim tudi zorenje plodov, razvoj organov in semen, čas cvetenja ter spol cvetov. Med razvojem rastline so geni v nekaterih tkivih metilirani in s tem izklopljeni, drugi pa demetilirani in aktivni (How-Kit in sod., 2017). Epigenetske spremembe pa se ne dogajajo zgolj v fazi embrijev, kot je to značilno za živali, temveč tudi med kasnejšimi razvojnimi fazami (Jarillo in sod., 2009), kot sta na primer organogeneza in cvetenje (Henderson in Jacobsen, 2007). Poleg tega omogoča epigenetska regulacija tudi celično reprogramiranje (Egli in sod., 2008) in ohranjanje spomina na razvojni program (Roudier in sod., 2009).
Epigenetski mehanizmi imajo prav tako velik pomen pri uravnavanju utišanja in izražanja nekodirajočih sekvenc (Dupont in sod., 2009), s čimer zagotavljajo genomsko stabilnost, ob tem pa predstavljajo tudi obrambo pred ponavljajočimi se elementi, virusi in viroidi (Chapman in Carrington, 2007). Z izkoriščanjem mehanizma utišanja prek malih RNA molekul lahko rastline preprečijo prevlado patogenih elementov genoma (Chen in sod., 2010).
Znano je, da se epimutacije, ki nastanejo tekom življenja rastline zaradi odziva celic na spremembe v okolju, pogosto prenesejo na njene potomce. Dedovanje preoblikovanega genskega materiala omogoča naslednjim generacijam, ki se razvijejo v enaki oziroma podobni okoljski niši kot starševske rastline, večjo verjetnost preživetja v tem spremenjenem okolju (Köhler in Springer, 2017). Epigenetsko dedovanje je pri rastlinah bolj razširjeno kot pri živalskih sesalcih. Eden izmed razlogov za to je, da sesalci z reprogramiranjem zarodnih linij odstranijo pridobljene epigenetske spremembe iz svojega genskega zapisa, pri rastlinah pa do tega koraka v razvoju ne pride. Za razliko od sesalcev rastlinski embriji ohranjajo CG in CNG metilacijo DNA molekule ter pridobljeno spremenjeno strukturo kromatina (Calarco in sod., 2012), kljub temu da so tudi v rastlinah epigenetski vzorci lahko podvrženi reprogramiranju.
Med žensko gametogenezo naj bi namreč potekla globalna demetilacija DNA molekule, ki ji med zgodnjim razvojem zarodka sledi globalna de novo metilacija DNA molekule, odvisna od RdDM poti (Jullien in Berger, 2010). Poleg tega imajo številne rastlinske vrste sposobnost nespolnega razmnoževanja in tvorbe vegetativnih klonov. V obeh primerih se epimutacije dedujejo na potomce in omogočajo ohranjanje pomembnih pridobljenih lastnosti (Köhler in Springer, 2017).
Ključna vloga sprememb v izražanju genov, ki jih povzročijo rastlinski epigenetski mehanizmi, pa je hiter odziv na dražljaje iz okolice (Chen in sod., 2010). Kadar so ti dražljaji za rastlino življenjsko ogrožujoči, je še posebej pomembno, da se zmore z uravnavanjem izražanja svojih genov prilagoditi na te stresne dejavnike. Sposobnost oblikovanja in posredovanja primernega odziva na trenutne okoljske dejavnike je namreč pogosto odločilnega pomena za preživetje rastline, še posebej v času izrazitih podnebnih sprememb (Köhler in Springer, 2017).
