Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Epigenetická dědičnost v ekologii a evoluci rostlin

Publikováno: Vesmír 94, 105, 2015/2

Když jsem se před zhruba sedmi lety začal podrobněji zabývat epigenetickou dědičností, byl tento termín veskrze neznámý nejen pro laickou veřejnost, ale i pro mnohé mé kolegy. Nyní je situace velmi odlišná. Ale přestože se epigenetika dostala do popředí zájmu, stále zůstáváme nejistí při hodnocení její ekologické úlohy jak v rostlinné, tak i živočišné říši.

Rád bych proto čtenáře provedl některými klíčovými studiemi posledních let, a stručně tak demonstroval naše současné znalosti o ekologickém a evolučním potenciálu epigenetické dědičnosti v rostlinné říši.

Pro mnohé může být překvapivá informace, že epigenetika coby vědní obor není žádná mladice. Za jednoho z jejích zakladatelů můžeme považovat Conrada Hal Waddingtona, britského vývojového biologa, který termín epigenetika použil pro pojmenování mechanismů „přenesení informace uložené v genech daného genotypu do fenotypové funkce“ (Waddington 1939).1) Jinými slovy, epigenetika byla dlouhou dobu doménou vývojových biologů a byla používána k objasnění mechanismů vytváření a organizace tkání a těla.

S nástupem molekulární biologie se epigenetika postupně rozdělila na dva tábory: na původní v kontextu vývojové biologie a daleko mladší z devadesátých let minulého století, na obor zabývající se dědičnými změnami, které nezahrnují změny v sekvenci DNA. Toto zdvojení občas přináší nedorozumění i mezi biology, proto upozorňuji čtenáře, že patřím do mladšího tábora. Jak ale ukáži později, rostliny nám poskytují vzácnou příležitost, kdy se oba tábory mohou opět setkat a dobře si porozumět.

Ekologický a evoluční význam

Nejlépe prozkoumanými mechanismy epigenetické regulace jsou metylace cytosinu v DNA, modifikace chromatinu či regulace pomocí sRNA. Všechny tyto mechanismy regulují expresi genů. Například metylací cytosinu v určité části DNA dochází ke snížení aktivity či k úplnému vypnutí následného genu. Zjednodušeně řečeno, enzymatická metylace DNA zajišťuje vypínání, demetylace naopak zapínání patřičného genu.

Vezmeme-li v potaz, že mnoho znaků je řízeno více geny, epigenetická regulace může být velmi účinný mechanismus k vytváření variability v ekologicky, a tedy i v evolučně důležitých znacích, a to bez nutnosti změny sekvence nukleotidů v DNA. Epigenetická regulace znaků je vlastně to, co Waddington popisoval jako přenesení genetické informace do finální podoby organismu. Kožní buňka dá vznik opět kožní buňce, neboť má aktivovány geny zodpovědné za vytvoření kožní buňky.

Metylace DNA je také využívána k potlačování negativních vlivů transpozonů, tedy cizorodých částí DNA, které se mohou přemisťovat po genomu. Metylací dojde k jejich úspěšnému umlčení.

Epigenetické procesy jsou velmi důležité při interakci organismu s okolím, kdy se podílejí na regulaci exprese genů v závislosti na aktuálních podmínkách prostředí. V zástinu má rostlina aktivní geny, jež jí umožňují prodlužující růst za světlem, naopak na přímém světle bude mít nejspíše aktivnější geny zodpovědné za tvorbu ochranných pigmentů. Epigenetická regulace tedy zajišťuje výslednou funkci a podobu rostlin v závislosti na aktuálních podmínkách prostředí a potřebách rostliny.

To ale není to, co dělá epigenetické procesy tak zajímavé v očích současných ekologů či evolučních biologů. Epigenetické projevy začínají být fascinující zejména poté, co se stanou dědičnými. Například je možné, níže se k tomu dostanu podrobněji, že některé získané epigenetické znaky, tedy znaky vzniklé interakcí s prostředím, by mohly být děděny mezi generacemi. Důsledek této dědičnosti by nemusel být zanedbatelný. Mohlo by docházet k dědičnosti získaných znaků, což odporuje neodarwinistickému pojetí evoluce.

