Planter bruker daglengde for å treffe med blomstringen

Ny forskning ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet, NMBU viser at plantenes forhold til årstidene er mer komplekst enn vi har trodd. Når de overvintrer teller de ikke bare kuldegrader, men også timer med lys og mørke. På fagspråket kalles dette vernalisering.

Planter i våre tempererte kalde områder må sørge for bestøvning, utvikling og produksjon av frø i en svært kort periode med gode vekstforhold på våren og sommeren. De kontrollerer blomstringstiden sin gjennom en vernaliseringsmekanisme der de ikke blomstrer før vinteren er ferdig. Men når vintrene blir ustabile, med varmere perioder kan det føre til at plantens «timing» av blomstring blir feil.

– Hvis vinteren ikke er kald og lang nok, kan vernaliseringseffekten i planten bli svakere. Det kan føre til at den enten starter for sent med blomstringen, eller i noen tilfeller for tidlig, forklarer forsker og molekylærbiolog Marian Schubert ved NMBU.

Lavere avling på høstkorn

Det å blomstre til rett tid er viktig for blant annet kornslagene våre, som egentlig er arter av gress. Med klimaendringene og lenger vekstsesong har det blitt mer aktuelt for bøndene å dyrke høstsorter av korn. Kornet sås om høsten, spirer og etablerer et plantedekke før vinteren, for så å starte opp veksten igjen når våren kommer.  Det gjør at plantene får litt bedre tid til å etablere seg, får et bedre rotsystem og har et større potensial for avling.

Men disse høstsortene må gjennom vernaliseringen før de kan blomstre året etter. I dagens kornsorter er en stabil kald vinter hovedkilden til vernaliseringssignalene planten bruker, noe som ikke lenger er en selvfølge, og resultatet kan bli lavere avlinger.

Det har ført til forskernes interesse for en lite kjent egenskap om plantenes evne til å reagere på daglengde, en faktor som ikke påvirkes av klimaendringene.

Tema er ikke nytt, og forskning på 80-tallet ved Norges Landbrukshøgskole, beskrev gressarter som kan fremkalle blomstring ved å reagere på kort daglengde, kalt kortdags-vernalisering. Men det ble sett på som noe sjeldent, lite viktig og begrenset til noen få arter.

Fornyet interesse for daglengde

Med vissheten om at denne egenskapen kan bli viktig i fremtiden, gikk Schubert og NMBU professor Siri Fjellheim i gang med å undersøke en stor gruppe gressarter i Pooideae-underfamilien av tempererte gressarter. Der er blant andre kornsortene vi dyrker i Norge, hvete, bygg, havre og rug. Og resultatene var overraskende.

– Vi forventet å finne noen få arter som reagerte på korte dager, men resultatene viste at fenomenet var mye mer utbredt enn vi hadde trodd, sier Schubert.

Egenskapen ser ut til å ha utviklet seg tidlig i plantegruppens evolusjon da de tilpasset seg tempererte områder her i nord, og har vært viktig for disse gressartenes evne til å overleve og formere seg i kjølige klima.

Testet effekten av daglengde i veksthusforsøk

Et vekstforsøk ble gjennomført i veksthus etter at frøene først hadde fått en kuldebehandling for å etterligne vinter. Plantene ble deretter dyrket i omtrent 20 °C med lange dager (16 timer lys) i to uker. Så ble plantene delt i to grupper og dyrket videre i 59 dager. En gruppe med lange dager og en gruppe med korte dager (8 timer lys). Deretter fikk alle plantene igjen lange dager. For å undersøke om eksponering for korte dager gjorde plantene klare til blomstring, målte forskerne hvor raskt, og hvor mange planter som begynte å blomstre.

Aktiviteten til genene avslørte plantenes blomstringsberedskap

I motsetning til i forskningen på 80-tallet kunne Schubert og kollegene nå avdekke gener som er involvert i kortdags-vernalisering.

Målet var å finne hvilke gener som er aktive eller skrudd «på» når planter utsettes for korte og lange dager. Det er planten som styrer hvilke gener som er «på» og hvilke som er «av». Når et gen er «på» brukes det til å lage noe cellen trenger, mens et gen som er «av» ikke er i bruk. Dette gjør at celler kan ha ulike oppgaver selv om de har samme DNA.

Forskerne tok prøver av plantenes blader og målte aktiviteten til mange gener samtidig med RNA-analyser. Da de sammenlignet aktiviteten til genene i de to gruppene fant de 93 gener som endret aktivitet når daglengden ble endret. For å finne ut mer om hvordan disse genene jobbet sammen, grupperte de gener som oppfører seg likt. Mange av disse genene var felles for mange av artene i forsøket, og samarbeider for å kontrollere når planten begynner å forberede seg til blomstring.

Forskerne fant funksjonen til et viktig gen, GF14h, ved å bruke genredigering for å slå ut genet og se hva som skjer når det ikke virker. Ved å sammenligne de genredigerte plantene med normale planter kunne forskerne se at genet fungerer som en bremse på blomstringen.

─ Genet holder tilbake reproduksjonsprosessen under lysere dager om sommeren. Når dagene blir kortere, blir dette genet mindre aktivt, noe som setter i gang en kjedereaksjon som aktiverer andre gener, sier Schubert.

Stabile daglengder gir nye muligheter i ustabile vintre

Forskningsresultatene betraktes som et avgjørende vendepunkt som gir ny forståelse av kortdags-vernaliseringsprosessen i plantene.

Når vintrene i fremtiden blir mer ustabile er det en reell fare for at avlingene på høstkorn vil bli mindre på grunn av svak vernalisering. Da er det nødvendig at kortdags-vernalisering brukes aktivt i foredlingen av nye kornsorter, siden daglengden påvirkes ikke av klimaendringene.

Ved å ta i bruk den nye kunnskapen om hvilke gener som styrer responsen på korte dager kan planteforedlere utvikle planter som er bedre tilpasset fremtidens klima.

─ Vi har nå laget en overordnet modell for Pooideae-underfamilien, men vi så bare på én populasjon per art, så hele bildet er egentlig mye mer komplekst. Vi hadde bygg med i studiet som art, men det finnes jo tusenvis av byggsorter som dyrkes i tempererte områder, sier Schubert.

Men ved å bruke modellen kan planteforedlere identifisere og analysere disse genene i de forskjellige sortene, for så å kartlegge hvilke genvarianter som finnes i de mest brukte byggsortene i Europa.

Forskningen har stor betydning for landbruket og sørger for at høstkornplantene får hjelp til å tilpasse seg til klimaendringene. Men den gir også innsikt i hvordan ville planter kan tilpasse seg. Har de både temperatur- og daglengdebaserte mekanismer, har de større sjanse for å overleve. Men de må satse på naturlig seleksjon "survival of the fittest" og ikke hjelp fra forskerne.

Referanse

Conservation of the short-day vernalization flowering response pathway in tempeMarian Schubert, Marian Schubert mfl.: Conservation of the short-day vernalization flowering response pathway in temperate Pooideae grasses. New Phytologist, 2026. Doi.org/10.1111/nph.71009