FRIPRO-Fri prosjektstøtte

Ettårige og flerårige planter har fundamentalt forskjellige livshistoriestrategier. Ettårige planter lever kun èn vekstsesong og spirer, vokser, blomstrer, sprer frøene sine og dør innenfor en vekstsesong. Flerårige planter kan vokse, blomstre og spre frøene sine over en periode på mange år. Ettårige planter finnes ofte i områder med mye sesongbetont stress, for eksempel tørke. Plantene unnslipper de stressende periodene ved å gjøre seg ferdig med vekst og formering før stresset setter inn, og så overlever de den stressende perioden som frø. Dermed får ettårig planter kun én sjanse til å reprodusere. De setter derfor inn mye energien inn på å lage mange frø. Flerårige planter har utviklet strategier for å holde ut og overleve perioder med stress. De deler energien sin mellom å lage organer for å vokse over flere år, som for eksempel et stort rotsystem, og reproduksjon. Dermed lager flerårige planter gjerne mindre frø enn ettårige. Til gjengjeld får de flere sjanser. Alle kornartene vi dyrker, som for eksempel hvete, mais, ris, havre, rug og bygg er ettårige. Det er jo frøene fra disse plantene vi spiser! Samtidig er et landbruk basert på ettårige planter mindre bærekraftig enn et som er basert på flerårige fordi de ettårige artene har lite utviklet rotsystem og lavt forsvar mot sykdommer. Derfor må de vannes, sprøytes og gjødsles mer. Et bidrag til mer bærekraftig matproduksjon ville vært å forene produksjonsegenskapene til ettårige planter med bærekraftsegenskapene til flerårige. Selv om disse livshistoriestrategiene er veldig ulike, kan den evolusjonære avstanden mellom de to strategiene være veldig kort og nært beslektede arter kan ha ulike strategier. Hva som styrer denne forskjellen, er til en stor grad ukjent. Hos gress er de enkelte skuddene ettårige slik at hos ettårige gress blomstrer alle skuddene i løpet av en sesong. Hos gress som skal leve over flere år må noen skudd blomstre og noen må leve videre til neste år. Hvilke skudd som vil blomstre og hvilke som vil leve videre vet vi ikke. Vi vet heller ikke om det er slik at det alltid er det eldste skuddet som blomstrer først. For å kunne lage flerårig korn effektivt trenger vi å vite hvordan gressene blir flerårige, og vi må vite den genetiske basisen for ettårige og flerårige livshistoriestrategier. I dette prosjektet vil vi forsøke å finne ut hva den genetiske basisen er og hvordan det påvirker hvordan ettårige og flerårige planter vokser. Imagine letting yourself die to avoid a stressful situation, just to return when the situation has calmed. It sounds like magic, but this is essentially what numerous plants do to avoid stressors like drought and frost when they adopt an annual growth habit. The alternative strategy is to adopt coping mechanisms to live through many seasons, referred to as the perennial growth habit. These two strategies require fundamentally different physiology. Annuals have high growth rates, large leaf area, large allocation of resources to reproductive structures and high biomass production. Perennials have traits allowing for persistence and defense, like high tissue density and allocation of higher proportion of biomass into roots. Due to physiological differences between annuals and perennials, agricultural practices for annual crops put pressure on the sustainability of agricultural systems: the less developed root systems in annuals often make them less efficient in water and nutrient uptake as compared to perennials, they are less resistant to weeds and pests and they need to be sown every year, which require more tillage. Given the demand for increased, but sustainable food production, combining the crop output of an annual with the persistence abilities of a perennial by breeding perenniality into annual crop species would contribute to meet this demand. Even with the fundamental differences in growth strategies, the evolutionary distance between annual and perennial species may be very small, indicating that small differences in genetic makeup differentiate the growth habits. However, what these differences are is to a large degree unknown. Each tiller in the plant is annual such that in an annual plant, all tillers flower within one season. For a perennial plant, some tillers will flower within a season, but some tillers must live on to the next season. How this happens is unknown. It could be that the tillers flower by age such that the oldest tiller flower first, or it could be that there is some other pattern. Progress in breeding perenniality into annuals is hampered by our limited knowledge about the developmental and genetic mechanisms underlying growth habits. In this project we will decipher the genetic bases for annual and perennial life history strategies and determine how development is influenced by these genes.

Annual plants flower a single time during their one-year life cycle, whereas perennial plants flower multiple times over several years and keep some of their growing parts vegetative to survive from year to year. These two very different life forms are adaptations to different environments. Annuals escape stressful seasonal periods like drought and heat as seeds, whereas perennial species persist stressful periods. Following this, annuals maximise reproductive efforts, whereas perennials divert their energy between reproduction and persistence. Annuals and perennials differ in growth and physiology both in the vegetative and generative phase. Even with fundamental differences in growth strategies, the evolutionary distance between annual and perennial species may be very small, indicating that small differences in genetic makeup differentiate the growth habits. A target family for developing more knowledge about growth habit is the grass family (Poaceae). It is one of the largest food crop families and include the annual species rice, maize, wheat and barley. However, we know very little about the timing of developmental transitions, the physiological architecture of vegetative and generative shoots and the genetics underlying these differences in annual and perennial grass species. In this project, I propose to address this knowledge gap by using a novel, framework where we will study several independent evolutionary origins of annual species to decipher the genetic and physiological bases of annual and perennial growth habits in the Pooideae subfamily of the grasses. The study will integrate new physiological, developmental, genetic, and epigenetic data from a large number of Pooideae species. The expected outcome will be the unravelling of developmental and physiological mechanisms differentiating annual and perennial growth habits in Pooideae and the identification of major genes controlling these differences.