V podmínkách, kdy potomek má reálnou šanci zažít stejné přírodní podmínky jako rodič, by dědičnost získaných znaků, tedy jakýsi předpřipravený fenotyp, mohl potomkům poskytnout nemalou výhodu. Například potomek rostliny rostoucí ve stínu by mohl být epigeneticky naprogramován co nejvíce investovat do vertikálního růstu za světlem oproti potomkovi rodičů z prostředí bez zástinu. O tom, která rostlinka se na daném místě uchytí, by tedy mohla rozhodovat zděděná epigenetická i genetická informace. Než ovšem dáme volnost naší fantazii a začneme spekulovat o evolučních důsledcích dědičnosti získaných znaků, pojďme se podívat na reálné demonstrace ekologických důsledků epigenetické dědičnosti v rostlinné říši z posledních let.

Potřeba mezioborového dialogu

Hned na úvod této kapitoly čtenáře nejspíše zklamu, ale přese všechnu snahu jsem našel jen jeden přímý příklad demonstrující dědičnost získaných znaků řízenou epigenetickou dědičností. Většina studií totiž testuje úlohu epigenetické dědičnosti v dědičnosti získaných znaků nepřímo, s některými se seznámíme dále. Jasný příklad mezigenerační adaptace rostlin řízenou epigenetickou dědičností poskytli Alex Boyko a jeho kolegové, kteří ukázali, že potomci rodičů stresovaných silným zasolením růstového média byli významně odolnější vůči tomuto stresu a tato odolnost byla vysvětlena dědičnou změnou metylace DNA (Boyko et al., 2010).

Napadá mne několik důvodů, proč je seznam důkazů o úloze dědičné epigenetické regulace genů v dědičnosti získaných znaků v současné době tak pustý. Samotné testování dědičnosti epigenetických značek je stále celkem náročné jak po finanční, tak po intelektuální stránce. Pokud se vědci zaměřují na dědičnost indukované epigenetické variability, většinou se jedná o molekulární biology s minimálním zájmem podrobněji zkoumat i ekologii. Naopak ekologové sice poskytli mnoho zásadních důkazů o adaptivní úloze dědičnosti získaných znaků, ale už se nezaměřili na molekulární podstatu sledovaného jevu (obr. 1). Nedostatečný průnik molekulární biologie a ekologie tak může být jedním z důvodů omezeného počtu studií demonstrujících dědičnost získaných znaků pomocí epigenetické změny.

Nedokonalý design experimentů se také podílí na nemožnosti spolehlivě detekovat epigeneticky řízenou dědičnost získaných vlastností. Sem můžeme zařadit studie testující vliv biotických a abiotických faktorů na indukci a dědičnost epigenetické variability bez testování ekologické relevance zděděné epigenetické změny. Lidé v týmu Koena Verhoevena sledovali například vliv stresu na indukci epigenetické variability a její dědičnost u smetanky lékařské (Taraxacum officinale, Verhoeven et al., 2010). Zjistili, že rostliny po vystavení hormonům zodpovědným za indukci obranných mechanismů proti herbivorům či patogenům významně změnily metylaci své DNA a značná část této změny byla i dědičná. Bohužel už dále nesledovali, zda se zděděná epigenetická změna také podílela na zvýšené odolnosti potomků vůči požíračům či nemocem.

Porovnáním epigenomu mangrovových porostů různých populací se týmu vědců pod vedením Paula Ferreira (Lira-Medeiros et al., 2010) podařilo demonstrovat, že populace z často kontrastních přírodních podmínek se odlišují daleko více v epigenetické než genetické variabilitě. Toto epigenetické rozrůznění geneticky velmi podobných populací naznačuje, že epigenetická variabilita hraje důležitou úlohu v adaptaci na lokální podmínky. Podobně studie Christiny Richards ové (Richards et al., 2012) ukazuje, že invaze křídlatek, které jsou na evropském kontinentu geneticky velmi uniformní, je nejspíše umožněna epigenetickou variabilitou. Také populace topolů z různých provincií Kanady vykazují velkou míru lokální adaptace, ačkoliv jsou si geneticky velmi podobné. Analýza jejich epigenomu naznačuje, že právě metylace DNA stojí za lokální adaptací těchto stromů (Raj et al., 2011).

