Hvordan bygge et tre? Ny studie i Nature Communications gir innsikt i genene bak jordas største kilde til fornybar biomasse

Trær bygger stammen sin lag på lag, med en ny årring hvert år. Trevirket i stammen – det vi kaller «ved» – er en av evolusjonens virkelig store oppfinnelser. Det gjør nytten som stillas og vannrør på en og samme gang, og lar noen planter reise seg høyt over konkurrentene for å fange sollyset.

– En så revolusjonerende nyvinning skulle man kanskje tro definerte sin egen plantegruppe, men faktisk er en bjørk nærmere i slekt med gress enn med en gran, sier NMBU-professor Torgeir R. Hvidsten, som har ledet den nye studien

Trær er jordas største fornybare kilde til biomasse, et av de største langtidslagrene for karbon vi har, og ved er råstoffet bak alt fra hus og papir til framtidas biobaserte materialer.

– Skal vi forstå hvordan skoger vokser, lagrer karbon og kan foredles for å møte et klima i endring, må vi forstå den genetiske oppskriften bak veden, sier Hvidsten.

Trær har oppstått flere ganger

Veddannelsen oppsto for mer enn 300 millioner år siden, hos den felles stamfaren til de to store plantegruppene på jorda – blomsterplantene (inkludert bjørk og gress) og barplantene (inkludert gran og furu).

I en ny studie i tidsskriftet Nature Communications har norske og svenske forskere kartlagt og sammenlignet aktiviteten til genene som inngår i veddannelse hos tre løvtrær (osp, bjørk og kirsebær) og tre bartrær (gran, furu og vrifuru).

– Trær har oppstått flere ganger gjennom evolusjonen. Mye av kullet vi forbrenner i dag stammer fra enorme skoger i karbontiden (ca. 300–350 millioner år siden),  men de skogene besto av trær som ikke lagde det vi kaller ekte ved. Det var gigantiske kråkefot- og bregnetrær, to urgamle plantegrupper som vi ikke forbinder med trær i dag,selv om jeg faktisk gikk blant ekte trebregner i New Zealand i sommer!, forteller Hvidsten.  

Treaktige vokseformer har dukket opp igjen og igjen gjennom evolusjonen, for eksempel som bambus i gressfamilien og som palmer i en nært beslektet familie.

– Det vi studerte i denne artikkelen er derimot «ekte» veddannelsen slik den oppsto i opphavet til blomsterplantene og barplantene for litt over 300 millioner år siden, sier Hvidsten.

Et lynkurs i årringer

De fleste har sett årringer i en trestubbe, men visste du at planter vokser på to måter? Primærvekst er det som skjer i tuppene: skudd og røtter strekker seg og gjør planten lengre. Sekundærvekst er det som gjør en stengel til en stamme: vekst i tykkelse. Og veddannelse er selve kroneksempelet på sekundærvekst.

Motoren i veddannelsen er et tynt lag med delende celler like under barken. Vi kan kalle det treets «stamceller». Disse cellene deler seg om og om igjen, og dattercellene skyves ut til hver sin side og modnes: utover blir de til silvev (bast), som frakter sukker fra bladene rundt i treet, og innover blir de til vedvev. I hver vekstsesong legges det på et nytt lag ved, og forskjellen mellom raske vårceller og tette senceller er akkurat det du ser som en årring.

– Vedcellene dør når de er ferdig utviklet. De bygger tykke cellevegger av cellulose og lignin, og gjennomgår så en programmert celledød og blir til hule rør som vann kan trekkes gjennom. Med andre ord – trær lever på utsiden, men er døde på innsiden, sier Hvidsten.

Bartrærne foretrekker det enkle

I den nye studien kartla forskerne aktiviteten til genene som styrer veddannelsen i skiver tynnere enn hårstrå, gjennom hele vedsonen, og fant at kjerneprogrammet er dypt bevart på tvers av 300 millioner års evolusjon. De to plantegruppene bruker langt på vei den samme genetiske ryggraden for å lage ved.

– Men det finnes en slående forskjell, og den handler om vedvevets kompleksitet. Ved hos bartrær består i praksis av én celletype, som kalles tracheider. Disse  gjør to jobber på én gang: de gir stammen og grenene styrke til å løfte de fotosyntetiserende barnålene opp i sollyset, og de frakter vann opp fra røttene. Løvtrærne har derimot evolvert spesialiserte celler: vedrør for vanntransport og fibre for å holde treet oppreist, sier Hvidsten.

Og denne forskjellen i vevet speiles helt ned i genreguleringen, altså systemet som slår på og av gener i riktig fase av veddannelsen. Hos løvtrærne fant forskerne et lagdelt reguleringsnettverk.

– Se for deg en type  «sjefsgener» som styrer «mellomledere» som styrer «arbeidergener». Hos bartrærne er nettverket påfallende flatere og enklere, akkurat som veden det bygger. Enklere ved, enklere oppskrift. At strukturen i vevet og i genreguleringen henger sammen på denne måten, er en av hovedfunnene i studien, sier Hvidsten.

– Studien har gjort et omfattende datasett tilgjengelig for andre forskere: målinger av genaktivitet gjennom vedsonen i seks treslag – over 500 prøver i alt. Forhåpentligvis kan dette datagrunnlaget hjelpe oss med å foredle trær med akkurat de vedegenskapene vi trenger, sier han.