Hoppa direkt till innehållet
printicon
Publicerad: 22 maj, 2013

Gigantiskt grangenom kartlagt

NYHET Skogens gigant – granen – har överlevt dinosaurierna och är Sveriges ekonomiskt viktigaste växt. Dess arvsmassa är också monumental, sju gånger större än människans. Därför har en fullständig kartläggning av granens genom hittills varit omöjlig. Men, forskare på Umeå Plant Science Centre i Umeå och SciLifeLab i Stockholm gick i land med uppgiften och deras resultat presenteras nu i tidskriften Nature.

Kartläggningen av granens gener har gjorts av bland andra professorerna Ove Nilsson, Pär Ingvarsson och Stefan Jansson.

– Kartläggningen av granens genom ger oss viktig kunskap och möjlighet att förstå varför gener fått de funktioner de har, inte bara i barrträd, säger Ove Nilsson, professor i skoglig genetik och växtfysiologi, SLU. Evolutionen har gått väldigt långsamt framåt för barrträden, det är en av de saker som är så fascinerande med dem! Deras arvsmassa är som en ”levande fossil”, när man tittar in i den tittar man samtidigt flera hundra miljoner år bakåt.

Barrträd är mycket gamla, de fanns på jorden redan för drygt 225 miljoner år sedan. Andra slags blommande växter, så kallade gömfröiga växter, dök upp först för 100 miljoner år sedan. Trots att dessa exploderade i antal och artrikedom har barrträden bestått och dominerar fortfarande många ekosystem.

Tekniskt oöverstigligt

Redan under tidigt 1900-tal insåg forskare att barrträd hade avsevärt större arvsmassa än de flesta andra växter. När gentekniken 100 år senare tog fart och kartläggningen av genomet hos en rad andra arter avklarats; musen, människan, poppeln med flera, fick barrträden vänta – och vänta. Det var helt enkelt tekniskt oöverstigligt att sekvensera en så stor arvsmassa.

2009 tyckte forskarna vid Umeå Plant Science Centre vid Umeå universitet och SLU att tiden var mogen att försöka sig på det ingen annan vågat. Ett genomprojekt kräver stora resurser, därför ansökte de om 120 miljoner kronor från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse.
– Samtidigt visste ingen av oss om kartläggningen skulle gå att genomföra. Vi skrev faktiskt i ansökan att vi var osäkra på det, berättar Ove Nilsson.

Satsning på livsvetenskaper Lösningen kom genom att SciLifeLab etablerades, en unik svensk jättesatsning på livsvetenskaper i samarbete mellan KTH, Stockholms universitet, Karolinska institutet och Uppsala universitet. Med helt ny spjutspetsteknologi och med kraftiga investeringar i nya plattformar för genomik och bioinformatik erbjöd SciLifeLab möjligheter att ta sig an projekt av en helt annan storleksordning än tidigare.
Björn Nystedt och Joakim Lundeberg vid SciLifeLab i Stockholm.

I juni 2010 körde de i gång. Sedan gick det undan. På bara en vecka hade de hypermoderna apparaterna på SciLifeLab spottat ur sig mer gran-DNA-sekvens än vad projektet att kartlägga människans genom lyckades med på tio år.
– Tajmingen var optimal, proverna med gran-DNA kom precis samtidigt som vi hade flyttat in i nya lokaler och stod och packade upp våra nya hypermoderna instrument för DNA sekvensering. konstaterar Joakim Lundeberg, professor i genteknologi vid SciLife Lab i Stockholm.

”Kapacitet på högsta nivå”

Tekniken hade blivit både snabbare – och billigare. Kartläggningen av människans arvsmassa gick loss på 20 miljarder kronor. När granprojektet sjösattes behövdes inte ens de 120 miljoner forskarna ansökt om, kostnaden hade redan sjunkit till 75 miljoner. Men, trots teknikutvecklingen har grangenomprojektet inneburit stora utmaningar.
Vid SciLifeLab finns den senaste tekniken för att kunna bearbeta stora mängder DNA.

– Det var en enorm uppgift att ta sig an, där vi förutom att pressa den senaste tekniken även har fått arbeta fram helt nya labmetoder, säger Joakim Lundeberg. Dessutom fanns varken datorer eller program som klarade att analysera mängden DNA-sekvenser. Vi har varit tvungna utveckla det, när vi började fanns ingen dator i hela Skandinavien med tillräcklig kapacitet. Han lyfter även fram den vetenskapliga miljön inom SciLifeLab som en bidragande orsak till framgången.
– Utan en kritiska massa av teknikplattformar och forskargrupper hade det aldrig gått. Genom det här projektet har vi visat att Sverige har kapacitet för genetisk forskning på absolut högsta internationella nivå. Erfarenheterna från det här projektet kommer att vara ovärderliga när vi nu expanderar med storskaliga satsningar inom medicin, hälsa och miljö, säger professor Joakim Lundeberg.