Ačkoliv všechny jmenované studie naznačují důležitou úlohu epigenetické variability v adaptaci rostlin na odlišná prostředí, vždy se jednalo o nepřímé důkazy. Je vhodné zdůraznit, že citované studie netestovaly dědičnost zjištěné epigenetické variability. Dalším důvodem nedostatečného počtu demonstrací role epigenetické variability v dědičnosti získaných znaků může být prostě fakt, že tento jev je velmi vzácný, a tudíž i evolučně málo významný.

Je patrné, že o úloze epigenetické dědičnosti v dědičnosti získaných znaků víme absolutní minimum a jen další výzkum nám může pomoci zjistit, zda naše nadšení pro epigenetickou dědičnost získaných vlastností je opodstatněné, či přehnané. Nicméně epigenetická dědičnost získaných vlastností je jen špička ledovce potenciální úlohy epigenetické dědičnosti jak v ekologii, tak i v evoluci rostlin.

Důkazy z přírody

Jak jsem se již zmínil, epigenetická variabilita by mohla poskytovat rostlinám, a nejen jim, dědičnou variabilitu v řadě ekologicky důležitých znaků, které by mohly být podrobeny přírodnímu výběru. Jak ale taková epigenetická variabilita vzniká? Zdá se, že její velká část je u rostlin produktem náhodných mutací čili epimutací. Becker a kolegové díky kompletnímu přečtení genomu a epigenomu několika generací rostlin huseníčku (Arabidopsis thaliana), které měly společného předka, zjistili, že četnost epimutací je násobně větší než četnost genetických mutací. Po třiceti generacích objevili zhruba 30 000 mutací v metylaci cytosinu, ale jen 30 mutací v DNA sekvenci (Becker et al., 2011).

Vzhledem k tomu, že sledovali metylace na celém genomu, mohli také vyhodnotit stabilitu jednotlivých metylací. Nejstabilnější byly metylace části DNA s výskytem transpozonů. Metylace transpozonů je elegantní způsob, jak tyto části DNA udržet na uzdě, proto je její mezigenerační stabilita evolučně více než žádoucí. Ostatní detekované epimutace byly méně stabilní, některé dokonce během třiceti generací zanikly a opětovně vznikly. V zmíněné studii také zjistili, že podíl životního prostředí na indukci epigenetické variability je u huseníčku minimální. Jelikož nesledovali fenotypový projev epimutací, otázkou zůstává, jak se pozorované epimutace podílejí na přirozené variabilitě rostlin.

Zatím asi nejelegantnější příklad ekologicky důležité epimutace, která je navíc stabilní po více než 250 let, poskytli Cubas et al. (1999) na příkladu lnice květele (Linaria vulgaris). Již Carl Linné popsal zvláštní populaci lnice, která je charakteristická radiálně symetrickými květy, což je velmi odlišné oproti běžnému dvoustraně souměrnému květu. Biologové se snažili identifikovat genetickou mutaci, která dokáže takto účinně změnit květní symetrii, ovšem až Pilar Cubasová a její tým přišli na to, že za celou změnou je epimutace jednoho genu. Jejich studie je zásadní, neboť nejen dokazuje, že epimutace může být stálá po mnoho desetiletí, ale je názorným příkladem, že epimutace probíhají v přírodních podmínkách a mohou mít značné ekologické důsledky.

Velmi podobné zjištění přinesli Manning a kolegové, když hledali mutaci genu způsobující nedokonalé zrání rajčete (Solanum lycopersicum). Když nenašli žádnou změnu sledu bází genu zodpovědného za barevné zrání plodů, pojali podezření, které se posléze potvrdilo, že za nedokonalé zrání je zodpovědná epimutace tohoto genu. Zajímavé je, že vznikla spontánně a dědila se po více než deset let. Třikrát během této doby se ovšem stalo, že rostlina plodila krásná červená rajská jablka, což ukazuje, že ačkoliv epimutace byla velmi stabilní, byla také reverzibilní (Manning et al., 2006). Mezigeneračně stabilní epimutace je také zodpovědná za odlišné pigmentování klasů kukuřice (Sekhon et al., 2007).

