Epigenetic engineering of climate resilient crops

Zuzana Plšková

Bachelor's thesis

Epigenetické inženýrství rostlin odolných vůči změně klimatu

Abstract:

Nepříznivé podmínky prostředí, jako je teplo, sucho a nadměrná slanost půdy, jsou hlavními faktory ovlivňujícími světovou produkci plodin. Očekává se, že výskyt těchto faktorů a jejich nepředvídatelnost se se změnou klimatu zvýší, a proto jsou k zajištění dostatku potravin nutné nové odrůdy plodin odolné vůči těmto změnám. Možným řešením je epigenetické inženýrství, které dokáže zajistit rezistenci vůči stresu díky úpravám buněčných drah. Vlastnosti chromatinu, ovlivněné například posttranslačními modifikacemi histonů, se během působení biotického a abiotického stresu dynamicky mění. V rostlinách Arabidopsis najdeme evolučně zachovaný komplex SAGA, což je multifunkční transkripční koaktivátor zapojený do acetylace histonů, který zároveň reguluje řadu stresových a vývojových programů. I přes jeho obrovský vliv na genovou expresi nejsou v současné době známé jeho molekulární mechanismy podílející se na regulaci acetylace histonů. V této práci byla použita metoda pro kvantitativní analýzu posttranslačních modifikací histonů pomocí hmotnostní spektrometrie k analýze hladin acetylace a metylace u mutantních rostlin Arabidopsis thaliana s nefunkčním GCN5, což je důležitá složka komplexu SAGA podílející se na acetylaci histonů. Hladiny acetylace lysinu 14 na histonu 3 (H3K14) byly u mutantních rostlin gcn5 nižší, což odpovídá předchozímu zjištění, že H3K14 je substrátem GCN5. Analýzou informací o oblastech genomu, na které cílí GCN5, rozdílně regulovaných transkriptech a genech hypoacetylovaných v oblastech H3K14, vše v rostlinách gcn5, jsme prozkoumali oblasti genomu, na které by se dalo zaměřit pomocí epigenetického inženýrství a tím zlepšit růst plodin během působení abiotického stresu.

Abstract:

Adverse environmental conditions, such as heat, drought and salinity, are the major factors affecting crop productivity worldwide. Their occurence and unpredictability are expected to increase under the climate change scenario, which is why new varieties of climate resilient crops are urgently needed to ensure food security. Epigenetic engineering is a possible solution to modulate stress tolerance. Chromatin features, such as histone post-translational modifications, are dynamically altered by histone modifying enzymes during biotic and abiotic stress. In Arabidopsis, the evolutionary conserved SAGA complex, a multi-functional transcriptional co-activator, is involved in histone acetylation and regulates numerous stress and developmental programmes. Despite its profound impact on gene expression, the molecular mechanisms involved in regulation of histone acetylation are currently unknown. Here, a method for bottom-up quantitive mass spectrometry analysis of histone markes was used to analyse the levels of histone acetylation and methylation in Arabidopsis mutants lacking GCN5, an important component of the SAGA complex involved in histone acetyltransferase activity. The levels of acetylation of lysine 14 from histone H3 were reduced in gcn5 mutant plants supporting the previous findings that H3K14 is a substrate of GCN5. By combining information about genomic regions targeted by GCN5, H3K14 hypo-acetylated genes and differentially regulated transcripts in gcn5 mutants plants, we further investigated genomic regions that could be used in epigenetic engineering approaches aimed to improve crop performance under abiotic stresses.

Keywords

odolnost vůči stresu, epigenetická regulace, posttranslační modifikace histonů, histonové acetyltransferázy, abiotický stres

Keywords

epigenetic regulation, histone acetyltransferase, abiotic stress, stress tolerance, histone post-translational modifications

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 20. 4. 2021

Thesis defence

• Supervisor: Pavel Kerchev, Ph.D.

Mendel University in Brno

Faculty of AgriSciences

Bachelor programme / field:
Agrobiology / Molecular biology and biotechnology