12
3 VLOGA RASTLINSKIH EPIGENETSKIH MEHANIZMOV PRI PRILAGODITVI RASTLIN NA PODNEBNE SPREMEMBE
3.1 VPLIV PODNEBNIH SPREMEMB NA RASTLINE
Podnebne spremembe so začele v zadnjih nekaj desetletjih povzročati množične premike v svetovnih naravnih in človeško ustvarjenih sistemih. Mnogo kopenskih in vodnih vrst je spremenilo svoj način življenja ter območje gibanja, preoblikoval pa se je tudi njihov vzorec vedenja skupaj s strukturo selitev in sezonsko dejavnostjo. Podnebne spremembe so povzročile tudi spremembo količinskega razmerja med pripadniki različnih vrst in vplivale na medsebojno komunikacijo med vrstami. Vsa ta opažanja nam prikazujejo, da populacije spreminjajo svoj življenjski slog in se tako poskušajo čim bolje privaditi na nov bivalni prostor (IPCC, 2014, cit.
po Parmesan in Hanley, 2015). Za vsako opazovano biološko skupnost v splošnem velja, da zaznava in se primerno odziva na lokalne podnebne spremembe. Resnost globalnih okoljskih nihanj z leti vse bolj vztrajno narašča, kar pomeni, da je življenje organizmov na Zemlji vedno bolj ogroženo. Status preživetja prinaša s seboj potrebo po stalnem prilagajanju trenutnim okoljskih razmeram, za kar morajo imeti organizmi vzpostavljene hitro odzivne prilagoditvene sisteme (Parmesan in Hanley, 2015). Rastline so pogosto v osredju študij na tem področju, saj imajo njihovi odzivi velik vpliv na globalni ekosistem, prehranjevalno verigo in življenjsko pomembne procese, kot so kroženje ogljika, opraševanje, oskrba z vodo, itd. (Cleland in sod., 2007).
Rezultati rastlinskih fenoloških študij, ki vključujejo raziskovanje periodičnih življenjskih procesov pod vplivom okolja (Cleland in sod., 2007), kažejo na to, da podnebne spremembe povzročajo preoblikovanje rastlinske fiziologije in močno posegajo v življenjski cikel rastlin.
Globalna temperaturna nihanja namreč ključno vplivajo na čas razvoja rastlin, tako kot tudi npr.
fotoperiode (Bernier, 1988). Poleg tega igra podnebje pomembno vlogo pri razširjenosti rastlinskih vrst, zato klimatska nihanja vplivajo tudi na rastlinska območja poseljenosti.
Spremembe se prav tako pojavljajo pri vzpostavljanju vzajemnih povezav med posameznimi rastlinskimi vrstami (IPCC, 2014, cit. po Parmesan in Hanley, 2015). Fenološka preučevanja in pridobljeni zaključki so izrednega pomena pri dokazovanju dejstva, da so podnebne spremembe resen pojav, ki ima vse večji vpliv na življenje rastlin na svetovni ravni. Rastlinski življenjski procesi so namreč natančno usklajeni z normalnimi okoljskimi letnimi razmerami, najmanjša sezonska odstopanja pa povzročijo časovni odmik od običajnega delovanja. Takšnih odklonov in močnih sprememb rastlinske fenologije je v zadnjih letih vse več, kar predstavlja trden argument, da klimatske spremembe očitno vplivajo na rastlinske ekosisteme. Fenološke spremembe niso zanemarljive, saj so značilne za celotne rastlinske populacije na nekem območju in so lahko vidne celo na površinskih satelitskih posnetkih. Na ta način je bila na primer opažena zgodnejša spomladanska ozelenitev rastlin kot posledica naraščajoče temperature na Zemlji. Globalno segrevanje je pripeljalo do dodatne pogoste fenološke spremembe in sicer do zgodnejšega spomladanskega cvetenja nekaterih vrst (Cleland in sod., 2007). Zgodnejša ozelenitev in cvetenje sta skupaj z ostalimi spremembami fenologije po mnenju strokovnjakov eni izmed najobčutljivejših rastlinskih odzivov na segrevanje (Wolkovich in sod., 2012). Rastline se torej vidno prilagajajo na podnebne spremembe s svojimi prilagoditvenimi sistemi, v ozadju katerih bistveno vlogo predstavljajo epigenetski mehanizmi.
13
3.2 PRILAGODITEV RASTLIN NA PODNEBNE SPREMEMBE
Podnebne spremembe predstavljajo za rastline hud fiziološki stres, ki pogosto ogroža njihovo preživetje, zato se morajo znati nenehno prilagajati hitro spreminjajočim se okoljskim pogojem.