Na rozdíl od epigenetické dědičnosti získaných znaků jsou spontánní epigenetické mutace a jejich vliv na variabilitu rostlin daleko lépe zdokumentovány. Je velmi pravděpodobné, a i samotná podstata epigenetických mechanismů tomu napovídá, že epimutace vznikají nejspíše velmi často, ale o to jsou nestálejší. Na druhou stranu některé epimutace se dokážou fixovat v populacích a být překvapivě stabilní, což dokázalo opakovaně obelstít i renomované biology. Pokud by se ukázalo, že část epimutací může být stabilní v řádu generací, a vezmeme-li v potaz velkou frekvenci epimutací a v neposlední řadě také jejich daleko méně škodlivé důsledky na organismus oproti genetickým mutacím (epimutace většinou mění pouze výslednou hodnotu znaku), dalo by se uvažovat o celkem podstatné úloze epigenetické variability v evoluci organismů.

Důkazy z laboratoře

Stejně jako v genetice i v epigenetice si při zkoumání důsledků epigenetických změn na fungování organismů vypomáháme vytvářením (epigenetických) mutantů. Ačkoliv je to velmi účinná metoda, musíme být při interpretaci výsledků opatrní, jelikož některé epimutace nejspíše nemají svůj přírodní předobraz. Na druhou stranu je to výborný nástroj pro teoretické ověření určitého principu.

Jeden výjimečný systém epigenetické variability vytvořili Frank Johannes a Vincent Colot (Johannes et al., 2009), když křížením přírodního mutanta huseníčku (Arabidopsis thaliana) s poškozenou formou genu pro tvorbu enzymu zodpovědného za metylace cytosinu (ddm1) s normální formou stejného genotypu (DDM1) vytvořili hybrid (ddm1/DDM1), který zpětně křížili s normální formou stejného genotypu (DDM1) a výběrem homozygotů (DDM1/DDM1) v F2 generaci získali více než 500 epigeneticky variabilních, avšak geneticky identických linií huseníčku (obr. 2). Epigenetická variabilita linií vznikla díky vytvoření heterozygotů v F1 generaci, kdy jedno vlákno DNA poskytl značně demetylovaný mutant a druhé vlákno normálně metylovaný přírodní jedinec. Tento krok rozházel více méně náhodně metylace celého genomu. Zpětným křížením pak získali F2 generaci, která již neobsahovala mutovaný ddm1 gen. Získali tedy původní divokou formu, ale epigenom byl velmi variabilní.

Polovina z takto vytvořených linií (huseníček je samosprašný, každá linie vznikla z jednoho semene a další generace vznikaly vždy samoopylením) zanikla, respektive se vrátila k původní metylované formě divokého typu. Nicméně zhruba polovina epigenetických linií (epiRILs) byla velmi stabilní i po více než 16 generací. Aniž by to byl cíl, poskytli autoři tímto postupem skvělý materiál pro zkoumání epigenetické variability v ekologii a evoluci rostlin. Vzniklá epigenetická variabilita u huseníčku vytvořila značnou dědičnou variabilitu v řadě ekologicky důležitých znaků, jako je doba kvetení, rychlost růstu či odolnost vůči suchu, což podporuje teorii, že by evoluce mohla probíhat i na bázi epigenetické variability bez nutnosti variability genetické (Zhang et al., 2013).

Dědičná epigenetická variabilita také zapříčinila, že epigenetické linie odlišně reagují na hormonální signál o přítomnosti požírače či parazitické bakterie, což velmi pravděpodobně vede i k odlišnému spouštění obranných mechanismů (Latzel et al., 2012). Velmi zajímavé je také zjištění, že epigenetická variabilita epiRILs neovlivňovala pouze ekologii jednotlivých rostlinek huseníčku, ale také fungování celých populací a ekosystémů.

