What makes a tree a tree? Characterization and evolution of the gene regulatory network underlying wood development

Hva gjør trær til trær? Alt som kan lages av olje kan også lages av trær, og biomassen i trestammer blir derfor en viktig ressurs i det grønne skiftet. Trær representerer også klodens største landbaserte karbonsluk. Likevel kan vi fortsatt ikke svare på det mest fundamentale spørsmålet: Hva gjør trær til trær? Det vi vet er at trær stort sett har de samme genene som andre planter. For å forstå trærs særegenhet kan vi derfor ikke bare lete etter unike «tre-gener». Vi må også forstå programmet som styrer når og hvor gener slås på og av - vi må forstå trærs unike regulatoriske nettverk. Forskningsrådets FRIPRO-program har finansiert prosjekt EVOTree som kartlegger trærs regulatoriske nettverk. Prosjektet ledes av Torgeir R. Hvidsten, KBM, NMBU og er et samarbeid med forskere fra Umeå Universitet, Sverige og Ghent Universitet, Belgia. EVOTree sitt hovedmål er å beskrive det regulatoriske nettverket som orkestrerer differensieringen av stamceller til vedvev og som derfor gir opphav til ny vekst i stammen til trær hver sommer (årringer). Vi har derfor samlet prøver fra seks ulike arter av trær og kvantifisert med høy resolusjon hvor i åringen genene til disse artene slåes på og av. Vi har også utviklet avanserte analyseverktøy for å modellere genregulering fra disse datamengdene, og for å sammenligne disse modellene mellom ulike trearter. Parallelt har vi også sammenlignet genene til 36 plantearter der hele arvemassen er kartlagt. Forløperen til alle disse artene var et tre, og vi kan derfor identifisere «tre-gener» gjennom å lette etter de genene som er gått tapt eller endret seg i de 12 artene som idag er ettårige urtelignende vekster. Til sammen vil EVOTree kaste lys over evolusjonen av ved-utvikling i trær, og beskrive genregulering i så ulike trær som osp og gran - separert av over 200 millioner år med evolusjon. I tillegg til å gi grunnleggende innsikt i evolusjonære prosesser vil prosjektet produsere modeller som kan brukes til å veilede fremtidig foredling av bedre trær med tanke på klimatilpasning, tilvekst og vedkvalitet.

Everything that we make from oil could also be made from wood. However, despite the vital importance and vast potential of forests, we still cannot answer the most fundamental question: What makes a tree a tree? Nevertheless, comparative genomics have in recent years dramatically increased our understanding of the evolutionary history and architecture of plant genomes, and revealed a remarkable difference in genome size and composition. From these studies we know that gene content varies comparatively little – even between trees and non-tree species – and changes in gene regulation have now emerged as the primary explanation for the evolution of woody plants. In this project, we aim to model the regulatory networks orchestrating the differentiation of stem cells into woody tissues in order to understand the wood formation process in several angiosperms and gymnosperms – the two tree-containing plant lineages separated by over 200 million years of evolution. We will compare regulatory networks to identify specific regulatory mechanisms that separate the two tree lineages from each other and trees from non-tree plants, and we will experimentally test some of the most interesting findings. Modeling approaches such as machine learning are often hampered by the vast number of interacting genes giving rise to complex biological systems. Here we will generate extensive data set on gene regulation and integrate these with prior knowledge in order to infer and align networks across species. This will require highly interdisciplinary research including the development of new computational frameworks and the application of advanced molecular profiling techniques in non-model organisms. This project will deliver both mechanistic insight into the evolution of gene regulation in angiosperm and gymnosperm tree species as well as conserved regulatory mechanisms of great interest to academic researchers and forest industry alike.