Naravno nastajajoče genetske mutacije v trenutnih razmerah ne predstavljajo dobre rešitve, saj se pojavljajo zelo redko, poleg tega pa naravna selekcija koristnih mutacij ne more poteči v tako kratkem času, ki je na voljo za prilagoditev na novo okolje. Za razliko od mutacij omogočajo epigenetske spremembe hiter odziv rastlin na svojo okolico, zato veljajo epigenetski mehanizmi za nepogrešljiv pristop k boju proti podnebnim spremembam (Becker in sod., 2011).
3.2.1 Fenotipska plastičnost in epigenetski spomin rastlin
Za razliko od živali so rastline nepremični, pogosto tudi večletni organizmi, ki se ne morejo aktivno zoperstaviti ali ubežati nenaklonjenim okoljskim pritiskom, kot so ekstremne temperature, pomanjkanje hranil, napadi patogenih organizmov in drugi. V namen spopada s takšnimi neprijetnimi dejavniki okolja so rastline s pomočjo epigenetskih mehanizmov razvile visoko fenotipsko plastičnost (Gagliano in sod., 2014), ki predstavlja sposobnost genotipa, da v različnih okoliščinah izraža drugačne specifične fenotipe, primerne za dano okolje. Prek epigenetskega spreminjanja strukture kromatina in s tem izražanja genov omogoča fenotipska plastičnost hiter odziv na agresivne okoljske dejavnike in prilagajanje nanje. S tem je pojasnjeno tudi to, da imajo lahko genetsko homogene populacije med rastjo v različnih habitatih popolnoma drugačen fenotip (Bradshaw, 2006).
Ne samo da se rastline s procesom fenotipske plastičnosti odzovejo na trenutne okoljske razmere, temveč si tudi zapomnijo svoj oblikovani odziv in ga ponovno uporabijo, če se stresni dejavnik vrne. Temu mehanizmu rečemo epigenetski spomin in omogoča edinstveno sposobnost hitrega prilagajanja spreminjajočemu se okolju. Epigenetski spomin ima lahko različen časovni razpon trajanja; od nekaj dni do nekaj tednov, ob dolgotrajni izpostavljenosti neprimernemu okolju pa se lahko spomin na pretekli stres prenese tudi na potomce in se razširi tekom novih generacij rastlin (Lämke in Bäurle, 2017). Dober primer za obstoj epigenetskega spomina predstavlja študija klonskih stebelnih potaknjencev topola, ki so uspevali v različnih habitatih z drugačno vsebnostjo fosforja, ob prenosu v skupno okolje pa so začeli izražati epigenetski spomin na svojo prvotno lokacijo. Mlade rastline so imele še iz časa doživljanja prvega okolja različno metilirane genome in količinska odstopanja ncRNA molekul v namen prilagoditve na različne fosfatne razmere. Epigenetske spremembe so privedle do individualno spremenjenih korenin potaknjencev, da so lahko najbolje izkoristile bolj ali manj dostopen fosfor. V novem življenjskem prostoru so se mladi topoli tudi metabolno obnašali tako, kot jim je najbolj ustrezalo v prejšnjem okolju, kar kaže na epigenetsko pomnjenje njihove preteklosti (Schönberger in sod., 2016). Dokumentiran je bil tudi epigenetski spomin norveških smrek, pri katerih so temperaturne spremembe in razlike v dolžini dneva med reproduktivnimi celičnimi delitvami vplivale na potomce (Johnsen in sod., 2005).
