@phdthesis{Eckert2022,
  author    = {Eckert, Silvia},
  title     = {Trait variation in changing environments: Assessing the role of DNA methylation in non-native plant species},
  doi       = {10.25932/publishup-56884},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-568844},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {VIII, 134, CXXX},
  year      = {2022},
  abstract  = {The increasing introduction of non-native plant species may pose a threat to local biodiversity. However, the basis of successful plant invasion is not conclusively understood, especially since these plant species can adapt to the new range within a short period of time despite impoverished genetic diversity of the starting populations. In this context, DNA methylation is considered promising to explain successful adaptation mechanisms in the new habitat. DNA methylation is a heritable variation in gene expression without changing the underlying genetic information. Thus, DNA methylation is considered a so-called epigenetic mechanism, but has been studied in mainly clonally reproducing plant species or genetic model plants. An understanding of this epigenetic mechanism in the context of non-native, predominantly sexually reproducing plant species might help to expand knowledge in biodiversity research on the interaction between plants and their habitats and, based on this, may enable more precise measures in conservation biology. For my studies, I combined chemical DNA demethylation of field-collected seed material from predominantly sexually reproducing species and rearing offsping under common climatic conditions to examine DNA methylation in an ecological-evolutionary context. The contrast of chemically treated (demethylated) plants, whose variation in DNA methylation was artificially reduced, and untreated control plants of the same species allowed me to study the impact of this mechanism on adaptive trait differentiation and local adaptation. With this experimental background, I conducted three studies examining the effect of DNA methylation in non-native species along a climatic gradient and also between climatically divergent regions. The first study focused on adaptive trait differentiation in two invasive perennial goldenrod species, Solidago canadensis sensu latu and S. gigantea AITON, along a climate gradient of more than 1000 km in length in Central Europe. I found population differences in flowering timing, plant height, and biomass in the temporally longer-established S. canadensis, but only in the number of regrowing shoots for S. gigantea. While S. canadensis did not show any population structure, I was able to identify three genetic groups along this climatic gradient in S. gigantea. Surprisingly, demethylated plants of both species showed no change in the majority of traits studied. In the subsequent second study, I focused on the longer-established goldenrod species S. canadensis and used molecular analyses to infer spatial epigenetic and genetic population differences in the same specimens from the previous study. I found weak genetic but no epigenetic spatial variation between populations. Additionally, I was able to identify one genetic marker and one epigenetic marker putatively susceptible to selection. However, the results of this study reconfirmed that the epigenetic mechanism of DNA methylation appears to be hardly involved in adaptive processes within the new range in S. canadensis. Finally, I conducted a third study in which I reciprocally transplanted short-lived plant species between two climatically divergent regions in Germany to investigate local adaptation at the plant family level. For this purpose, I used four plant families (Amaranthaceae, Asteraceae, Plantaginaceae, Solanaceae) and here I additionally compared between non-native and native plant species. Seeds were transplanted to regions with a distance of more than 600 kilometers and had