Analysis of the effect of DNA methylation on heterosis formation in Zea mays and Brassica napus

Abstract

Heterosis ist die verbesserte Leistung von heterozygoten Nachkommen im Vergleich zu den parentalen homozygoten Inzuchtlinien und wird unter anderem mit epigenetischen Modifikationen wie DNA-Methylierung in Verbindung gebracht. Erstes Ziel dieser Ar-beit war es, eine Verbindung zwischen Heterosis und DNA-Methylierung während der frühen Embryogenese von Mais herzustellen. Hierfür wurden Embryonen von Inzucht-linien und Hybriden von Mais in der frühen Embryonalentwicklung mit dem Methyl-transferaseinhibitor 5-Aza-2‘-deoxycytidin (Aza) behandelt. Durch die Aza-Behandlung erfolgte eine Demethylierung der Embryo-DNA, die über Bisulfitsequenzierung von randomisierten repräsentativen Genombereichen nachgewiesen werden konnte und während der Entwicklung zum Keimling erhalten blieb. Durch die Demethylierung wurde eine signifikante Erhöhung der Wachstumsheterosis von aus Aza-behandelten Embryonen generierten Pflanzen im Vergleich zu der Kontrollgruppe hervorgerufen. Eine mögliche Schlussfolgerung aus diesen Ergebnissen ist, dass die DNA-Methylierung in der frühen Embryonalentwicklung eine kontrollierende bzw. zügelnde Wirkung auf Heterosis ausübt. Der Einfluss von DNA-Methylierung auf Heterosis wurde zudem im größeren Umfang in einer Brassica napus Population untersucht. Bei der Charakterisierung der Methylierungsmuster zwischen maternalen, paternalen und Hybridlinien konnte ein Trend in Richtung Hypomethylierung der repetitiven Genombereiche im Hybriden festgestellt werden. In zwischen den Eltern differentiell methylierten Regionen passten sich die Methylierungslevel der Hybride überwiegend an das Methylierungsniveau eines der Eltern an. Ein größerer Anteil der CHH-Methylierung näherte sich dem Allel des niedriger methylierten Elters an. Die Expression einiger Gene, die von de novo Methylierungsmechanismen bekannt sind, war vermindert. Gene, die von der Salicylsäure-induzierten Stressantwort in Pflanzen bekannt sind, wurden im Hybrid herunterregu-liert, was gemeinsam mit einem höheren Methylierungsniveau beobachtet wurde. Zusammen deuten die Ergebnisse an, dass Transposons in Brassica napus Hybriden weniger methyliert sind, was einen aktivierenden Effekt auf benachbarte Gene haben könnte. Zudem ist auch die pflanzliche Stressantwort im Ruhezustand im Hybriden heruntergefahren, wodurch limitierende Faktoren inhibiert sein könnten. Diese beiden Mechanismen könnten einen Beitrag zu Heterosis leisten.

Heterosis or hybrid vigor is the superior performance of F1 hybrid plants over their parental inbred lines. Heterosis is particularly important in the production systems of major crops. Recent studies have suggested an epigenetic contribution such as DNA methylation to heterosis, but the molecular mechanism underlying heterosis still remains unclear. To assess whether developmental timing of epigenetic regulation plays a role in heterosis in maize, early embryos were dissected and treated with the demethylating agent 5-aza-2’-deoxycytidine (aza) in an in vitro culture system. Reduced representation bisulfite sequencing confirmed successful hypomethylation of DNA induced in the early embryo and maintained to the seedling stage. Comparing seedling growth rate heterosis between plants derived from aza-treated embryos and their non-treated control group demonstrated a significant increase of growth heterosis upon demethylation, indicating that DNA methylation patterns established during early em-bryogenesis of maize play a role in seedling growth heterosis formation. The impact of DNA methylation on heterosis formation and hybrid performance in a broad range of traits was determined in a subset of a Brassica napus population. DNA methylation patterns between maternal, paternal and hybrid lines revealed a trend towards hypomethylation of repetitive regions in the hybrid. In parental differentially methylated regions, methylation levels of hybrids revealed a majority of dominant methylation patterns, where the hybrid methylation level adapted to either one of the parental alleles. Trans-chromosomal demethylation events were observed especially for CHH contexts. Coincidently with a higher methylation level, a decrease in mRNA expression was revealed in the hybrid for genes active in RdDM in the hybrid. Certain stress-induced genes were down-regulated together with a higher methylation level, especially in the salicylic acid pathway. Together, the results indicate that hypomethyl-ation of transposable elements in Brassica napus hybrids potentially lead to higher expression of adjacent genes. Moreover, the basal plant stress response is down-regulated in hybrids, which might impair growth limiting factors. Both these mechanisms might promtoe heterosis.