Okoljski epigenetski spomin lahko najdemo v različnih rastlinskih organih, med drugim tudi v apikalnem meristemu poganjkov (SAM), kar prikazuje spodnja shema (slika 6). SAM predstavlja mesto množičnih celičnih delitev, ki povzročajo razvoj novih poganjkov (Lafon- Placette in sod., 2012). Rastlina je sposobna zaznati različna stresna okoljska stanja, kot so vročina, mraz in pomanjkanje vode. Ko sporočilo o okoljskih razmerah prispe do SAM, povzroči dinamične spremembe v epigenomu meristemskih celic, kar posledično vpliva na
14
drugačno gensko izražanje in povzroči premike transpozonskih elementov. V manjši meri lahko pride tudi do genetskih sprememb. Ker se vse te modifikacije dogajajo v mladih delečih se meristemskih celicah, ki vplivajo na razvoj novih listov, stebel in drugih mladih rastlinskih organov, predstavlja ta mehanizem hkrati tudi učinkovit način za prenos informacij o okoljskih razmerah in s tem omogoča fenotipsko plastičnost. Rastlina je tako za kratko časovno obdobje dobro opremljena za spopadanje s trenutnim okoljskim pritiskom, poleg tega pa si lahko po koncu izpostavljenosti zapomni svoje doživljanje preteklega neprijetnega obdobja. Prek preiskav ohranjenih DMR regij iz obdobja sušnega stresa je bilo pokazano, da lahko SAM med rastlinskim zimskim mirovanjem izraža epigenetski spomin na čas vegetativne rasti, ko je rastlini primanjkovalo vode. Ta zmožnost pomnjenja omogoča rastlini večjo odpornost in hitrejšo ter učinkovitejšo prilagoditev na enake razmere v prihodnosti. Kadar je okoljski stres zelo škodljiv in dolgotrajen, pa se lahko epigenetske spremembe v meristemskih celicah prenesejo na naslednje generacije in tudi njim omogočijo lažje soočenje z morebitnimi enakimi neugodnimi dejavniki okolja (Le Gac in sod., 2018).
Slika 6: Shematski prikaz epigenetske regulacije, fenotipske plastičnosti in epigenetskega spomina v apikalnem meristemu poganjkov ob okoljskih stresnih dejavnikih, ki zahtevajo prilagoditev (prirejeno po Sow in sod., 2018).
3.2.2 Odziv epigenetskih mehanizmov na okoljske spremembe
Za najpomembnejša epigenetska mehanizma, ki pripomoreta k ustvarjanju fenotipske plastičnosti, sta se izkazala metilacija DNA molekule in modifikacija histonov. Abiotski stresni dejavniki, pod katere spadajo npr. ekstremne temperature, izpostavljenost različnim kemijskim substancam, primankljaj določenih mineralov in solni ter sušni stres, lahko povzročijo demetilacijo ali hipermetilacijo genomske DNA molekule, kar vodi do spremembe genskega izražanja. Poznan je primer tobaka, ki ima ob normalnih nestresnih pogojih kodirajočo regijo proteinskega gena NtGPDL močno metilirano in s tem zavrto izražanje gena. Ob izpostavitvi tobaka nizkim temperaturam, aluminiju in povečani slanosti pa se zgodi demetilacija gena NtGPDL, kar omogoči njegov aktivni prepis v protein glicerofosfodiester fosfodiesterazo, ki igra katalitično vlogo pri presnovi glicerola in lipidov (Choi in Sano, 2007). Podoben primer predstavljajo nekdanje študije populacij hrasta v južni Kaliforniji, ki so pokazale, da ima preoblikovanje metilacije DNA molekule velik prilagoditveni potencial na dano okolje. Največji učinek ima metilacija v CpG genomskih regijah, najverjetneje zato, ker so le-te tesno povezane s kodirajočimi regijami, podvrženimi selekciji (Platt in sod., 2015).
15
Reverzibilne histonske modifikacije prav tako predstavljajo pomemben odziv na stresno okolje.
Pri višjih rastlinah sta pri tem pomembna predvsem procesa metilacije in acetilacije (Qiao in Fan, 2011). Ob izpostavljenosti sušnim razmeram, rastlinskemu hormonu abscizinski kislini (ABA) ali solnemu stresu so bile pri navadnem repnjakovcu (Arabidopsis thaliana) pogosto opažene spremembe na histonu H3, predvsem pojav trimetilacije H3K4 in acetilacije H3K9.