either a temperate-oceanic or a temperate-continental climate. In this study, some species were found to be maladapted to their own local conditions, both in non-native and native plant species alike. In demethylated individuals of the plant species studied, DNA methylation had inconsistent but species-specific effects on survival and biomass production. The results of this study highlight that DNA methylation did not make a substantial contribution to local adaptation in the non-native as well as native species studied. In summary, my work showed that DNA methylation plays a negligible role in both adaptive trait variation along climatic gradients and local adaptation in non-native plant species that either exhibit a high degree of genetic variation or rely mainly on sexual reproduction with low clonal propagation. I was able to show that the adaptive success of these non-native plant species can hardly be explained by DNA methylation, but could be a possible consequence of multiple introductions, dispersal corridors and meta-population dynamics. Similarly, my results illustrate that the use of plant species that do not predominantly reproduce clonally and are not model plants is essential to characterize the effect size of epigenetic mechanisms in an ecological-evolutionary context.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Siebler2024,
  author    = {Siebler, Lara},
  title     = {Identifying novel regulators of heat stress memory in Arabidopsis thaliana},
  doi       = {10.25932/publishup-63447},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus4-634477},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {135},
  year      = {2024},
  abstract  = {Heat stress (HS) is a major abiotic stress that negatively affects plant growth and productivity. However, plants have developed various adaptive mechanisms to cope with HS, including the acquisition and maintenance of thermotolerance, which allows them to respond more effectively to subsequent stress episodes. HS memory includes type II transcriptional memory which is characterized by enhanced re-induction of a subset of HS memory genes upon recurrent HS. In this study, new regulators of HS memory in A. thaliana were identified through the characterization of rein mutants. The rein1 mutant carries a premature stop in CYCLIN-DEPENDENT-KINASE 8 (CDK8) which is part of the cyclin kinase module of the Mediator complex. Rein1 seedlings show impaired type II transcriptional memory in multiple heat-responsive genes upon re-exposure to HS. Additionally, the mutants exhibit a significant deficiency in HS memory at the physiological level. Interaction studies conducted in this work indicate that CDK8 associates with the memory HEAT SHOCK FACTORs HSAF2 and HSFA3. The results suggest that CDK8 plays a crucial role in HS memory in plants together with other memory HSFs, which may be potential targets of the CDK8 kinase function. Understanding the role and interaction network of the Mediator complex during HS-induced transcriptional memory will be an exciting aspect of future HS memory research. The second characterized mutant, rein2, was selected based on its strongly impaired pAPX2::LUC re-induction phenotype. In gene expression analysis, the mutant revealed additional defects in the initial induction of HS memory genes. Along with this observation, basal thermotolerance was impaired similarly as HS memory at the physiological level in rein2. Sequencing of backcrossed bulk segregants with subsequent fine mapping narrowed the location of REIN2 to a 1 Mb region on chromosome 1. This interval contains the At1g65440 gene, which encodes the histone chaperone SPT6L. SPT6L interacts with chromatin remodelers and bridges them to the transcription machinery to regulate nucleosome and Pol II occupancy around the transcriptional start site. The EMS-induced missense mutation in SPT6L may cause altered HS-induced gene expression in rein2, possibly triggered by changes in the chromatin environment resulting from altered histone chaperone function. Expanding research on screen-derived factors that modify type II transcriptional memory has the potential to enhance our understanding of HS memory in plants. Discovering connections between previously identified memory factors will help to elucidate the underlying network of HS memory. This knowledge can initiate new approaches to improve heat resilience in crops.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Vyse2022,
