Epigenetic variation in seagrass clones: key to success without genetic variation?

Sjøgressenger er grunnlaget for noen av de mest produktive og svært mangfoldige kystnære marine økosystemene på planeten. Deres globale nedgang har en negativ innvirkning på økonomisk viktige arter og resulterer i tap av økosystemtjenester verdt mer enn ? 16.000 ha-1 år-1. Dermed er det avgjørende å forstå drivere for motstandskraft i sjøgras. Genetisk variasjon anses som nøkkelen til evolusjonær tilpasning og langsiktig overlevelse av populasjoner. Imidlertid er klonale sjøgressenger, som forventes å vise lav genetisk variasjon, blant de eldste levende organismer på planeten vår. Nøkkelen til dette paradokset kan være epigenetisk variasjon (molekylære endringer som endrer genuttrykk, men ikke DNA-sekvensen) som kompenserer for mangel av genetisk variasjon. Prosjektet vårt bruker avanserte genomikk-teknikker i kombinasjon med feltundersøkelser og vanlige ?common-garden?-eksperimenter for å adressere viktigheten av epigenetisk variasjon for motstandskraften i sjøgressen Zostera marina (ålegras), den mest distribuerte sjøgress på den nordlige halvkule. Basert på prøver fra en årtusen gammel klonal ålgraseng i Østersjøen, viser vi for første gang at variasjon i DNA-metylering, den mest stabile epigenetiske mekanismen, fremmer variasjon i kondisjonsrelaterte trekk av økologisk relevans: fotosyntetisk ytelse og varmestress motstandsdyktighet. Mens genotypisk mangfold har vist seg å styrke motstanden og mangfoldet av virvelløse dyr i ålegrasenger som består av flere genotyper, foreslår vi at epigenetisk variasjon spiller en lignende rolle i klonale enger med potensial til å sikre funksjon ikke bare for ålegreaplanter, men av hele det tilknyttede økosystemet. Følgelig må bevaringsstyring av klonale planter inkludere epigenetisk variasjon som indikator på spenst og stabilitet. Denne studien kan være et første skritt mot mer bærekraftig restaurering av sjøgras som i stor grad avhenger av suksessen til gjenplantede skudd for å overvinne naturlig variabilitet. Gitt at 40% av alle planter reproduserer klonalt, er funnene våre viktige for andre felt som invasjonsbiologi og avling av klonale planter.

Outcomes Achieved: - Increased international research collaboration with colleagues from 7 universities in Europe and the US - Invitation of AJ to present at the prestigious Gordon Research Conference in 2019 Expected: - publications:1 published, 1 submitted, 2 in progress - Project proposals with partners of this project Impacts The functional role of methylation variation in clonal plants is of applied interest for management programs of clonal organisms designed to assess evolutionary potential and population stability, and to minimize the loss of biodiversity. Our results can be directly relevant for restoration of coastal biodiversity associated with seagrass ecosystems that largely depends on the success of replanted shoots to overcome natural variability. Given that 40% of all plant species can reproduce clonally, our findings are further important to other fields, such as invasion biology and crop breeding strategies of clonal plants.

Seagrass meadows are at the structural basis of highly diverse and productive ecosystems, providing a great number of goods and services. Their decline worldwide is thus a source of concern and it is crucial to understand the drivers of resilience in such foundation species. Genetic variation is considered a key to evolutionary adaptation and survival in the long term. However, the ecological and evolutionary success of clonal lineages, challenges the direct relationship between genetic diversity and adaptation. For example, in the seagrass Zostera marina large, old clones show high phenotypic plasticity in the absence of genetic variation. The key to this paradox may be the epigenetic variation (molecular-level changes altering gene expression, but not the DNA sequence). Even in the absence of genetic variation, epigenetic variation can cause heritable variation in phenotypic traits and thus can play a crucial role for an organism s immediate and evolutionary response to its environment. Nonetheless, we know very little about the importance of epigenetic processes in natural populations and many questions remain to be answered to fully appraise the role of epigenetics in plasticity and adaptation. Our proposal will use state of the art genomics techniques in combination with field survey and common garden experiments to address the importance of epigenetic variation for the resilience of Zostera marina. The objectives of the project are 1) to investigate the presence and drivers of epigenetic diversity within Zostera marina clones; 2) to assess the functional consequences of epigenetic variation in Zostera marina clones; and 3) to investigate the heritability of epigenetic variation within Zostera marina meadows. The project will fill fundamental knowledge gaps in the role of epigenetic versus genetic diversity as drivers of ecosystem resilience.