Při experimentálním vytvoření populací huseníčku, které byly buď epigeneticky homogenní (tedy epigenetické monokultury), nebo epigeneticky variabilní (populace sestávala například z šestnácti různých epi- RILs), se ukázalo, že epigeneticky variabilní populace jsou až o 50 % odolnější vůči stresům, jako je prorůstání plevelů nebo napadení bakteriálním patogenem, než populace s malou epigenetickou diverzitou (Latzel et al., 2013, viz rámeček na předchozí straně). Je to jev velmi podobný tomu, který je možné sledovat u druhové či genetické biodiverzity, kdy společenstva druhově či genotypově bohatá jsou odolnější vůči nepříznivým vlivům než společenstva s méně druhy či genotypy. Ovšem veškerý efekt biodiverzity jde u zmíněné studie na vrub epigenetické diverzitě, jelikož všechny jedinci tvořící populace huseníčku byli geneticky totožní.

To je velmi silný argument pro zastánce ekologické důležitosti dědičné epigenetické variability u rostlin. Jelikož dědičná epigenetická variabilita je také indukována biologickými interakcemi, je představitelné, že různé interakce organismů ve společenstvu mohou vytvářet odlišnou epigenetickou diverzitu, která zpětně rozdílně ovlivňuje fungování ekosystémů, a tudíž i podmínky pro život jednotlivých organismů. Je možné, i když je to pouze má spekulace, že by takto mohla fungovat účinná zpětná vazba zejména v druhově či genotypově chudých ekosystémech, která by mohla napomáhat k určitému zvýšení stability společenstva nebo k okamžité a celkem účinné regulaci funkce ekosystému. V druhově či geneticky chudých ekosystémech by teoreticky mohla epigenetická diverzita zastávat jistou pufrovací funkci, poskytující potřebný čas ke stabilizaci narušeného ekosystému do doby, než se uplatní ostatní stabilizující složky biodiverzity. Toto jsou ovšem jen spekulace a na jejich podporu nebo vyvrácení je třeba teprve zapracovat.

Klonální organismy

Již v úvodu jsem zmínil, že rostliny nám poskytují vzácnou příležitost, kdy se tábory vývojových biologů a epigenetiků mohou spojit a najít společnou řeč ohledně epigenetických procesů a epigenetické dědičnosti. Pokud hovoříme o dědičnosti, většinou si představíme sexuální rozmnožování s nutností splynutí dvou gamet opačného pohlaví. Ale mnoho rostlin druhé pohlaví nepotřebuje, a přesto se vesele rozmnožuje dál, a to díky klonálnímu rozmnožování. To se děje buď vegetativním vytvářením klonálních orgánů, jako jsou různé cibulky či pupeny, nebo při klonálním růstu, kdy dochází k vytváření dceřiných ramet, tedy jakýchsi postranních částí těla, které se mohou osamostatnit od rodičovského klonu a začít nezávislý život. Nedochází tudíž k žádnému oplodnění a vzniku nového jedince s kombinací rodičovské DNA.

Další velmi podstatný rozdíl oproti sexuálnímu rozmnožování je, že při klonálním rozmnožování nedochází k meiotickému dělení. Při meióze se počet chromozomů redukuje na polovinu, aby po splynutí gamet měl potomek opět původní 2n sádku. Nedílnou součástí meiotického dělení je i odstranění velké části epigenetických značek, zejména metylace cytosinů. Jinými slovy, při sexuálním rozmnožování se většina získané epigenetické variability vymaže a nepřenáší se do další generace. Avšak u klonálního rozmnožování tato bariéra chybí. Z pohledu epigenetické dědičnosti tak klonální rozmnožování představuje čistě somatickou dědičnost, stejně jako zmíněný příklad kožní buňky, která dá opět vzniknout kožní buňce. Jedná se tedy o stejné procesy, které studuje vývojová biologie.

Díky teoreticky snadnému přenosu epigenetické informace po somatické linii by tudíž epigenetická dědičnost mohla hrát významnou úlohu v ekologii a evoluci klonálních rostlin. Je dobré si uvědomit, že například ve středoevropském kontextu se až 70 % rostlin rozmnožuje klonálně.

