Nya gener bakom aspens kemiska försvar kartlagda

När Sara Rydman började studera biologi var hon framför allt intresserad av ekologi och av hur olika arter samspelar med varandra. Men med tiden växte en vilja att gå djupare och förstå de molekylära mekanismer som ligger bakom skillnader mellan olika arter.

– Växter är fascinerande eftersom de kan anpassa sig till så många olika miljöer, säger hon.

Sara Rydman blev särskilt intresserad av hur växter och insekter påverkar varandra Under sitt masterprojekt vid Umeå Plant Science Centre (UPSC) arbetade hon med växt-insektsinteraktioner tillsammans med Benedicte Riber Albrectsen. Ungefär vid samma tid fick hon frågan om hon ville fortsätta med en doktorandutbildning i Nathaniel Streets forskargrupp som forskar på naturlig variation.

Jag har i stort sett bara följt min nyfikenhet hela vägen, och det är nog därför jag aldrig har tröttnat

– Projektet syftade också på att studera samspel mellan växter och växtätande insekter men lade mer fokus på den genetiska bakgrunden. Det kändes som den perfekta kombinationen för mig. När jag ser tillbaka har jag i stort sett bara följt min nyfikenhet hela vägen, och det är nog därför jag aldrig har tröttnat.

Kemiska ämnen som försvar – till högt pris

I sin forskning har Sara Rydman fokuserat på salicinoider, en grupp kemiska ämnen som produceras av viden och popplar, inklusive asp. Salicinoider spelar en viktig roll i trädens försvar mot växtätande insekter. Samtidigt är vissa av dem även bioaktiva hos människor och har antiinflammatoriska egenskaper. Forskning om salicinoider bidrog till exempel till utvecklingen av acetylsalicylsyra – den verksamma substansen i aspirin.

För träden innebär troligtvis bildningen av salicinoider en tydlig kostnad. En stor del av det kol som träden tar upp används för att bilda dessa försvarsämnen, vilket bör påverka mängden resurser som finns kvar för tillväxt. Just balansen mellan tillväxt och försvar är därför central för att förstå hur träd prioriterar sina resurser.

Asp lämpar sig särskilt väl för den här typen av studier. Naturliga populationer uppvisar stora variationer, både i hur mycket salicinoider de producerar och vilka varianter som förekommer. Trots att många gener är inblandade i bildningen av dessa ämnen har endast ett fåtal tidigare varit kända.

– Genom att identifiera fler av de ansvariga generna kan vi bättre förstå hur salicinoidbildningen hänger ihop med trädens tillväxt och motståndskraft mot insekter, säger Sara Rydman.

Sara Rydman satte upp ett experiment med växtätande insekter för att testa om de föredrar vissa aspvarianter framför andra

Bild Sara Rydman

Nya gener identifierade med systembiologiska metoder

I doktorandprojektet använde hon ett systembiologiskt angreppssätt för att studera en naturlig population av svenska aspar som skiljer sig åt i sin salicinoidsammansättning. Genom att kombinera data om genaktivitet med detaljerade kemiska analyser och genetiska data kunde forskarna identifiera genetiska mönster bakom variationen i det kemiska försvaret.

Samtidigt undersöktes hur halterna av salicinoider varierade mellan olika delar av trädet. Ett tydligt resultat var att unga blad innehåller mer salicinoider och har en mer aktiv bildning än äldre blad.

Unga blad är extra känsliga för insektsangrepp och därför har ett större behov av kemiskt försvar.

– Det är logiskt, eftersom unga blad är extra känsliga för insektsangrepp och därför har ett större behov av kemiskt försvar, säger hon.

Genom att kombinera de olika analyserna identifierades flera nya kandidatgener som är involverade i salicinoidbildningen. En av dessa gener studerades mer i detalj. När genens aktivitet ökades i asp ökade också halterna av salicinoider. Funktionen kunde dessutom bekräftas i experiment med bakterier, vilket visade att proteinet verkar direkt på salicinoider.

– Tillsammans gav det starka bevis för att genen spelar en central roll i processen.

När resultaten inte blir som väntat

Alla resultat var dock inte vad forskarna hade förväntat sig. I ett experiment med växtätande insekter användes naturliga aspvarianter med olika halter av salicinoider. Hypotesen var att träd med högre halter skulle vara mindre attraktiva för insekter.

– Till vår förvåning såg vi inga tydliga skillnader i insektskador, trots att vissa träd konsekvent producerade mycket salicinoider.

Resultatet var oväntat, men visade också hur komplexa växt–insektsinteraktioner är. Försvaret styrs uppenbarligen inte av ett enskilt ämne.

– Det var en viktig insikt i hur komplext växters försvarsystem är. Nu fortsätter vi att undersöka detta med hjälp av genetiskt modifierade träd, där vi kan testa effekterna mer kontrollerat.

Att genomföra experimentet med växtätarna var dessutom ett omfattande arbete. Eftersom liknande försök inte tidigare hade gjorts vid UPSC behövde mycket byggas upp från grunden.

– Jag tog till och med med mig insekterna hem och skötte om dem hela sommaren. De behövde matas och städas efter varje dag – det var nästan som att ha husdjur.

Nästa steg – bioinformatik i fokus

En av de största utmaningarna i projektet var hanteringen av de stora datamängder som den systembiologiska metoden genererade. För att analysera och tolka resultaten krävdes gedigna kunskaper i bioinformatik.

– Maskininlärning och AI kan hjälpa till att hitta mönster, men man måste fortfarande ställa rätt frågor och se till att varje steg i analysen görs korrekt.

Stödet från kollegor med bioinformatisk expertis vid UPSC och Umeå universitet var avgörande, berättar hon.

I början var det väldigt utmanande och inget jag tyckte om direkt, men med tiden har det blivit det jag tycker är roligast.

Nu blickar Sara Rydman framåt. Hon har fått några erbjudanden, men inget är officiellt ännu. Förhoppningen är att kunna stanna i Umeå och fortsätta arbeta med bioinformatik.

– Det är som att lära sig läsa ett helt nytt språk. I början var det väldigt utmanande och inget jag tyckte om direkt, men med tiden har det blivit det jag tycker är roligast.

Det är det hon vill fokusera på framöver.