Varför kan granar från norra Sverige tolerera skugga bättre än granar från södra Sverige? Sonali Ranade och María Rosario García-Gil från UPSC jämförde DNA-sekvensen hos granar från olika breddgrader i Sverige. De upptäckte att generna för ljuskänsliga fotoreceptorer varierade och att den variationen kunde kopplas till ljusförhållanden på de olika breddgraderna.
Resultaten publicerades nyligen i tidskriften Plant, Cell and Environment.
Sonali Ranade och María Rosario García-Gil har tidigare visat att granpopulationer i Sverige anpassar sig på olika sätt till de lokala ljusförhållandena i Sverige. Granar från norra Sverige tolererar skugga mycket bättre än granar från södra Sverige och med detta kommer en bättre motståndskraft mot sjukdomar. Nu har forskarna identifierat en bakomliggande faktor till denna anpassning till ljusförhållandena på olika breddgrader – DNA sekvensen hos generna som kodar för fotoreceptorer varierar.
- Fotoreceptorer är ljuskänsliga proteiner. Växter använder dem för att förstå ljuskvaliteten och känna av dagslängden. Baserat på inkommande information reglerar växterna processer och signalvägar för att anpassa sin utveckling till sin miljö. Vi kunde nu visa att generna för två fotoreceptorer - fytokromer och kryptokromer - varierar genetiskt i svenska granpopulationer och att denna variation följer en gradient från norr till söder, förklarar Sonali Ranade, förste författare till båda studierna.
Forskarna jämförde DNA-sekvensen hos 1654 olika granar som härstammade från olika breddgrader i Sverige. De delade in gruppen i sex mindre populationer efter olika breddgrader och letade efter små variationer i DNA-sekvensen hos de olika träden. Att först fokusera på fotoreceptorer, särskilt på fytokromer, var självklart för dem eftersom dessa proteiner är centrala i regleringen av växters uppfattning av ljus.
Fytokromer uppfattar rött och mörkrött ljus som ligger i den extrema änden av det synliga ljusspektrumet. Under skuggförhållanden är förhållandet mellan rött och mörkrött ljus lågt eftersom det finns mycket mer mörkrött ljus tillgängligt än rött ljus. Kryptokromer känner av blått ljus och spelar en viktig roll för att anpassa växtens tillväxt och utveckling till dygnsrytmen. De variationer som forskarna identifierade i DNA-sekvenserna för fytokrom- och kryptokromgenerna hos gran var alla belägna i regioner som innehåller information för funktionella delar av fotoreceptorn.
- Vi vet inte hur och om funktionen hos fotoreceptorerna i de olika granpopulationerna har förändrats, men vi tror att dessa modifieringar förmodligen var viktiga för att anpassa trädets tillväxt och utveckling till de olika ljusförhållandena i Sverige. Vegetationsperioden i norra Sverige är mycket kortare än i södra Sverige. Träden skulle inte ha överlevt om de hade öppnat sina knoppar när det fortfarande fryser på våren eller om de ännu inte hade satt sina knoppar när den första snön kommer på hösten, säger Sonali Ranade.
Genetiskt härstammar alla populationer av gran i Sverige från två olika ursprung som återspeglas i två huvudpopulationer - en sydlig och central population och en nordlig population. Forskarna förväntade sig att den genetiska variationen främst skulle återspegla dessa två huvudpopulationer. I stället såg de att gradienten förändrades kontinuerligt från söder till norr. Den följde tydligt den förändrade ljuskvaliteten genom de olika breddgraderna över hela Sverige, vilket innebär att olika populationer har anpassat sig till lokala ljusförhållanden.
Ljuskvaliteten skiljer sig åt mellan norra och södra Sverige eftersom mängden mörkrött ljus (FR) ökar mot norr och minskar förhållandet mellan rött och mörkrött ljus. Växternas fotoreceptorer känner av ljuskvaliteten och forskarna har nu upptäckt att granens gener varierar genom populationer som kommer från olika breddgrader i Sverige vilket avslöjar lokala anpassningar till de olika ljusförhållandena (illustration: Sonali Ranade).
- Det är svårt att precisera den genetiska grunden för en lokal anpassning till miljöförhållanden i barrträd. Ofta bidrar många gener med liten effekt till en viss egenskap, vilket leder till en komplex genetisk arkitektur. Barrträd har också en enorm genomstorlek jämfört med örtartade växter, som till exempel backtrav, och deras genom är fortfarande mycket mindre utforskat, säger María Rosario García-Gil, gruppledare vid Umeå Plant Science Centre.
Resultaten från den aktuella studien är intressanta ur ett evolutionärt perspektiv och illustrerar hur populationer anpassar sig till den lokala miljön, men forskarna tror att detta inte är allt. Granen är en ekonomiskt viktig barrträdsart för den svenska skogsindustrin. Att förstå hur träd anpassar sig till lokala förhållanden - som i det här fallet lokala ljusförhållanden - och att veta vilka gener som påverkar en viss trädegenskap kan också vara användbart för att utforma nya strategier för förädlingsprogram för gran.
Ranade, S.S., García-Gil, M.R. (2023) Clinal variation in PHY (PAS domain) and CRY (CCT domain) - Signs of local adaptation to light quality in Norway spruce. Plant, Cell & Environment, 1– 10. https://doi.org/10.1111/pce.14638
Den tidigare studien:
Ranade, S.S., García-Gil, M.R. (2021) Molecular signatures of local adaptation to light in Norway spruce. Planta 253, 53. https://doi.org/10.1007/s00425-020-03517-9