  author    = {Vyse, Kora},
  title     = {Elucidating molecular determinants of the loss of freezing tolerance during deacclimation after cold priming and low temperature memory after triggering},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {vii, 147},
  year      = {2022},
  abstract  = {W{\"a}hrend ihrer Entwicklung m{\"u}ssen sich Pflanzen an Temperaturschwankungen anpassen. Niedrige Temperaturen {\"u}ber dem Gefrierpunkt induzieren in Pflanzen eine K{\"a}lteakklimatisierung und h{\"o}here Frosttoleranz, die sich bei w{\"a}rmeren Temperaturen durch Deakklimatisierung wieder zur{\"u}ckbildet. Der Wechsel zwischen diesen beiden Prozessen ist f{\"u}r Pflanzen unerl{\"a}sslich, um als Reaktion auf unterschiedliche Temperaturbedingungen eine optimale Fitness zu erreichen. Die K{\"a}lteakklimatisierung ist umfassend untersucht worden,{\"u}ber die Regulierung der Deakklimatisierung ist jedoch wenig bekannt. In dieser Arbeit wird der Prozess der Deakklimatisierung auf physiologischer und molekularer Ebene in Arabidopsis thaliana untersucht. Messungen des Elektrolytverlustes w{\"a}hrend der K{\"a}lteakklimatisierung und bis zu vier Tagen nach Deakklimatisierung erm{\"o}glichten die Identifizierung von vier Knockout-Mutanten (hra1, lbd41, mbf1c und jub1), die im Vergleich zum Wildtyp eine langsamere Deakklimatisierungsrate aufwiesen. Eine transkriptomische Studie mit Hilfe von RNA-Sequenzierung von A. thaliana Col-0, jub1 und mbf1c zeigte die Bedeutung der Hemmung von stressreaktiven und Jasmonat-ZIM-Dom{\"a}nen-Genen sowie die Regulierung von Zellwandmodifikationen w{\"a}hrend der Deakklimatisierung. Dar{\"u}ber hinaus zeigten Messungen der Alkoholdehydrogenase Aktivit{\"a}t und der Genexpressions{\"a}nderungen von Hypoxiemarkern w{\"a}hrend der ersten vier Tagen der Deakklimatisierung, dass eine Hypoxie-Reaktion w{\"a}hrend der Deakklimatisierung aktiviert wird. Es wurde gezeigt, dass die epigenetische Regulierung w{\"a}hrend der K{\"a}lteakklimatisierung und der 24-st{\"u}ndigen Deakklimatisierung in A. thaliana eine große Rolle spielt. Dar{\"u}ber hinaus zeigten beide Deakklimatisierungsstudien, dass die fr{\"u}here Hypothese, dass Hitzestress eine Rolle bei der fr{\"u}hen Deakklimatisierung spielen k{\"o}nnte, unwahrscheinlich ist. Eine Reihe von DNA- und Histondemethylasen sowie Histonvarianten wurden w{\"a}hrend der Deakklimatisierung hochreguliert, was auf eine Rolle im pflanzlichen Ged{\"a}chtnis schließen l{\"a}sst. In j{\"u}ngster Zeit haben mehrere Studien gezeigt, dass Pflanzen in der Lage sind, die Erinnerung an einen vorangegangenen K{\"a}ltestress auch nach einer Woche Deakklimatisierung zu bewahren. In dieser Arbeit ergaben Transkriptom- und Metabolomanalysen von Arabidopsis w{\"a}hrend 24 Stunden Priming (K{\"a}lteakklimatisierung) und Triggering (wiederkehrender K{\"a}ltestress nach Deakklimatisierung) eine unikale signifikante und vor{\"u}bergehende Induktion der Transkriptionsfaktoren DREB1D, DREB1E und DREB1F w{\"a}hrend des Triggerings, die zur Feinabstimmung der zweiten K{\"a}ltestressreaktion beitr{\"a}gt. Dar{\"u}ber hinaus wurden Gene, die f{\"u}r Late Embryogenesis Abundant (LEA) und Frostschutzproteine kodieren, sowie Proteine, die reaktive Sauerstoffspezies entgiften, w{\"a}hrend des sp{\"a}ten Triggerings (24 Stunden) st{\"a}rker induziert als nach dem ersten K{\"a}lteimpuls, w{\"a}hrend