Obe modifikaciji sta povezani z vklopom genskega izražanja, medtem ko dimetilaciji H3K9 in H3K27 povzročata utišanje. Za stimulacijo prepisa je potrebno zmanjšati dimetilacijo H3K9 in H3K27, kar se tudi pogosto zgodi ob ABA in solnem stresu (Kim in sod., 2008). Pri navadnem repnjakovcu in rižu so za abiotske strese, kot so mraz, solni stres, ABA in jasmonska kislina, značilne tudi deacetilacije histonov pod vplivom družine histonskih acetilaz (Fu in sod., 2007).
Mraz in solni stres lahko pri navadnem repnjakovcu in tobaku povzročita tudi povečanje histonske fosforilacije in fosfoacetilacije H3 ter histonske acetilacije H4 (Sokol in sod., 2007).
To se zgodi ob aktivaciji genov, odzivnih na stres, ki pogosto poteka prek histonskih acetiltransferaz (HAT) v povezavi z določenimi transkripcijskimi faktorji, prav tako vezanimi na stresne dejavnike (Stockinger in sod., 2001).
Tudi nekatere ncRNA molekule so uravnavane z abiotskimi stresnimi dejavniki, npr. s temperaturo. Znan je gen P5CDH, ki je povezan s stresnimi dejavniki in pri navadnem repnjakovcu nadzoruje vsebnost aminokisline prolina in s tem uravnava toleranco na slane razmere. Cepitev mRNA molekule, ki jo povzroči pripadajoča siRNA, zniža izražanje gena P5CDH in s tem tudi zmanjša razgradnjo prolina. Večje kopičenje prolina pomeni za rastlino povečano odpornost na solni stres (Borsani in sod., 2005). Dobro je dokumentirano tudi, da lahko stresni okoljski dražljaji prek demetilacije DNA molekule aktivirajo transpozonske elemente. V študijah rastline Antirrhinum majus je bil zaznan transpozon Tam3, ki je ob nizkih okoljskih temperaturah demetiliran in tako sposoben premikanja po genomu, medtem ko je njegovo delovanje zavrto ob visokih temperaturah, saj takrat poteče hipermetilacija (Hashida in sod., 2006).
3.2.3 Soočanje z najhujšimi posledicami podnebnih sprememb
Ena izmed pomembnih okoljskih spremenljivk, ki bistveno vpliva na življenjske razmere na Zemlji, je temperatura. V zadnjih desetletjih se segrevanje ozračja strmo povečuje, kar je tudi ena izmed najbolj izrazitih problematičnih posledic podnebnih sprememb. Arhivi termometrskih meritev zadnjih trideset let kažejo na to, da se svetovna povprečna površinska temperatura trenutno povečuje za 0,28°C na desetletje (Hansen in sod., 2006). V prihodnosti se pričakuje, da se bodo svetovne emisije toplogrednih plinov, ki med drugim povzročajo povišanje vsebnosti atmosferskega ogljikovega dioksida, odgovornega za nihanje temperature in padavin, še naprej povečevale, kar nakazuje na še večja okoljska odstopanja (IPCC, 2014, cit. po Parmesan in Hanley, 2015).
Podnebne spremembe povzročajo velika temperaturna nihanja, v glavnem ogrevanje ozračja, kar mnogokrat privede do nepričakovanega pomanjkanja vode in povečanja slanosti na določenih območjih. Dostop do dovoljšnje količine vode je ključnega pomena za normalno delovanje rastlinskega metabolizma, zato se rastline na sušni stres odzovejo s principom fenotipske plastičnosti. Ta temelji na razliki v številčnosti prepisov DNA molekule, kar pa je povezano z njeno stopnjo metilacije. Študije diferencialno metiliranih regij (DMR) so pokazale, da spremembe v talni razpoložljivosti vode povzročijo drugačno raven metilacije DNA molekule pri genih, vključenih v metabolizem in signalizacijo (Lafon-Placette in sod., 2018). Običajno je
16
za fenotipsko plastičnost ob sušnem in solnem stresu značilna DNA hipermetilacija, ki omogoča preklop metabolnih poti, tako da je aktivna ustreznejša metabolna pot za dano okolje. Primer takšne prilagoditve na slano oziroma sušno okolje je bil dokumentiran pri rastlini Mesembryanthemum crystallinum, ki prek hipermetilacije DNA molekule inducira preklop C3 fotosinteze v CAM fotosintezo in se tako sooča s stresom (Dyachenko in sod., 2006, cit. po Qiao in Fan, 2011).
