東カリフォルニアのホワイトマウンテンには、世界最古の樹木がいくつか生息しています。年輪データによると、グレートベースン メトセラとして知られるブリスルコーンパイン 樹木の歴史はほぼ 5,000 年前に遡り、この小さな松の苗木が土から出てきた頃は、マンモスがまだ地球をさまよい、歴史的建造物であるストーンヘンジは大掛かりな建設工事中であり、古代エジプトでは筆記用紙が発明されたばかりでした。メトシェラはその長い生涯の間に嵐を耐え、気温の変動に耐え、干ばつの時期を生き延びました。そして、ことわざにあるように、年を重ねるごとに知恵が身に付きます。この蓄積された「知恵」は、環境ストレスにさらされることによって誘発されるエピジェネティックな変化の形で細胞レベルで保存されます。固着性で長寿の生物である樹木は、絶えず変化する環境条件への洗練された適応メカニズムを発達させており、エピジェネティックな記憶によって、繰り返し起こるストレス イベントに迅速に対応できる可能性があります。エピジェネティックな変異の中には遺伝するものもあるため、この「知識」を次の世代に伝えることさえできます。このことから、エピジェネティックなメカニズムによって、樹木が遺伝的適応よりも効率的に気候変動に適応できるのではないかとの期待が高まります。相関研究では、表現型の可塑性におけるエピジェネティクスの役割が示唆されていますが、エピジェネティック マークの分布と遺伝子発現および表現型を明確に結び付ける証拠はまれです。
一般的なエピジェネティック修飾は、シトシン残基のDNAメチル化であり、CG、CHG、CHH（HはA、T、C）の異なるコンテキストで発生する可能性があります。非CG DNAメチル化コンテキストは植物では一般的ですが、他の生物では非常にまれです。DNAメチル化分析は主にモデル種であるシロイヌナズナで行われており、長寿樹種でこのプロセスを扱った研究はわずかです。ペーニャ・ポントン率いるチームは、現在、 環境ストレスに対する樹木のDNAメチル化の変化に関する前例のない洞察著者らは、ヨーロッパのいくつかの国でクローン繁殖されたロンバルディアポプラを、実験条件下で20日間、さまざまな非生物的および生物的ストレス条件にさらし、DNAメチル化プロファイルを分析しました。ロンバルディアポプラは、おそらく17世紀にイタリアで生まれ、現在は世界中で栽培されている単一のクローン系統に由来しています。クローン繁殖された植物であるため、著者らは遺伝的変異の影響を最小限に抑え、表現型の可塑性に対するエピジェネティックな違いの影響を最大化することができました。
著者らは、ゲノム全体のメチル化変化、特にCGおよびCHGコンテキストにおける変化は、実験的に誘発された短期ストレスではなく、樹木の起源によって説明できることを示し、したがってこれらの変化は樹木の成長履歴がDNAメチル化ランドスケープをどのように形作ってきたかを反映している。これらの差次的メチル化領域は、大部分がストレスに依存せず、複数のストレス要因に反応することも示されており、これは、さまざまなストレスが生理学的レベルで一般的な反応要素を共有しているという事実と結びついている。しかし、DNAメチル化反応には一定の特異性も示されており、干ばつ処理はストレス特異的なエピジェネティック効果が最も強く、CHHコンテキストで主に遺伝子隣接領域、特にいわゆる転移因子またはトランスポゾンで過剰メチル化を誘発している。トランスポゾンは、自身のコピーを作成し、ゲノム領域間を移動できる遺伝要素であるため、「ジャンピング遺伝子」というニックネームが付けられている。環境ストレスはトランスポゾンの活動を活性化することができ、特定のトランスポゾンファミリーはストレス応答遺伝子の近くに優先的に挿入する。これらの領域内の DNA メチル化は、それらの移動を抑制し、ゲノムへの破壊的な影響を抑えることができます。ペーニャ・ポントン氏と同僚による結果は、ストレス、特に干ばつに反応してトランスポゾンスーパーファミリー全体が過剰メチル化することを明らかにし、遺伝子オントロジーエンリッチメントデータに基づいて、著者らは、このメチル化を介したトランスポゾンサイレンシングが、近くの干ばつ応答性遺伝子に制御効果をもたらす可能性があると推測しています。
環境変化に対する DNA メチル化の機能的影響の理解はまだ始まったばかりですが、メトセラなどの樹木が持つエピジェネティックな「知恵」が気候変動への適応に本当に役立つのであれば、より深い洞察が緊急に必要です。しかし、ペーニャ・ポントンらが発表したような大規模な研究は残念ながら稀です。著者らは、高解像度のデータを提供するためメチロームプロファイリングのゴールドスタンダードと見なされている全ゲノム亜硫酸水素塩シーケンシングを使用しましたが、シーケンシングコストが高く、大量のデータを出力するため大規模なコンピューティングとストレージ容量が必要になるなどの欠点もあります。別の JXB の研究では、 イザベル・レサーとその同僚は、これらの欠点に対処するための代替アプローチを提案している。著者らは、DNAメチル化の変動が大きい領域を特定して焦点を当てる手法を開発し、検証しました。この手法は、植物と動物の両方における集団規模のエピジェネティック研究に適している可能性があります。関心のある読者は、Journal of Experimental Botany に掲載された最近の技術革新論文で、詳細なワークフローと対応するデータを参照できます。
記事全文を読む:
Peña-Ponton, C., Diez-Rodriguez, B., Perez-Bello, P., Becker, C., McIntyre, LM, van der Putten, WH, De Paoli, E., Heer, K., Opgenoorth, L. and Verhoeven, KJ, 2024.高解像度メチローム解析により、クローンロンバルディポプラにおけるストレス応答性ゲノムホットスポットと干ばつ感受性TEスーパーファミリーが明らかに。 実験植物学ジャーナル, https://doi.org/10.1093/jxb/erae262.
マレイケ・ジェゼク
Jezek 博士は、Journal of Experimental Botany の公式雑誌の 1 つである Journal of Experimental Botany の副編集長です。 実験生物学会.
表紙画像：ブリストルコーンパイン LICreate / Canva.
