Epigenetic shock : early alterations in DNA methylation at the onset of plant immunity

Na het waarnemen van een pathogeen antwoordt de plant met een snelle “epigenetische schok”, resulterend in een snelle herprogrammering van het methyloom die bijdraagt aan een aangepast immuuntranscriptoom en de basis legt voor een immuungeheugen. In dit proefschrift onderzochten we daarom de vroege dynamiek van DNA-methylatie om beter te begrijpen hoe deze bijdraagt aan de aanvang van plantenimmuniteit. Ondanks dat Arabidopsis thaliana en Oryza sativa (rijst) sterk verschillende methylomen vertoonden, konden er geconserveerde patronen waargenomen worden in respons op Flg22 – het elicitor-actieve epitoop van bacterieel flagelline. Vroeg na Flg22-detectie vertoonden beide methylomen niet-CG 5mC hypomethylatie van euchromatische transposeerbare elementen (TEs) op de chromosoomarmen. Later in de Flg22-immuunrespons werden beide methylomen gekenmerkt door een verrijking van niet-CG 5mC aan de (peri)centromeren ten opzichte van de chromosoomarmen, tot stand gekomen door pericentromere hypermethylatie in Arabidopsis en hypomethylatie van de chromosoomarmen in rijst, wat contrasterende methylatiepatronen tussen deze regio’s onthulde. Deze cytosinemethylatiepatronen konden niet rechtstreeks gelinkt worden aan hun overeenkomstige Flg22-geïnduceerde immuuntranscriptomen, wat wijst op een mogelijke rol voor TE-gemedieerde trans-regulatie. Verdere karakterisering van de door Flg22 herprogrammeerde immuunmethylomen onthulde een bimodale distributie van adeninemethylatie (6mA) rond de grenzen van genen. Dit profiel werd meer uitgesproken na Flg22-behandeling en was geassocieerd met immuniteitsgenen. Ook konden deze scherpere profielen gedeeltelijk het Flg22-geïnduceerde immuuntranscriptoom verklaren. Voor zover wij weten, levert dit proefschrift het eerste bewijs voor een link tussen 6mA-methylatie en immuun-geïnduceerde transcriptie in planten, en bij uitbreiding naar transcriptionele responsen op omgevingsstimuli. Tot slot identificeerden we, door middel van vergelijkende transcriptoomanalyse bij de vroege aanvang van plantenimmuniteit, reactieve zuurstofradicalen, gibberellinezuur en ijzer als regulatoren van zowel Arabidopsis- als rijstimmuniteit. Validatie toonde sleutelrollen aan voor reactieve zuurstofradicalen, gibberellinezuur en ijzerhomeostase in de initiatie van de epigenetische schok. In het bijzonder beïnvloedde ectopische H2O2-behandeling het rijstmethyloom, minstens gedeeltelijk via oxidatieve DNA-schade. Gezamenlijk vormen de bevindingen in dit proefschrift een basis voor het verder uitbouwen van ons begrip van epigenetische regulatie in plant-omgevingsinteracties en voor het aanwenden van immuungeheugen in gewasbeschermingsstrategieën.