Xyloglucan- Endotransglucosylase/Hydrolase Gene, deren Produkte f{\"u}r eine Restrukturierung der Zellwand verantwortlich sind, fr{\"u}h auf das Triggering reagierten. Die starke Induktion dieser Gene, sowohl bei der Deakklimatisierung als auch beim Triggering, l{\"a}sst vermuten, dass sie eine wesentliche Rolle bei der Stabilisierung der Zellen w{\"a}hrend des Wachstums und bei der Reaktion auf wiederkehrende Stressbedingungen spielen. Zusammenfassend gibt diese Arbeit neue Einblicke in die Regulierung der Deakklimatisierung und des K{\"a}ltestress-Ged{\"a}chtnisses in A. thaliana und er{\"o}ffnet neue M{\"o}glichkeiten f{\"u}r k{\"u}nftige, gezielte Studien von essentiellen Genen in diesem Prozess.},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Wetzel2022,
  author    = {Wetzel, Alexandra},
  title     = {Epigenetische Regulation des Epstein-Barr Virus-induzierten Gens 3 (EBI3) und dessen Bedeutung bei Colitis ulcerosa},
  school      = {Universit{\"a}t Potsdam},
  pages     = {164},
  year      = {2022},
  abstract  = {Epigenetische Mechanismen spielen eine entscheidende Rolle bei der Pathogenese von Colitis ulcerosa (CU). Ihr Einfluss auf das beobachtete Ungleichgewicht zwischen pro- und anti-inflammatorischen Cytokinen ist hingegen weitgehend unerforscht. Einige der wichtigsten immunmodulatorischen Cytokine sind die Mitglieder der heterodimeren Interleukin- (IL-) 12-Familie, die durch das Kombinieren einer der drei α-Ketten (IL-12p35, IL-27p28, IL-23p19) mit den ß-Untereinheiten IL-12p40 oder EBI3 (Epstein-Barr Virus-induziertes Gen 3) charakterisiert sind. IL-35 (IL-12p35/EBI3) spielt eine bedeutende anti-inflammatorische Rolle bei verschiedenen Erkrankungen, wohingegen seine Level bei chronischen Entz{\"u}ndungen erniedrigt sind. Eine m{\"o}gliche Ursache k{\"o}nnte eine transkriptionelle Stilllegung {\"u}ber epigenetische Modifikationen sein. Tats{\"a}chlich konnte durch die Stimulation mit dem DNA-Methyltransferase-Inhibitor (DNMTi) Decitabin (DAC; Dacogen®) eine Induktion von EBI3 in humanen Epithelzellen aus gesundem Colon (HCEC) erreicht werden, die als Modell f{\"u}r ein lokales Entz{\"u}ndungsgeschehen dienten. Diese Regulation {\"u}ber DNA-Methylierung konnte in weiteren humanen Zellen unterschiedlichen Ursprungs sowie durch Stimulation von HCEC-Zellen mit zwei weiteren DNMTi, dem Cytosin-Analogon Azacytidin (AZA; Vidaza®) und dem nat{\"u}rlich vorkommenden, epigenetisch wirksamen Polyphenol Epigallocatechingallat (EGCG), verifiziert werden. Die kombinierte Inkubation mit Tumor-Nekrose-Faktor α (TNFα) resultierte jeweils in einer {\"u}ber-additiven Induktion von EBI3. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen zeigten, dass TNFα trotz Beeinflussung der epigenetischen DNMT- und Ten-eleven Translocation- (TET-) Enzyme keinen Einfluss auf die globalen Methylierungs- oder Hydroxymethylierungslevel hatte, jedoch eine genspezifische DNA-Hypomethylierung im EBI3-Promotor induzierte. Durch Nutzung verschiedener Inhibitoren konnte dar{\"u}ber hinaus nachgewiesen werden, dass der beobachtete synergistische Effekt der gemeinsamen DAC und TNFα-Stimulation haupts{\"a}chlich {\"u}ber NFκB (Nuclear factor "kappa-light-chain-enhancer" of activated B-cells) vermittelt wird. Ein Teil verl{\"a}uft dabei {\"u}ber p38 MAPK (mitogen-activated protein kinases), w{\"a}hrend die JNK- (c-Jun N-terminale Kinasen-) und ERK- (extracellular-signal-regulated kinases) Signalwege keine Rolle spielen. In der vorliegenden Arbeit wurde zudem gezeigt, dass die DNA-Hypomethylierung w{\"a}hrend eines entz{\"u}ndlichen Zustandes auch in einer erh{\"o}hten EBI3-Proteinexpression resultiert. Die H{\"o}he der immunologisch detektierten Banden wies auf eine Dimerbildung sowohl im Zelllysat als auch im {\"U}berstand hin. Humane Colonepithelzellen sind demnach in der Lage, Cytokine zu bilden und zu sezernieren, was die Bedeutung von Nicht-Immunzellen bei der lokalen