3.2.4 Stanje v gozdnih ekosistemih
Drevesa, trpežne rastline trajnice z dolgo življenjsko dobo in zapletenim življenjskim ciklom (Arora in sod., 2003), so ključnega pomena za življenje na Zemlji. Poleg tega, da nudijo dom in zavetje mnogim organizmom, čistijo zrak in vodo ter zagotavljajo pomembne naravne vire, preprečujejo tudi erozijo in blažijo posledice globalnih podnebnih sprememb (WWF, 2021).
Obširnost gozdnih ekosistemov se že mnoga desetletja zmanjšuje zaradi človeškega poseganja v gozdne površine, vse večje spremembe podnebja pa proces krčenja gozdov samo še pospešujejo (Gagliano in sod., 2014). Čeprav so drevesa tekom svojega dolgega življenja že naravno priča mnogim neugodnim okoljskim dejavnikom (Arora in sod., 2003) in se jim do neke mere lahko prilagajajo, podnebne spremembe te nelagodne pojave premočno krepijo. Predvideno poslabšanje klimatskega stanja v prihodnosti lahko preseže njihovo zmogljivost in s tem poveča nevarnost za podiranje globalnega naravnega ravnovesja (Gagliano in sod., 2014).
Zimski meseci predstavljajo za trajnice stresne razmere že sami po sebi zaradi nižjih temperatur in omejenega dostopa do vode, zato niso primerni za rast rastlin. Da bi v dolgotrajni fazi nerasti zavarovale svoje apikalne meristeme in listne primordije, je mnogo drevesnih vrst razvilo sistem nastanka brstov, počivajočih/dormantnih organov, ki jih zaščitijo. Procesa krajšanja dnevov in nižanja temperature skupaj z rastlinskimi hormoni spodbudita delovanje epigenetskih mehanizmov in s tem vplivata na izražanje genov (Santamaría in sod., 2009). Metilacija DNA molekule se tako v rastlinskih genomih spreminja skupaj z letnimi časi (Conde in sod., 2012).
Epigenetske spremembe, inducirane z okoljskimi signali, privedejo do zimske zaustavitve rasti in indukcije nastanka brstov, poleg tega pa sprožijo poseben genetski program, ki vzbudi stanje dormance. V tem času mirovanja postanejo rastlinski organi, zaščiteni z brsti, neobčutljivi za rastne signale, zato se delitve celic ustavijo (Santamaría in sod., 2009). Za večino rastlinskih vrst je značilno, da je med jesensko rastjo brstov in v času dormance skupna stopnja metilacije DNA molekule povišana, stopnja metilacije in acetilacije histonov pa zmanjšana v primerjavi s toplejšimi meseci. Na ta način je doseženo utišanje genskega izražanja (Conde in sod., 2012).
Letni cikel mirovanja in rasti je pomemben proces, bistven za preživetje rastline. Dormanca namreč predstavlja več kot le zaščito pred izpostavljenostjo nizkim temperaturam, saj skrbi za sezonski nadzor rasti poganjkov, normalen razvoj rastlin in uspešno reprodukcijo (Arora in sod., 2003). Okoljske razmere pa ne vplivajo samo na nastanek brstov, temveč tudi spodbudijo spomladansko odganjanje brstov oziroma brstenje. Povišanje temperatur vodi v preklop epigenetskega stanja kromatina, ki ponovno spremeni gensko izražanje in omogoči začetek vegetativne rasti poganjkov (Santamaría in sod., 2009). Ponovna aktivacija celičnih delitev je pogosto posledica globalne demetilacije DNA molekule (Conde in sod., 2012) in povišane stopnje acetilacije histonov (Santamaría in sod., 2009).
