Ploidy-dependent changes in the epigenome of symbiotic cells correlate with specific patterns of gene expression
Legume plants are able to interact with Rhizobium bacteria. This interaction leads to the development of a specialized organ called root nodule. Inside the symbiotic nodule cells, rhizobia are capable to fix atmospheric nitrogen and convert it to ammonia, which is a usable nitrogen source for the pl...
Elmentve itt :
| Szerző: | |
|---|---|
| További közreműködők: | |
| Dokumentumtípus: | Disszertáció |
| Megjelent: |
2017-11-15
|
| Tárgyszavak: | |
| doi: | 10.14232/phd.4084 |
| mtmt: | 3349145 |
| Online Access: | http://doktori.ek.szte.hu/4084 |
| Tartalmi kivonat: | Legume plants are able to interact with Rhizobium bacteria. This interaction leads to the development of a specialized organ called root nodule. Inside the symbiotic nodule cells, rhizobia are capable to fix atmospheric nitrogen and convert it to ammonia, which is a usable nitrogen source for the plant. In the legume Medicago truncatula the symbiotic cells produce high amounts of Nodule-Specific Cysteine-Rich (NCR) peptides which induce differentiation of the rhizobia into enlarged, polyploid and non-cultivable bacterial cells. NCRs are similar to innate immunity antimicrobial peptides. The NCR gene family is extremely large in Medicago with about 600 genes. The expression analysis of 334 NCR genes in 267 different experimental conditions using the Medicago truncatula Gene Expression Atlas (MtGEA) revealed that all the NCR genes except five are exclusively expressed in nodules. No NCR expression is induced in any other plant organ or in response to biotic, abiotic stress tested or to Nod factors. The NCR genes are activated in consecutive waves during nodule organogenesis, which correlated with a specific spatial localization of their transcripts from the apical to the proximal nodule zones. Moreover, we showed that NCRs are not induced during nodule senescence. According to their Shannon entropy, a metric for tissue specificity, NCR genes are among the most specifically and highest expressed genes in M. truncatula. Thus, NCR gene expression is subject to an extreme tight regulation since they are only activated during nodule organogenesis in the polyploid symbiotic cells. This analysis suggested the involvement of epigenetic regulation of the NCR genes. The formation of the symbiotic cells is driven by endoreduplication and is associated with transcriptional reprogramming. Using sorted nodule nuclei according to their DNA content, we demonstrated that the transcriptional waves correlate with growing ploidy levels and investigated how the epigenome changes during endoreduplication cycles. We studied genome-wide DNA methylation and chromatin accessibility as well as the presence of repressive H3K27me3 and activating H3K9ac histone tail modifications on selected genes. Differential DNA methylation was found only in a small subset of symbiotic nodule-specific genes, including over half of the NCR genes, while in most genes DNA methylation was unaffected by the ploidy levels and was independent of the genes’ active or repressed state. On the other hand, expression of these genes correlated with ploidy-dependent opening of the chromatin and in a subset of tested genes with reduced H3K27me3 levels combined with enhanced H3K9ac levels. Our results suggest that endoreduplication-dependent epigenetic changes contribute to transcriptional reprogramming in differentiation of symbiotic cells. A pillangósvirágú növények képesek szimbiózist kialakítani talajlakó Rhizobium baktériumokkal, mely interakció következtében egy új növényi szerv, a szimbiotikus gyökérgümő jön létre. A gümősejtekben a rhizobiumok képesek a légköri nitrogén megkötésére és ammóniává alakítására, ami kiváló nitrogénforrás a növény számára. A pillangósvirágú Medicago truncatula szimbiotikus gümősejtjei több száz különböző Nodule-Specific Cysteine-Rich (NCR) peptidet termelnek, melyek fontos szerepet játszanak az endoszimbionta baktériumok, megnyúlt, poliploid, nitrogénkötő bakteroidokká történő átalakulásában. Az NCR peptidek homológiát mutatnak antimikrobiális peptidekkel. Az NCR gén család M. truncatula növényben több mint 600 gént számlál. Vizsgálataink során, melyhez a Medicago truncatula génexpressziós Atlaszt (MtGEA) vettük alapul kimutattuk, hogy a 334 defenzin típusú NCR gén kizárólag a gyökérgümőben aktiválódik, kivéve 5 NCR-t, melyek nem mutattak szövetspecifitást. Az expressziós adatokból továbbá kiderült, hogy az NCR gének nem aktiválódnak azelőtt, hogy a rhizobiumok bejutnának a gazda sejtbe, vagyis mielőtt a szimbiotikus sejtek létre nem jöttek. Az NCR gének nem indukálódik más növényi szervekben biotikus- illetve abiotikus stressz hatására. Továbbá, az NCR-ek nem vesznek rész a bakteroidok szeneszcencia során történő degradációjában. Az NCR gének a gyökérgümő fejlődése során legalább három hullámban aktiválódnak, melyek megfeleltethetőek térbeli expressziós mintázatuknak. A Medicago gének szövetspecifitásának kvantifikálása (Shannon-féle entrópia faktor) során az találtuk, hogy az NCR-ek, illetve általánosabban a gümő-specifikus gének a legszövetspecifikusabbak az összes Medicago gén közül. Összefoglalva az NCR gének csak a gümőben és csak a poliploid szimbiotikus sejtekben expresszálódnak, ami arra utal, hogy szabályzásuk szigorú transzkripcionális kontroll alatt áll, melyben fontos szerepet játszhatnak epigenetikai mechanizmusok. A szimbiotikus gümősejtek differenciálódásuk során endoreduplikáción és jelentős transzkripciós átprogramozáson mennek keresztül. Áramlási citométerrel elválasztott különböző ploidiaszintű sejtmagokon kimutattuk, hogy a különböző transzkripcionális „hullámban” aktiválódó NCR gének indukciója köthető a szimbiotikus sejtek bizonyos ploidiaszintjéhez. DNS metiláció különbséget a nem-fertőzött gümősejtek és a szimbiotikus sejtek között csak a gümő-specifikus gének kis hányadánál detektáltunk, és ezek jelentős részét NCR génekben. Az NCR-ek több mint felénél detektálható volt a metiláció csökkenése (hypometiláció) a szimbiotikus sejtekben. Kimutattuk, hogy a kromatin „nyílása” és „záródása” pozitív korrelációt mutat a gének aktív és represszált állapota között különböző ploidiaszintű sejtmagokban. Azonban az is megfigyelhető volt, hogy a kromatin nyitott állapota nem elégséges a gén aktív traszkripciójához. Továbbá, az NCR gének a szimbiotikus sejtekben történő expressziójához jelentős mértékben hozzájárul a H3K27me3 módosítás csökkenése, az aktiváló H3K9 acetiláció szintjének emelkedése a gén promóter- és kódoló régiójában, valamint a nyitott kromatin struktúra. A szimbiózis specifikus gének ploidiaszint szerinti DNS metiláció, represszív H3K27me3 és az aktiváló H3K9ac hiszton modifikációk és a kromatin hozzáférhetőségének vizsgálatai hozzájárultak, hogy először képet kapjunk a szimbiotikus sejt differenciálódás során zajló több szintű epigenetikai szabályzásról. Továbbá munkánk egy lépéssel előrébb visz az NCR gének rendkívül szigorú szabályzásának megértése felé. |
|---|