Hukommelse.

I mange år har Biri Planteskole (Oppland Skogselskap) samarbeidet med Skogforsk for å kartlegge en egenskap hos grana som ligner på hukommelse. En granplante kan huske hvor varmt det var da den som frø ble dannet i hunnblomsten (Johnsen et al 1996). Den har også et minne om hvor lange dagene var den sommeren da planta enda var en kime (embryo) som utviklet seg i frøet (Johnsen et al. 2005a). Hukommelsen hjelper grana med å justere hvile og vekst til en rytme som passer med temperatur og daglengde der mødrene vokser. Derfor gir mellomeuropeiske granmødre som er plantet i Norge avkom som oppfører seg mer som norske planter enn de som blir til på sydligere breddegrader. Hukommelsen er langvarig, men uttrykkes sterkest de første leveåra. Kaldt vær under frøproduksjon gir nordligere eller mer høyereliggende vekst- og herdighetsrytme, mens varmt vær gir sørligere eller mer lavereliggende rytme. Lang dag kompenserer for høy temperatur, slik at nordlig lysklima med lange sommerdager gir herdig avkom til tross for høy temperatur under frøproduksjonen. Denne hukommelsen bidrar til at grana raskt kan justere enkelte av avkommets egenskaper fra en generasjon til neste, og bidrar til en bedre klimatilpasning. Denne egenskapen vil være god å ha hvis temperaturen øker som følge av drivhuseffekten.

Biri planteskole har vært med i et EU-prosjekt som ble avsluttet i 2004 hvor granas hukommelse har stått i fokus (se http://www.adaptability.de). På planteskolen har vi vegetativt formert kjønnsmodne trær som podninger og latt dem vokse opp som store, flyttbare potteplanter og fått disse til å blomstre. Identiske krysninger er deretter utført i forskjellige miljøer. Vi har brukt frø som er produsert fra de samme foreldrene, men hvor podninger med kongler har vært inne i kortere eller lengre tid i Tenneco- veksthus på Biri, eller i rom med klimakontroll i fytotronen ved Universitetet i Oslo. Frøene har gitt planter som har vært testet i veksthus, fytotronrom og utendørs av Skogforsk. De har også blitt brukt til å undersøke om det foregår et genetisk utvalg når grana blomstrer og produserer frø. Vi har sett på hvordan avkommets egenskaper styres av temperatur og daglengde under frødannelsen, og i hvilken grad gener som påvirker vekst og hvile avleses når avkom vokser opp. Noen kjemiske forandringer i arveanlegget (DNA) er også undersøkt.

Vi fant at hukommelsen programmeres under dannelsen av embryoet i frøet (Johnsen et al 2005b). Grunnlaget ble lagt ved hjelp av detaljerte studier med varmebehandling under tidsavgrensede perioder i den seksuelle syklus (Fig. 1); under dannelse av pollen i hannblomstene, i korte perioder under eggdannelse, pollenspiring (Fig. 2), befruktning (Fig. 3) og under lengre perioder når embryoer utvikler seg (Fig. 4 og 5). På forhånd hadde vi klarlagt sammenhengen mellom de ulike stadiene i hunnblomsten og temperaturforløpet under prosessen (Owens et al. 2001). Testene viste at hukommelsen kun ble programmert under embryoets utvikling og frøets modning. Varme som blir gitt under anlegg av blomsterknopper året før blomstring og under pollenutvikling, pollenslangevekst og befruktning året etter, gir ingen effekter på avkommet.

Vi har vært med å undersøke om det kunne finnes en genetisk forklaring på observasjonene. DNA-markører for slektskap ble brukt til å studere om det foregår et styrt utvalg blant genetisk forskjellige kjønnsceller under dannelse av egg og under spiring av pollen før befruktning, eller blant forskjellige embryoer etter befruktning (se Fig. 1). Resultater tyder på at det foregår seleksjon i alle stadier hvor arvelige forskjeller forekommer i blomsten. Seleksjonen kunne likevel ikke forklare de observerte forskjeller i klimatilpasning mellom søsken som kommer fra et kaldt og et varmt krysningsmiljø. Grunnen er at det ble påvist sterk seleksjon også i de få tilfellene hvor forskjellen mellom plantenes frostherdighet og vekstrytme var svært liten (Besnard et al. manuskript).

Forsøkene gav derimot en mulig, alternativ forklaring som Skogforsk og Biri vil se nærmere på i årene som kommer. Granas DNA endrer seg kjemisk på en måte som omprogrammer avlesningen av den genetiske kode, og denne kjemiske endringen er sterkere i planter som har erfart en varm embryoutvikling (Baumann et al. manuskript). Vi har sett på avlesningen av fire utvalgte gener som vi mener kan være med på å regulere vekst og hvile i gran. De avleses i sterkere grad i avkom som er dannet under et kaldt miljø sammenliknet med avkom fra et varmt miljø. Vi har med andre ord funnet en interessant sammenheng mellom kjemisk endring i DNA og avlesning av gener som trolig regulerer den årlige rytmen i vekst og hvile (Johnsen et al. 2005b).