Podnebne spremembe motijo ravnovesje letnega cikla rastlin. Vse pogosteje smo priča časovnim zamikom letnih časov, kar povzroči odstopanja, kot sta npr. zgodnja spomladanska rast oziroma brstenje in pozen začetek zimskega mirovanja (Arora in sod., 2003). Takšni sezonski odmiki
17
imajo lahko hude posledice za drevesa, zato imajo epigenetski mehanizmi ključno vlogo pri njihovem preživetju. Sprožitev primernega izražanja genov ob neobičajnih obdobjih namreč omogoča fleksibilen sistem oblikovanja brstov in prenehanja rasti (Chuine in Beaubien, 2001).
Dokumentirano je, da lahko temperaturne spremembe v letnem ciklu povzročijo drugačno izražanje specifičnih ncRNA molekul, kar vpliva na čas nastanka brstov in brstenje, oblikuje pa se tudi epigenetski spomin (Yakovlev in sod., 2014). Tako se lahko drevesa do določene mere kosajo z vedno bolj ekstremnimi okoljskimi temperaturami, ki jih s seboj prinašajo podnebne spremembe (Chuine in Beaubien, 2001).
4 ZNANSTVENI IZZIVI NA PODROČJU PREUČEVANJA VPLIVA PODNEBNIH SPREMEMB NA RASTLINE
Trenutna največja skrb znanstvenikov, ki se ukvarjajo z vplivom podnebnih sprememb na rastline, je drastičen učinek na gozdne ekosisteme. Študij, ki preučujejo vlogo epigenetike v gozdnih drevesih, je malo, saj se raziskovalci soočajo s pomanjkanjem sekvenciranih genomov večine drevesnih vrst. Epigenetika gozdnih ekosistemov je premalo preučena, zato mnogo vprašanj o drevesnih odzivih na okolje ostaja neodgovorjenih. Fenotipska plastičnost, ki omogoča drevesom prilagajanje na drastične okoljske spremembe, je ponavadi posledica epigenetskih mehanizmov, vseeno pa ni za zanemariti tudi učinka genetskih sprememb. Ker se veliko drevesnih vrst lahko klonsko razmnožuje, je namreč težko ločiti prispevka genetskih in epigenetskih sprememb k fenotipski plastičnosti (Sow in sod., 2018).
Glavni izziv prihodnjih let na tem področju predstavlja globlje razumevanje osnovnih epigenetskih mehanizmov, oblikovanja fenotipa in delovanja epigenetskega spomina pri rastlinah, predvsem dolgoživečih trajnicah. Premalo raziskana ostaja tudi stabilnost okoljsko pridobljene fenotipske plastičnosti pri posameznih rastlinah in posredovanje med generacijami, kar je ključnega pomena pri gojenju rastlin (Sow in sod., 2018). Izziv predstavlja tudi napovedovanje odzivov določenih rastlin na podnebne spremembe. Znanstvene ugotovitve, pridobljene v kontroliranih raziskovalnih pogojih, se namreč pogosto ne ujemajo z dolgotrajnimi opažanji v zunanjih razmerah. Naravni rastlinski sistemi so se izkazali za bolj kompleksne in nepredvidljive, kot so napovedovali laboratorijski poskusi. Umetno neposredno ogrevanje je izzvalo drugačne fenološke odzive kot zunanje globalno segrevanje, čeprav so bile opazovane iste vrste rastlin iz enakega rastnega območja. Ne samo da so se rezultati razlikovali po velikostnem obsegu odziva, temveč je šlo tudi za drugače oblike reakcij (Wolkovich in sod., 2012). Znanstvenikom predstavlja težavo tudi napovedovanje posledic trenutnega poteka podnebnih sprememb. Pričakovano je, da bo višanje temperatur, ki je vsaj delno povezano z emisijami toplogrednih plinov, v naslednjih desetletjih močno vplivalo na razširjenost rastlin, kar še dodatno oteži ohranjanje rastlinskih ekosistemov (Chuine in Beaubien, 2001).
