Plant epigenome plasticity as response to its colonization by a beneficial fungal endophyte

Abstract

The term epigenetics refers to the study of chemical modifications of DNA and histone proteins that regulate gene expression without changing the DNA sequence. All the epigenetic marks of an organism, which together constitute its epigenome, can influence responses to environmental and developmental cues and ultimately contribute to its phenotype. In plants, epigenetic regulation primarily involves DNA methylation, diverse chromatin modifications and gene regulation mediated by small RNAs. As sessile organisms, plants constantly face environmental challenges. As a result, the plant epigenome is highly plastic, changing dynamically during development, to protect against transposons and as a response to biotic and abiotic stimuli. Despite increasing interest in plant–microbe interactions, how beneficial microbes influence the plant epigenome remains largely unknown. The main aim of the current thesis is to investigate how a beneficial endophytic fungus, Fusarium solani strain K (FsK), modulates the epigenetic state of its host plants with a focus on small RNAs and DNA methylation. FsK has been shown to promote plant fitness, enhancing stress tolerance in Solanum lycopersicum, boosting aerial growth in Nicotiana benthamiana, and improving the ability of Lotus japonicus to withstand low-nutrient conditions. In the first part of the thesis, we used mutant N. benthamiana and FsK lines to elucidate the molecular mechanisms of sRNA transfer from the fungus to the plant, a phenomenon termed cross-kingdom RNA interference. These experiments revealed that the fungus can trigger both post-transcriptional gene silencing and DNA methylation of a host reporter gene, relying on the plant’s RDR6-mediated amplification mechanism. Because epigenetic modifications can, in some cases, be inherited by the next generation, we next examined whether the DNA methylation induced by the endophyte could be transmitted to the progeny. In the second part of this study, we focused on the wild-type system, employing two different plant hosts of the endophyte, each selected for its distinct biological relevance. By leveraging transcriptomic data, we aimed to identify potential gene targets through which the endophyte enhances tolerance to abiotic stress in S. lycopersicum. In parallel, we examined genes that are transcriptionally and epigenetically modulated during the early stages of symbiosis, thereby facilitating the colonization process in L. japonicus. Together, these findings improve our understanding of beneficial plant–fungus interactions and highlight epigenetic regulation—including small RNA pathways and DNA methylation—as central components in the communication between FsK and its host plants.

Ο όρος επιγενετική αναφέρεται στη μελέτη των χημικών τροποποιήσεων του DNA και των ιστονών που ρυθμίζουν την γονιδιακή έκφραση χωρίς την τροποποίηση της αλληλουχίας του DNA. Το σύνολο των επιγενετικών τροποποιήσεων που φέρει ένας οργανισμός συνιστά το επιγονιδίωμα του και διαμορφώνει την απόκριση του σε περιβαλλοντικά και αναπτυξιακά ερεθίσματα, συμβάλλοντας τελικά στον φαινότυπο του. Στα φυτά, οι κύριες επιγενετικές τροποποιήσεις περιλαμβάνουν τη μεθυλίωση του DNA, διάφορες τροποποιήσεις των ιστονών και τη ρύθμιση της γονιδιακής έκφρασης μέσω μικρών RNA. Τα φυτά αντιμετωπίζουν συνεχώς περιβαλλοντικές προκλήσεις. Ως αποτέλεσμα, το επιγονιδίωμα των φυτών είναι ιδιαίτερα πλαστικό και μεταβάλλεται δυναμικά κατά την ανάπτυξη, προκειμένου το φυτό να προστατευτεί έναντι των μεταθετών στοιχείων, των ιών και κατά την αλληλεπίδραση του με βιοτικούς και αβιοτικούς παράγοντες. Παρά το αυξανόμενο βιολογικό ενδιαφέρον για τις αλληλεπιδράσεις φυτών-μικροοργανισμών, ο τρόπος με τον οποίο οι ωφέλιμοι μικροοργανισμοί επηρεάζουν το φυτικό επιγονιδώμα παραμένει σε μεγάλο βαθμό άγνωστος. Ο κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι να διερευνήσει πώς ο ωφέλιμος ενδοφυτικός μύκητας Fusarium solani στέλεχος Κ (FsK) επηρεάζει το επιγονιδίωμα των φυτών ξενιστών του, με έμφαση στους μηχανισμούς των μικρών RNA και τη μεθυλίωση του DNA. Έχει αποδειχθεί ότι ο FsK είναι ωφέλιμος για τα φυτά. Σε φυτά-ξενιστές του έχει αναφερθεί, ενίσχυση της αντοχής στην καταπόνηση στο Solanum lycopersicum, προαγωγή της βλαστητικής ανάπτυξης στο Nicotiana benthamiana, και βελτίωση της θρέψης και της ικανότητας του Lotus japonicus να αναπτύσσεται σε συνθήκες χαμηλής διαθεσιμότητας θρεπτικών. Στο πρώτο μέρος της διατριβής, χρησιμοποιήσαμε μεταλλαγμένες σειρές του φυτού N. benthamiana και του μύκητα FsK για να διαλευκάνουμε τους μοριακούς μηχανισμούς μεταφοράς των μικρών RNA από τον μύκητα στο φυτό, ένα φαινόμενο γνωστό ως RNA παρεμβολή μεταξύ οργανισμών διαφορετικών βασιλείων (cross-kingdom RNA interference). Τα πειράματα αυτά έδειξαν ότι ο μύκητας μπορεί να προκαλέσει μετα-μεταγραφική σίγηση, καθώς και μεθυλίωση DNA σε ένα γονίδιο αναφοράς του ξενιστή, αξιοποιώντας τον μηχανισμό εξάπλωσης της RNA παρεμβολής που μεσολαβείται από τις RDR6 πολυμεράσες (RNA-dependent RNA polymerases) του φυτού. Δεδομένου ότι οι επιγενετικές τροποποιήσεις μπορούν, σε ορισμένες περιπτώσεις, να κληρονομηθούν στην επόμενη γενιά, εξετάσαμε στη συνέχεια κατά πόσο η μεθυλίωση του DNA, που προκαλείται από τον ενδοφυτικό μύκητα, μπορεί να μεταβιβαστεί στους απογόνους. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής, επικεντρωθήκαμε στο σύστημα αγρίου τύπου, χρησιμοποιώντας δύο διαφορετικούς ξενιστές του FsK, που επιτελούν διαφορετικούς βιολογικούς σκοπούς. Αξιοποιώντας δεδομένα μεταγραφωμικής, στόχος μας ήταν να εντοπίσουμε πιθανούς γονιδιακούς στόχους μέσω των οποίων ο ενδοφυτικός μύκητας ενισχύει την αντοχή των φυτών S. lycopersicum στο αβιοτικό στρες, καθώς και γονίδια που συμβάλουν στον αποικισμό κατά τα πρώιμα στάδια της αλληλεπίδρασης με το L. japonicus. Συνολικά, τα ευρήματα της παρούσας εργασίας συμβάλουν στην καλύτερη κατανόηση των μοριακών μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα κατά την αλληλεπίδραση των φυτών με ωφέλιμους μύκητες. Ιδιαίτερη έμφαση δίνεται στην σημασία των επιγενετικών αλλαγών, συμπεριλαμβανομένων των μονοπατιών των μικρών RNA και της μεθυλίωσης του DNA, ως βασικών στοιχείων στην επικοινωνία μεταξύ του FsK και των φυτών ξενιστών του.