Překvapivě o přenosu epigenetické informace mezi klonálními jedinci nemáme mnoho informací. Nejvíce je prostudována epigenetická dědičnost u apomiktických pampelišek (potomci sice vznikají ze semen, ale vajíčko semene zůstává neoplodněno, a zárodek tudíž vzniká pouze za přispění mateřské DNA). Zde vyniká již zmíněná studie Koena Verhoevena a jeho týmu (Verhoeven et al., 2010). Bohužel sledovala přenos epigenetické informace pouze u jedné klonální generace, tudíž nemáme představu, jak důležitou úlohu má epigenetická dědičnost u tohoto typu klonálního rozmnožování z dlouhodobější perspektivy. U ostatních typů klonálního rozmnožování máme jen nepřímé důkazy z prací na již zmíněných topolech (Raj et al., 2011) nebo křídlatkách (Richards et al., 2012). Proto je klonální epigenetická dědičnost předmětem intenzivního výzkumu hned několika týmů.

Pevně doufám, že jsem čtenáře přes počáteční skepsi stran nedostatečného důkazního materiálu přesvědčil, že dědičná epigenetická variabilita může velmi významně ovlivňovat ekologii, ale i evoluční trajektorii rostlin, a že si epigenetika oprávněně zasluhuje naši pozornost. Jelikož jsme teprve na úplném počátku našeho poznání, věřím, že nás zásadní objevy v tomto oboru teprve čekají. Jsem také přesvědčen: abychom se posunuli v našem porozumění fungování živé přírody, včetně zdokonalení léčebných metod mnoha lidských nemocí, bude nevyhnutelné zasadit genetické a epigenetické procesy do vzájemného kontextu a nazírat na ně jako na propojené, interagující mechanismy, které společně ovlivňují fungování většiny živých organismů.

Poznámky

1) Seznam literatury najdete v elektronické verzi článku na: casopis.vesmir.cz.

Epigenetickou rozmanitostí k vyšší odolnosti

Experimentální populace huseníčku (Arabidopsis thaliana), lišící se v epigenetické diverzitě, rostly za nebo bez přítomnosti plevele či bakteriálního patogenu Pseudomonas syringae. Grafy ukazují výsledný vztah mezi epigenetickou diverzitou populací huseníčku a produkcí biomasy v jednotlivých prostředích. Je patrné, že na produkci biomasy v kontrolních podmínkách měla pozitivní vliv pouze vysoká epigenetická diverzita populací huseníčku. Epigenetická diverzita zde zvýšila produkci o zhruba 30 %.

Naopak již relativně nízká epigenetická diverzita (dva odlišné epigenotypy v populaci) stačila na zvýšení odolnosti populací vůči bakteriální infekci. Infikované populace všech epigenetických diverzit produkovaly zhruba o 20 % více biomasy než infikované epigenetické monokultury.

Velmi zajímavá je odpověď populací huseníčku na přítomnost jak plevelů, tak bakteriální infekce, tedy na stav, kdy populace musely čelit největším problémům. To jsou podmínky, které se blíží skutečným podmínkám v přírodních populacích. Zde se pozitivní efekt epigenetické diverzity ukázal nejsilnější. Epigeneticky vysoce diverzní populace (16 různých epigenotypů v populaci) vytvářely o více než 40 % více biomasy než epigenetické monokultury. Jinými slovy, epigeneticky diverzní populace byly skoro o polovinu odolnější vůči nepříznivým vlivům okolí než epigenetické monokultury.

Jak je možné, že rostliny huseníčku rostly lépe, pokud byly epigenetické linie namíchané oproti rostlinám z monokultur? Za tímto fenoménem často stojí komplementarita, kdy dochází k jisté kooperaci mezi jednotlivými složkami biodiverzity (mezi druhy, genotypy či v tomto případě epigenotypy). Proto systémy s vysokou biodiverzitou obvykle lépe fungují a produkují více biomasy oproti společenstvům s chudou diverzitou, kde je méně prostoru pro vzájemnou „kooperaci“.

Volně převzato z Latzel et al. 2013.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201502_105-109.pdf (1 MB)

Diskuse

Žádné příspěvky