Immunantwort unterstreicht. Mittels Genexpressionsanalysen wurden IL-12p35 und IL-23p19 als m{\"o}gliche Bindungspartner identifiziert. Aufgrund kreuzreaktiver Antik{\"o}rper ist ein direkter Nachweis der EBI3-Dimere derzeit nicht m{\"o}glich. Die stattdessen genutzte Kombination verschiedener Methoden dient als geeigneter Ersatz f{\"u}r die problematischen Antik{\"o}rper-basierten Analysen wie Immunpr{\"a}zipitation oder ELISA. Durch molekularbiologische, immunologische und massenspektrometrische Methoden konnte IL-35 identifiziert werden, w{\"a}hrend IL-39 (IL-23p19/EBI3) nicht detektiert wurde. Dies ist in Einklang mit den Erkenntnissen mehrerer Forschungsgruppen, die eine Bildung des nativen humanen Dimers aus IL-23p19 und EBI3 bezweifeln. Des Weiteren wurde die biologische Aktivit{\"a}t des behandlungsinduzierten IL 35-Proteins durch einen Funktionsassay nachgewiesen. Neben einer DNMTi-bedingten transkriptionellen Aktivierung konnte eine Regulation von EBI3 {\"u}ber Histonacetylierungen gezeigt werden. Der EBI3-induzierende Effekt des Histondeacetylasen-Inhibitors (HDACi) Trichostatin A (TSA) wurde durch SAHA (suberoylanilide hydroxamic acid (Vorinostat; Zolinza®)) verifiziert. {\"A}hnlich zu der Stimulation mit den hypomethylierenden Substanzen wurde ein synergistischer Effekt bei paralleler Inkubation mit TNFα beobachtet, der in einer gesteigerten Bildung des EBI3-Proteins resultierte. Um die Befunde in einem komplexeren in vivo-Modell zu untersuchen, wurde eine chronische Colitis in Ebi3-defizienten M{\"a}usen und dem dazugeh{\"o}rigen Wildtypstamm C57BL/6 durch zyklische Applikation von Natriumdextransulfat (Dextran sodium sulfate (DSS)) induziert. Der Vergleich klinischer Parameter wie Mortalit{\"a}tsrate und K{\"o}rper- sowie Milzgewicht wies bei Abwesenheit von Ebi3 signifikant st{\"a}rkere colitische Symptome auf. Dies best{\"a}tigte die zentrale Rolle von Ebi3 in der Colitisentwicklung und deutete auf eine bevorzugte Bildung des anti-inflammatorisch wirkenden IL-35 statt des pro-inflammatorischen IL-39 in den Wildtyptieren hin. Durch zus{\"a}tzliche therapeutische Behandlung der C57BL/6-M{\"a}use nach der DSS-Gabe konnte die in der Literatur beschriebene positive Wirkung von SAHA auf die Colitismanifestation best{\"a}tigt werden. Im Gegensatz dazu war der HDACi in den Ebi3-defizienten Tieren nicht in der Lage, die colitischen Parameter zu verbessern beziehungsweise verschlimmerte den Krankheitsph{\"a}notyp. Expressionsanalysen von Up- und Downstream-Target-Genen lieferten weitere Hinweise darauf, dass bei Anwesenheit von Ebi3 IL-35 statt IL-39 gebildet wird, was in Einklang mit den in vitro-Untersuchungen steht. Die vorliegende Arbeit konnte durch den Vergleich der C57BL/6-M{\"a}use mit den Ebi3-defizienten Tieren neue Erkenntnisse {\"u}ber die Wirkungsweise von SAHA erbringen. Histonacetylierende Bedingungen verbessern colitische Symptome {\"u}ber einen Mechanismus, der die epigenetische Induktion von Ebi3 mit nachfolgender IL-35-Bildung involviert. Durch Kooperation der epigenetischen Mechanismen Hypomethylierung und Histonacetylierung wurde der st{\"a}rkste Effekt auf die EBI3-Induktion bewirkt. Insgesamt konnte in der vorliegenden Arbeit durch in vitro- und in vivo-Analysen die epigenetische und NFκB-vermittelte Induktion von EBI3 {\"u}ber DNA-Demethylierung und Histonacetylierung mit nachfolgender IL-35-Bildung und -Sezernierung nachgewiesen werden. Da IL-35 in der Lage ist, colitische Symptome zu mildern, stellt die epigenetische Reaktivierbarkeit von EBI3 durch DNMTi und HDACi eine vielversprechende Alternative f{\"u}r die derzeit genutzten, oft nicht oder nur kurzfristig wirksamen Therapien bei der Behandlung einer CU dar. Einer {\"u}berm{\"a}ßigen Immunantwort w{\"a}hrend schubweiser entz{\"u}ndlicher Phasen k{\"o}nnte entgegengewirkt und Komplikationen wie die Bildung Colitis-assoziierter Karzinome verhindert werden.},
  language  = {de}
}