PID2019-104365GB-I00 - Epigenetica en las interacciones planta-

Entender los mecanismos que permiten cambios fenotípicos rápidos en respuesta a presiones ambientales es una cuestión fundamental en ecología evolutiva y biología de la conservación, particularmente en organismos sésiles como las plantas que no pueden migrar para escapar de cambios bruscos en factores abióticos y bióticos. El mecanismo epigenético mejor estudiado en plantas es la metilación de las citosinas del ADN que, junto con la modificación de las histonas y los pequeños ARN no codificantes, regulan la actividad de genes y elementos transponibles y puede provocar una variación fenotípica significativa sin cambios en la secuencia de ADN. Su capacidad de respuesta a factores ambientales y una herencia transgeneracional imperfecta sugieren que los mecanismos epigenéticos podrían promover la adaptación especialmente en ambientes marginales y poblaciones pequeñas. Dentro de este marco conceptual, este proyecto está diseñado específicamente para dilucidar la importancia de los procesos epigenéticos en poblaciones silvestres de plantas no modelo características de las montañas Mediterráneas, un entorno relativamente hostil que alberga paradójicamente comunidades vegetales muy diversas. El análisis de las características epigenéticas en parientes endémicos y de amplia distribución es una estrategia adecuada para simultáneamente profundizar sobre la evolución de las plantas en esta región y contribuir a su conservación.
El desarrollo de esta propuesta proporcionará avances conceptuales sobre el papel de la epigenética en la ecología y evolución de las interacciones entre plantas y animales, un campo aún poco explorado. El pastoreo excesivo figura entre los factores de amenaza recogidos en la Lista Roja de Plantas Vasculares de Andalucía y es también conocido el elevado impacto de la herbivoría para algunas especies endémicas de las montañas Mediterráneas. Por tanto, formulamos la hipótesis general de que los patrones de metilación genómica serán divergentes entre individuos y poblaciones con regímenes de herbivoría contrastados. Estudiaremos un par de especies congenéricas: Erodium cazorlanum, una especie endémica y leñosa, cuya distribución está restringida a unos pocos afloramientos dolomíticos en la Sierra de Cazorla (Jaén), y E. cicutarium, una hierba anual de amplia distribución. La hipótesis general se abordará combinando enfoques observacionales y experimentales organizados en torno a los siguientes objetivos específicos. Objetivo 1: analizar la estructura genética y epigenética de las poblaciones de Erodium cazorlanum y E. cicutarium dentro del rango de distribución del primero. Predecimos que la divergencia epigenética será más fuerte en E. cazorlanum, cuyos individuos podrían experimentar daño recurrente por herbívoros a lo largo de sus vidas. Objetivo 2: analizar la diferenciación genética y epigenética a nivel de especie, la correspondencia entre ambas y su anotación funcional. Predecimos que la diferenciación genética y epigenética estarán más libremente correlacionadas en E. cazorlanum. Objetivo 3: Evaluar experimentalmente las consecuencias epigenéticas de la herbivoría en las dos especies. Predecimos que las plantas modificarán sus características fenotípicas y epigenéticas en respuesta a la herbivoría. Nuestra investigación contribuirá a profundizar sobre las implicaciones ecológicas y evolutivas de los procesos epigenéticos en las interacciones entre plantas y animales.

Abstract
Understanding the mechanisms underlying rapid phenotypic responses to environmental pressures is central to evolutionary ecology and conservation biology, particularly in sessile organisms like plants that cannot easily overcome challenging abiotic and biotic factors by moving among habitats or microhabitats. Cytosine DNA methylation is the best-understood epigenetic mechanism in plants, which together with histones modification and small non-coding RNAs regulates the activity of genes and transposable elements and can prompt significant phenotypic variation without changes in the underlying DNA sequence. Responsiveness to environmental factors and imperfect transgenerational inheritance could make epigenetic factors particularly valuable to promote adaptation in marginal environments and small populations. Within this framework, our proposal is specifically designed to elucidate the importance of epigenetic processes in wild populations of non-model plants characteristic of Mediterranean mountains, a relatively harsh environment that paradoxically hosts highly diverse plant communities, particularly rich in edaphic-specialist endemic species. The analysis of epigenetic features in endemic and widespread relatives is well-suited to serve the dual interest of understanding plant evolution and contributing to species conservation in this biodiversity hotspot region.
The main goal of the current proposal will be to furnish conceptual advances in the still largely unexplored role of epigenetics in the ecology and evolution of plant-animal interactions. Overgrazing is listed among the factors of concern for population persistence of species included in the Red List of Vascular Plants of Andalusia and the impact of herbivory is known to be large in some endemic species from Mediterranean mountains. We will examine the general hypothesis that Distinctive genomic methylation signatures will appear among individuals and populations with contrasted herbivory regimes. The study will be conducted in a congeneric species pair: Erodium cazorlanum, a woody endemic restricted to a few dolomitic outcrops in the Cazorla mountain range in southeastern Spain, and E. cicutarium, a widespread annual herb. The general hypothesis will be addressed by combining observational and experimental approaches organized around the following specific objectives. Objective 1: analyse the genetic and epigenetic population structures of the narrow endemic Erodium cazorlanum and its widespread congener E. cicutarium within the distribution range of the first one. We predict that epigenetic divergence will be stronger in E. cazorlanum, whose individuals could experience recurrent herbivore damage along their lifetimes. Objective 2: analyse genetic and epigenetic differentiation at the species level, the correspondence between genetic and epigenetic distinctiveness and its functional annotation. We predict that genetic and epigenetic distinctiveness will be more loosely correlated in E. cazorlanum. Objective 3: Experimentally assess the epigenetic consequences of herbivory in the two species. We predict that plants will modify their phenotypic and epigenetic features after herbivory and such responses should be altered by artificial genomic demethylation. Our research will contribute to improve current understanding of the ecological and evolutionary implications of epigenetic processes in plant-animal interactions