Köttsjögranen flitigt korsad

Det gran-DNA forskarna sekvenserat kommer ursprungligen från en ståtlig gran uppe på en höjd i jämtländska Köttsjön, Ragunda. Byns namn är en historia i sig, enligt Wikipedia lär det härröra från en händelse på 1700-talet, då en björn jagade ut en flock älgar på sjöisen som brast så att djuren drunknade. Skröna eller sanning, vem vet.
Varför valde ni att kartlägga just Köttsjögranen? – Vi frågade Skogforsk i Sävar om de hade lämpliga träd för projektet, berättar Pär Ingvarsson, professor i evolutionsgenetik, Umeå universitet. Just det här trädet var det enda där alla fyra kopior fanns kvar. – Dessutom ville vi ha ett träd vi visste var viktigt i det svenska förädlingsprogrammet och som använts i många korsningar, säger Ove Nilsson.
Sedan några kvistar 1959 ympades från Köttsjögranen har den förmodligen fått miljontals avkommor i de svenska skogarna, konstaterar forskarna. Därför uppfyllde den mer än väl kriterierna att vara en typisk gran. Forskarna har inte bara undersökt DNA från denna gran, materialet har också jämförts med gensekvenser från tall, idegran, en och sibirisk gran.

29 000 gener

Resultaten visar att granen har kring 29000 olika gener. Det är några fler än människan har, men granens arvsmassa är ändå sju gånger större än vår. Det beror på att arvsmassan är väldigt utspädd. – En av de saker som utmärker grangenomet är att det finns en väldig massa pseudogener, ”falska” gener som bara är som små fragment av redan befintliga gener, förklarar Ove Nilsson. Dessutom finns en mängd genfragment som kallas transposoner eller ”hoppande gener”. Sådana gensnuttar finns hos alla djur och växter och tycks finnas där mest för sin egen skull. De är nästan som parasiter, de skuttar runt i arvsmassan och lämnar en massa kopior efter sig.
Har trädet någon nytta av att ha ett stort genom? – Ingen alls, det är snarare en olycklig konsekvens av att granen saknar viktiga mekanismer som andra djur och växter har för att bli av med repetitivt material ur sina genom, säger Pär Ingvarsson.
Är den genetiska ”ryggsäck” granen släpar på rentav till nackdel för den?
– Det borde vara det, men är bevisligen inte det när man tittar på hur framgångsrika barrträden varit genom hundratals miljoner år, säger Pär Ingvarsson. Möjligen kan det ha gjort att det finns ganska få arter av barrträd, bara några hundra jämfört med 100 000-tals olika av andra växter.

Komplex arvsmassa

Granens arvsmassa är inte bara stor, den är också väldigt komplex och varierande. Granar är faktiskt genetiskt mer olika varandra än vi människor är. Att ta fram den genetiska koden har varit en del av granprojektet. Parallellt har forskarna jobbat med att utveckla nya metoder för att förstå vilka gener som styr granars olika egenskaper.
Vilka praktiska konsekvenser kan den nya kunskapen få? – När skogsägare om tio år köper granplantor ska dessa vara lite vassare, växa bättre och stå emot sjukdomar bättre, säger Stefan Jansson.
– Att förädla träd är i dag väldigt tidskrävande. Från att ha planterat till att veta om det blir en bra gran eller inte kan det ta 20–50 år. Med hela arvsmassan tillgänglig hoppas vi kunna ta genvägar, så att man i ett tidigare skede kan avgöra vilka träd som bär på fördelaktiga egenskaper, säger Pär Ingvarsson. Man kan också tänka sig att skräddarsy träd för olika användningsområden. Kanske en typ att göra pappersmassa av, en annan för plank och en tredje för nya plastmaterial eller bränslen?

Ove Nilsson, Pär Ingvarsson och Stefan Jansson i granplanteringen på Skogforsk i Sävar. Härifrån hämtades det gran-DNA som sekvenserats, ursprungligen från urgranen Köttsjögranen i Ragunda, Jämtland.

Text: Anna-Lena Lindskog
Foto: Johan Gunséus/Synk, Håkan Lindgren

Redaktör: Anna-Lena Lindskog