Sollys med lang bølgelengde, som oppfattes som rødt eller mørkerødt av oss, forteller planter om de vokser i skyggen av andre planter eller i direkte sollys. I motsetning til de fleste plantearter som prøver å vokse vekk fra skyggen, søker snylteplanten Cuscuta skyggede forhold hvor produksjonen av infeksjonsorganer favoriseres. Ved hjelp av avansert LED-teknologi har vi testet hvordan snylteplanten reagerer på variasjoner i intensitet og eksponeringstid for rødt eller mørkerødt lys. Ved å bruke trepinner i stedet for vertens stengler som støtte eller angrepsoverflate for parasitten kunne vi utelukke at faktorer fra verten interfererte med lyssignalene. Kort oppsummert fant vi at mørkerødt lys alene hadde samme effekt som fjerning av røde lysbølger fra det hvite lysspekteret (og omvendt, bruk av rødt lys tilsvarte effekten av å fjerne mørkerøde lysbølger), så det er ikke selve bølgelengden, men andel av røde i forhold til mørkerøde lysbølger som er viktig for Cuscutas respons. Ved å enten fjerne plantens skuddspisser eller dekke dem med en hette av aluminium kunne vi utelukke at fotoreseptorene som registrerer rødt eller mørkerødt lys særlig befinner seg i plantens øverste del (hvor den vokser). For videre molekylære analyser trengte vi derfor ikke å ta hensyn til forskjellige regioner av Cuscuta-stenglene.
For å dokumentere de lysstyrte bevegelsene til forskjellige Cuscuta-arter har vi videre produsert time-lapse-filmer. I perioden da labarbeidet ble innskrenket av Covid-19 var det en av få mulige aktiviteter som kunne gjennomføres fordi det foregikk ved hjelp av et fjernstyrt standard SLR-kamera. Bevegelsene til parasitten ble registrert over en periode på flere dager, både om natten og i løpet av dagen, under lysforhold som var supplert med rødt eller mørkerødt lys. I tillegg til å være lærerikt materiale for undervisning og forskningskommunikasjon, avslørte filmene detaljer som gjorde dem nyttige for å analysere kinetikken til Cuscutas bevegelser, noe som ikke var beskrevet før. På denne måten oppdaget vi at ikke alle arter av Cuscuta svarer like raskt på endringer i lyssignaler, og at en av dem til og med skiller seg betydelig ut i hvordan den reagerer på mørkerødt lys. Denne naturlige variasjonen kan ha stor verdi for prosjektet fordi den tilbyr et enkelt alternativ til tidkrevende produksjon av mutanter for detaljerte molekylære analyser.
Isolering og sekvensering av budbringer-RNA (mRNA) gir innsikt i hvilken genomisk informasjon som blir uttrykt som følge av lyssignaler, mens små RNA-molekyler (sRNA) kan fortelle oss noe om hvordan reguleringen av dette utrykket foregår. Vi valgte to tidspunkter med to dagers mellomrom for å kartlegge mRNA- og sRNA-«landskapet» og avsløre kortsiktige og langsiktige endringer i parasittens RNA-populasjoner som kan forklare forskjeller i adferden (angripende i mørkerødt lys versus søkende i rødt lys). Fra det relevante (differensielt uttrykte) RNA-settet ble klynger av gener som viser akkurat det samme uttrykksmønsteret identifisert ved bruk av bioinformatiske metoder. Kort oppsummert fant vi flere gener involvert i DNA-metylering som ikke ble identifisert før og som bekrefter rollen av epigenetiske modifiseringer som var utgangshypotesen. I tillegg pekte funnene også på en kontroll av endringer forårsaket av plantehormoner. Ytterligere tidspunkter må undersøkes for å karakterisere utvalgte ko-regulerte gener og forberedelser til dette arbeidet ble gjort.
sRNA-analyser viste at gruppen av sRNA-molekyler med en lengde på 24 nukleotider (nt) er svært konsentrert i stenglene til C. campestris, men ikke i infeksjonsorganene. 24 nt lange sRNA-molekyler spiller en rolle i RNA-dirigert DNA-metylering, som er samme mekanisme av epigenetikk som mRNA-uttrykksmønstrene peker på. Forholdet mellom dem skal undersøkes i neste periode.
The parasitic vine Cuscuta reacts to long wavelength far-red light with a rotating shoot movement, followed by coiling around host stems and rapid host infection while red light triggers only shoot elongation and results in a strongly decreased tendency to attack and infect host plants. The genome of Cuscuta campestris contains the red light receptor phytochrome, but lacks several important interacting transcription factors, suggesting that alternative, or possibly even novel, signal transduction pathways are behind this behavior.
The project will study the molecular responses of Cuscuta to far-red and red light conditions in order to understand the mechanisms underlying the (far-)red light control of infection. Following a lead that points to the regulation of a component of the RNA-directed DNA methylation (RdDM) machinery by red or far-red light, mRNA expression profiles, small RNA composition and genome-wide DNA methylation signatures under red- and far-red-light illumination will be studied in Cuscuta shoots. The integration of these datasets with the phenotypic read-out (infection organ production or lack of infection organ) will help to identify novel key players of the infection process. In parallel, we will characterize in more detail the component of the RdDM machinery, IDN2, that showed light-responsive expression in preliminary studies. In situ hybridization will reveal whether the induction or repression of IDN2 gene transcription is cell- or tissue-type specific and limited to infective tissue. With the help of a reverse genetics approach using host-mediated virus-induced gene silencing, the effect of a loss of function of this gene on the virulence of the parasite will be studied.