Fig. 1

Den seksuelle syklus i gran (etter Owens og Blake 1985). Blomsterknopper blir anlagt i juni/juli det første året. Knoppene dannes som en reaksjon på varmt, tørt vær i juni når skuddene strekker seg og når strekningsveksten avsluttes. Knoppene utvikler seg på høsten før de går i hvile om vinteren. Om våren det påfølgende året, dannes først pollen etter reduksjonsdeling (mikrosporogenese). Hvert pollenkorn er arvelig forskjellig fra hverandre og produseres i millionantall. Når hunnblomstene er mottakelige slippes pollen (Fig. 6 og 7), og når de lander på hunnblomsten suges de inn i et pollenkammer. Det kan romme opp til 7 pollenkorn. I hunnblomsten har det etter reduksjonsdeling dannet seg fire megasporer, men tre av disse degenererer og det som overlever blir til egg og gametofytt. Pollene begynner å spire (Fig. 2) og konkurrerer om å befrukte (Fig. 3) opp til fire egg. Etter befruktning konkurrerer opp til fire arvelig forkjellige kimer (embryoer) om plass (Fig. 4). Den sterkeste blir til et modent embryo omgitt av en haploid gametofytt (”frøhvite”) som stammer fra mødrenes megaspore (Fig. 5). Gametofytten inneholder den næringen som skal til for at embryoet skal bli til en selvforsynt spireplante.

Fig. 2. Vi ser begynnende pollenslangevekst (merket med *) i granblomsten. Fra Owens med flere (2001)

Fig. 4 Et umodent embryo i et meget tidlig stadium ved 600 døgngrader. Til høyre ser vi cellelagene som skal bli til frøblad og delingssone (embryohode). Fra Owens med flere (2001)

Fig. 3. En sammensmeltning av en hannlig (S) og en hunnlig (EN) kjerne i hunnblomsten. Til venstre ser vi hvordan kongla ser ut på samme tidspunkt (Strek = 1 cm). Fra Owens med flere (2001)

Fig. 5 Et velutviklet embryo ved ca 900 døgngrader. Oppe til høyre har vi embryohode med frøblad, og under er området som blir til stengel (hypokotyle), og ned til venstre rotanlegg. Omkring ligger den hunnlige gametofytten (Foto; Nina Nagy 2004, Skogforsk).

Fig.6 Hunnblomstring i veksthus året etter induksjon (Foto; Ola Gram Dæhlen 2004, Biri).

Fig.7 Pollinering kan foregå under en kort periode i veksthus. På den måten kan man unngå fuktig vær og hindre fremmebestøvning. (Foto; Ola Gram Dæhlen 2004, Biri).

Litteratur

Baumann R, Fossdal, CG, Müller-Starck G and Johnsen Ø. Elevated temperature increases the proportion of 5-methylcysteine in total DNA of Picea abies (L. Karst.): Part of an epigenetic memory mechanism involving DNA methylation? Manuscript

Besnard G, Acheré V, Jeandroz S, Johnsen Ø, Rampant PF, Baumann R, Müller‑Starck G, Skrøppa T and Favre JM Differential genotypic selection under two contrasted crossing environmental conditions during early reproductive development in Picea abies (L.) Karst. Manuscript.

Johnsen Ø., Dæhlen O.G., Østreng G. & Skrøppa T. (2005a). D Daylength and temperature during seed production interactively affect adaptive performance of Picea abies progenies. New Phytologist (I trykk)

Johnsen Ø., Fossdal C.G., Nagy N., Mølmann J., Dæhlen O.G, & Skrøppa T. (2005b) Climatic adaptation in Picea abies progenies is affected by the temperature during zygotic embryogenesis and seed maturation. Plant Cell & Env. (i trykk).

Johnsen Ø., Skrøppa T., Junttila O. & Dæhlen O.G. (1996) Influence of the female flowering environment on autumn frost-hardiness of Picea abies progenies. Theoretical and Applied Genetics 92, 797-802.

Johnsen Ø., Haug G., Dæhlen O.G., Grønstad B.S. & Rognstad A.T. (1994) Effects of heat treatment, timing of heat treatment, and gibberellin A4/7 on flowering in potted Picea abies grafts. Scandinavian Journal of Forest Research 9, 333-340.

Owens J.N. & Blake M.D. (1985) Forest tree seed production. Information Report PI-X-53 Petawawa National Forestry Institute, Chalk River, Ontario. 161pp.

Owens J.N., Johnsen Ø., Dæhlen O.G. & Skrøppa T. (2001) Potential effects of temperature on early reproductive development and progeny performance in Picea abies (L.) Karst. Scandinavian Journal of Forest Research 16, 221-237.