Dissection of an epigenetic memory mechanism modulating adaptive phenological traits in trees

For at trær skal overleve vinteren må vekst-hvile-syklus synkroniseres med klimaforholdene. I gran er det vist at denne klimatilpasningen er påvirket av temperaturen under frøutviklingen. Ved studier av genetisk identiske frø (dvs. embryo=kimplanta i frøet) dannet hjelp av vevskulturteknikk, er det vist at disse forskjellene i klimatilpasningsegenskaper må skyldes en epigenetisk hukommelsesmekanisme som etableres under frøutviklingen (=embryogenesen). Prosjektet tar sikte på å forstå denne epigenetiske hukommelsen og hvilke gener som påvirkes. Fra tidligere arbeid vet vi at knoppsettingen om høsten skjer på forskjellig tid hos granplanter fra genetisk identiske embryo som ble utviklet under ulike temperaturer. I dette prosjektet har vi vist at også tidspunktene for avherding (redusert frosttoleranse) og knoppsprett om våren er forskjellig i slike planter. Planter fra kaldt embryoklima avherdes og har knoppsprett tidligere enn de fra varmt embryoklima. I studier av embryo utviklet under ulike temperaturer, har vi påvist at en rekke gener forbundet med epigenetisk regulering har ulik aktivitet. Forskjellige temperaturer under embryoutviklingen fører også til forskjeller i mengde av en rekke små RNA-molekyler. Dette er i tråd med at virking av mikro-RNA-molekyler er en viktig epigenetisk mekanisme som regulerer mengden av bestemte mRNA-molekyler (mellomtrinnet mellom DNA og protein) og derved også mengden av protein. I tillegg har bestemte gener som er involvert i respons på temperatur og stress, også ulik aktivitet avhengig av temperaturen under embryoutviklingen. I planter som har spirt fra embryo utviklet ved kaldere og varmere klima, har vi også påvist omfattende forskjeller i genaktivitet på senvinteren/våren. Spesielt gjelder dette gener som koder for ulike transkripsjonsfaktorer (proteiner som styrer aktiviteten til andre gener), gener involvert i proteinsyntesen, cellesyklus-kontroll, hormonmetabolisme, stress-responser, regulering av vekst og utvikling samt dehydringener involvert i frosttoleranse. Vi har også påvist betydelige forskjeller i genaktivitet mellom ulike deler av vekstpunktet i skuddspissen. Spesielt i stamcellene for alle andre celler har vi observert forskjeller mellom planter fra kaldt og varmt embryoutviklingsklima i aktivitet av gener som koder for transkripsjonsfaktorer. Vi har også funnet betydelige forskjeller i DNA-metyleringsmønsteret i gener som har ulik aktivitet i embryo fra kaldt og varmt klima og planter spirt fra disse. Generelt ble størst grad av DNA-metylering observert ved varm embryoutviklingstemperatur. På samme måte som at genaktivitets-mønstrene var forskjellige for ulike celle/vevstyper i vekstpunktene var det også celle/vevs-forskjeller i DNA-metylering. Høyere nivåer av DNA-metylering ved varm embryoutviklingstemperatur er i tråd med den senere avherdingen og knoppbrytningen om våren i plantene som stammer fra varmt embryoutviklingsklima sammenlignet med kaldt. Prosjektet har bidratt til betydelig bedret forståelse av hvordan temperaturen under frøutviklingen senere påvirker plantenes klimatilpasningsegenskaper. Temperaturen under embryoutviklingen påvirker altså det epigenetiske maskineriet og derved gener som styrer tidspunktene for knoppsprett og avherding (klimatilpasningsegenskaper). Forskjeller i DNA-metylering og mikro-RNA-mengder på grunn av kaldt og varmt embryoutviklingsklima er viktige epigenetiske mekanismer involvert i dette.

Prosjektet har vært viktig for å bedre forståelsen av betydningen av epigenetikk i klimatilpasning hos trær. Spesielt har det bidratt til forståelse av mekanismene bak den epigenetiske hukommelsen av temperaturen under frøutviklingen. Slik kunnskap har betydelige praktiske implikasjoner for frøproduksjon under ulike klimaforhold og gir mulighet for å oppnå bedre klimatilpasset plantemateriale innen planteforedlingen. For prosjektets deltakere og omgivelser har prosjektet vært av stor betydning for å styrke kompetansen ndg. epigenetikk, klimatilpasning, plantemolekylærbiologi, -fysiologi og -genetikk. Prosjektet har styrket nasjonalt og internasjonalt forskningssamarbeid og bidratt vesentlig i utdanning av MSc-, PhD og postdoktor-kandidater så vel som i lavere-gradsutdanning og formidling. Den oppnådde kompetansen har stor overføringsverdi til andre planter enn trær og andre planteprosesser som f.eks. sykdomsresistens der epigenetikk er vist å spille en vesentlig rolle.

Trees are ecologically and economically extremely important, and climatic adaptation affecting their phenology (seasonal life cycle events) is crucial for their survival. It is still an open question to which extent climate change will compromise the mechanisms of the climatic adaptation in long-lived organisms with long generation intervals, such as trees. Surprisingly, traits such as the critical daylength for bud formation in the autumn and timing of bud burst in the spring, which are believed to have high heritability and to be under strong selection, were demonstrated to be greatly and persistently influenced by temperature during seed development in the conifer Norway spruce. The evidences strongly support that this is due to an epigenetic memory effect, but how it is initiated and maintained is unknown. There is also family variation in the ability to express the memory effect, indicating that there is genetic variation in the epigenetic machinery itself. In this project we aim to explore the basis of this epigenetic mechanism and to investigate the background of the variation between different families of Norway spruce in expressing the memory. Besides the obvious economic and ecological implications of epigenetically altered seed material, understanding overwintering mechanisms of trees has wide implications and will help to evaluate their abilities to adjust their growth-dormancy cycle to climatic conditions changing more rapidly than classical selection may keep up with. Understanding the epigenetic memory mechanism might also help to explain how clinal variation (continuous gradient) in daylength requirement for growth and bud formation in tree species, is established in nature.