Razjasnitev ozadja epigenetskih mehanizmov in večletnega epigenetskega spomina bo zagotovila dragoceno znanje o učinkovitejšem varstvu in biotehnološkem gojenju rastlin, ki bodo bolje pripravljene na soočanje z danimi okoljskimi razmerami. S tem novim znanjem bi namreč lahko usmerili epigenetski spomin tako, da bi preprečil odstranitev vseh ustvarjenih genetskih različic pri potomcih, kar se običajno zgodi ob naravni selekciji. Ker se okoljske razmere tako hitro spreminjajo, bi se lahko v bližnji prihodnosti vsaj katera izmed na novo ohranjenih različic izkazala za koristno. Poleg tega je intenzivno gojenje rastlin v zadnjih letih zmanjšalo genetsko raznovrstnost, zato ponujajo epigenetski pristopi nov pester nabor genov, ki
18
ob izboljšanju prilagajanja okolju zagotavlja tudi boljšo kakovost kmetijskih pridelkov (Sow in sod., 2018).
5 ZAKLJUČEK
Epigenetika lahko pojasni fenotipske razlike med populacijami, ki jih ni mogoče razložiti z genetskimi polimorfizmi DNA molekule. V vseh evkariontskih organizmih sta transkriptom in epigenom trdno povezana med seboj in hkrati dinamično sodelujeta tudi z okoljem. Ustrezni odzivi na okoljske signale, ki jih prek sprememb genskega izražanja omogočajo epigenetski mehanizmi, so izjemno dragoceni pri prilagajanju rastlin na njihovo okolico. Vse hujše človeško poseganje v naravno okolje in vedno večji vpliv podnebnih sprememb predstavljata rastlinam življenjsko ogrožujoč stres, zato sta fenotipska plastičnost in epigenetski spomin izredno pomembna za njihovo preživetje in preživetje potomcev.
Čeprav so študije o odzivu rastlin na podnebne spremembe že privedle do velikega števila splošnih znanstvenih zaključkov, se rastlinske vrste na podnebne posledice odzivajo zelo individualno. Pomanjkanje celotnih sekvenc genomov predstavlja veliko oviro pri epigenetskih raziskavah, zato veliki znanstveni napredki in tehnološki dosežki na področju genetike v zadnjih letih, predvsem uporaba sekvenciranja naslednje generacije (NGS) in sistema CRISPR-Cas9, obetajo hitre napredke v prihodnosti.
Problematika podnebnih sprememb z leti vse bolj narašča, rastlinski ekosistemi pa začenjajo neusmiljeno podlegati spreminjajočem se okolju. Spremembe se dogajajo hitreje, kot je to normalno za naravno okolje, zato se zna zgoditi, da naravni epigenetski prilagoditveni mehanizmi kmalu ne bodo več zadoščali za preživetje rastlin. Izrednega pomena je, da se podrobneje poučimo o naravnem delovanju epigenetskih mehanizmov in stresnega spomina ter iznajdemo biotehnološke načine, s katerimi bi lahko preoblikovali in izboljšali te sisteme ter tako rastlinam pomagali ublažiti vse hujše posledice podnebnih sprememb.
6 VIRI
Ahmad A., Zhang Y., Cao X.-F. 2010. Decoding the epigenetic language of plant development.
Molecular Plant, 3, 4: 719–728
Arora R., Rowland L. J., Tanino K. 2003. Induction and release of bud dormancy in woody perennials: a science comes of age. HortScience, 38, 5: 911–921
Becker C., Hagmann J., Müller J., Koenig D., Stegle O., Borgwardt K., Weigel D. 2011.
Spontaneous epigenetic variation in the Arabidopsis thaliana methylome. Nature, 480, 7376:
245–249
Bernier G. 1988. The control of floral evocation and morphogenesis. Annual Review of Plant Physiology and Plant Molecular Biology, 39, 1: 175–219
Bhutani N., Brady J. J., Damian M., Sacco A., Corbel S. Y., Blau H. M. 2010. Reprogramming towards pluripotency requires AID-dependent DNA demethylation. Nature, 463, 7284: 1042–
1047
Borsani O., Zhu J., Verslues P. E., Sunkar R., Zhu J.-K. 2005. Endogenous siRNAs derived from a pair of natural cis-antisense transcripts regulate salt tolerance in Arabidopsis. Cell, 123, 7: 1279–1291
