Nutritional regulation of DNA methylation and gene expression in maize

Abstract

DNA methylation in plants plays a role in transposon silencing, genome stability and gene expression regulation. Environmental factors alter the methylation pattern of DNA and recently nutrient stresses, such as phosphate starvation, were shown to alter DNA methylation. DNA methylation had been frequently addressed in plants with notably small genomes that are poor in transposons. Here, part of the DNA methylome of nitrogen-, phosphorus- and zinc-deficient (-N, -P and -Zn, respectively) maize roots were compared by reduced representation sequencing and their relationship with gene expression under prolonged stresses analyzed. Tremendous DNA methylation loss was encountered in maize under nitrogen and zinc deficiency, but much less under phosphorus deficiency. This occurred only in the symmetrical cytosine contexts, predominantly in CG context, but also in the CHG context. In contrast to other plants, differential methylation in the more flexible CHH context was essentially absent. For each sample, specific nutrient deficiency-regulated genes were differentially expressed. In -Zn samples the lowest number of differentially expressed genes was found while -N and -P samples contained a similar number of differentially expressed genes. For all samples, differentially methylated regions (DMRs) were predominantly identified in transposable elements (TEs). A minor fraction of such DMRs was associated with altered gene expression of nearby genes in -N and -P. Interestingly, although these TEs were mostly hypomethylated, they were associated with both upand down-regulated gene expression. For -Zn, these associations were not found but a correlation between hypomethylation of gene bodies and expression of some genes. Here again, hypomethylation occurred with up- and downregulation of gene expression. The results suggested a different methylome regulation in maize compared to rice and Arabidopsis upon nutrient deficiencies indicating a nutrient- and species-specific association of genomic DNA methylation and gene expression. The limited correlation between differential DNA methylation and gene expression suggested that heritable regulation of the expression of nutrient deficiency-regulated genes was not the primary function of the methylation loss. Rather, the major function of the DNA methylation loss in this experiment may have been to increase the genetic diversity in the next generation by increased frequency of recombination events, mutations and transposable element movements.

DNA Methylierung spielt in Pflanzen eine wichtige Rolle für die Stilllegung von Transposons, für die Genomstabilisierung sowie bei der Regulation der Genexpression. Umweltfaktoren ändern das Methylierungsmuster und inzwischen wurde gezeigt, dass auch Nährstoffstress, wie zum Beispiel Phosphatmangel, das Methylierungsbild ändern kann. DNA Methylierung wurde häufig in Pflanzen mit besonders kleinem Genom und einem geringfügigen Anteil an Transposons untersucht. Hier wurde ein Teil des DNA Methyloms von Maiswurzeln mit Nitrat-, Phosphat- oder Zinkmangel (-N, -P bzw. -Zn) mittels ‚reduced representation‘ Sequenzierung miteinander verglichen und der Zusammenhang mit der Genexpression unter andauerndem Stress analysiert. Unter Nitrat- und Zinkmangel war ein starker Verlust von DNA Methylierung zu verzeichnen, unter Phosphatmangel jedoch nur eine weit schwächere Minderung. Der Verlust trat in den symmetrischen Kontexten des Cytosins auf, vor allem im CG Kontext, aber auch im CHG Kontext. Im Unterschied zu anderen Pflanzen, war eine differenzielle Methylierung im flexibleren CHH Kontext quasi nicht vorhanden. Bei jeder Behandlung lag typische Nährstoffmangel-regulierte differenzielle Genexpression vor. Die niedrigste Anzahl an differenziell exprimierten Genen wurde unter -Zn gefunden, während -N und -P Behandlungen etwa gleich viele differenziell exprimierte Gene aufwiesen. In allen Proben lagen die meisten differenziell methylierten Regionen (DMRs) in Transposons (TEs). Bei einem kleinen Teil der DMRs gab es nahegelegene differenziell exprimierte Gene in -N und -P. Obwohl die meisten der differenziell methylierten TEs hypomethyliert waren, war die Expression der nahen Gene sowohl hoch- als auch runterreguliert. In -Zn gab es keinen signifikanten Zusammenhang zwischen differenziell methylierten TEs und der Expression nahegelegener Gene. Es wurde jedoch ein Zusammenhang zwischen Hypomethylierung einiger Gene und deren Expression gefunden, die auch hier teils hoch-, teils runterreguliert waren. Die Ergebnisse wiesen auf eine andere Methylom-Regulierung bei Nährstoffmängeln in Mais als in Reis und Arabidopsis hin und verwiesen auf eine nährstoff- sowie speziesabhängige Anpassung der genomischen DNA Methylierung im Zusammenhang mit der Genexpression. Die schwache Korrelation zwischen differenzieller Methylierung und Genexpression deutete darauf hin, dass eine vererbbare Regulation der Expression von Nährstoffmangel-regulierten Genen nicht die Hauptfunktion der Änderungen im Methylierungslevel war. Vielmehr könnte dem Verlust der Methylierung eine größere Rolle in der Erhöhung der genetischen Diversität in der nächsten Generation durch Zunahme von Rekombinationsereignissen, Mutationen und Bewegung von Transposons zukommen.