– Svalbard er et av de mest ekstreme voksestedene på jorda. Jeg kom dit første gang da jeg studerte til bachelorgraden i biologi på Universitetssenteret. I alle fag og emner var vi innom dette ene spørsmålet; hvordan tilpasser organismene seg de ekstreme forholdene i Arktis?
Det forteller Siri Birkeland, som nå er postdoktor ved Norges miljø- og biovitenskapelige universitet (NMBU). I desember 2020 tok hun doktorgraden på UiO – den handlet om kuldetilpasninger hos tre planter i korsblomstfamilien. Og sammen med kolleger er hun den første som har beskrevet hele genomet til en arktisk plante.
Hun ble helt bergtatt det første året hun var på Svalbard:
– Jeg blir fascinert fordi det er det nærmeste vi kommer urørt natur. Tilsynelatende er landskapet helt øde. Likevel dukker det opp blomster overalt i de korte ukene sommeren varer.
I doktorgradsavhandlingen så Birkeland på hvilke genetiske faktorer som har gjort at plantene er tilpasset arktiske forhold. Hun jaktet på spor av evolusjonen som kan skjule seg i genene, for på den måten å kunne si noe om mulige mønstre og forutsigbarhet i evolusjonen.
– Jeg begynte å interessere meg for disse spørsmålene da jeg leste om hvordan arktiske insekter kan klare seg i kulde ved å akkumulere sukker og senke frysepunktet. Og jeg oppdaget at det fantes lite kunnskap om hvordan arktiske planter tåler kulde.
De har en rekke metoder for å klare seg, som pigmentering og behåring. Noen danner antifryseproteiner som pakker inn iskrystallene og hindrer dem fra å spre seg inn i planten. Mange er heliotropiske, som betyr at blomsten vender seg mot solen i takt med dens gang over himmelen.
– Det er gjort studier på hva som skjer fysiologisk i plantene. Jeg ønsket å gå videre og forsøke å avdekke de genetiske årsakene bak de fysiologiske mekanismene. Hvilke sammenhenger er det mulig å finne?
Valgte korsblomstfamilien
Koblingene mellom genetiske og fysiologiske faktorer er et hovedspørsmål i Siri Birkelands doktorgradsavhandling.
Hun gikk løs på tre arktiske plantearter i korsblomstfamilien, som trolig er den familien som er mest studert av botanikerne. Vårskrinneblom Arabidopsis thaliana er selve modellplanten, siden det var den første som fikk kartlagt hele genomet, altså det totale arvematerialet. Dette har Birkeland og forskerkollegene bygget videre på.
– I min forskergruppe på Naturhistorisk museum har vi jobbet med flere arktiske planter i korsblomstfamilien i et annet prosjekt. Jeg valgte tre arter som vi kjente fra før. Dessuten representerer de tre ulike greiner innen korsblomstfamilien.
Siri Birkeland studerte kulderespons hos:
- Snørublom, Draba nivalis
- Polarskjørbuksurt, Cochlearia groenlandica
- Høyfjellskarse, Cardamine bellidifolia
En del av doktorgraden handler om å kartlegge genomet til snørublom, slik at den nå er utviklet som en arktisk modellplante. Det har vært et stort arbeid som har involvert mange mennesker.
– Når vi nå har et slikt fullstendig genetisk kart, åpner det opp for mange nye studier på arktiske planter og genetikk. Som ellers i forskningen er det ikke et endelig svar jeg har kommet fram til, men et grunnlag for å stille en rekke nye spørsmål, sier den nyslåtte doktoren.
Andre deler av doktorgraden handler om å sammenligne de tre plantene. Er det de samme genene og mekanismene som beskytter dem mot sterk kulde, eller er det ulike gener som slår ut i artsspesifikke strategier?
Dels har Birkeland sammenlignet de tre artene med molekylære metoder. Og dels har hun eksperimentert med å gi plantene kuldesjokk for deretter å studere RNA'et deres.
Kuldesjokkbehandling
Det var midt på sommeren da hun flyttet eksemplarer av snørublom, polarskjørbuksurt og høyfjellskarse inn i et kjølerom i Botanisk hage med temperatur rundt frysepunktet. Hensikten var å få plantene til å sette i gang maskineriet som beskytter dem mot kulde.
– Når plantene opplever lave temperaturer, skjer det mye i cellene, forklarer Birkeland. – For eksempel skrus noen gener på, mens andre skrus av. Når gener skrus på, lages det en kopi av genet kalt RNA. RNA'et kan brukes som instruksjon når det skal lages proteiner. Ved å ta prøver av RNA'et til plantene, kan vi se hvilke gener som er skrudd på til enhver tid.
Sammen med sin veileder Michael Nowak fulgte hun plantene gjennom 24 timer med lave temperaturer. De tok prøver av RNA'et før de ble satt inn i det kalde rommet, og deretter nye prøver etter 3, 6 og 24 timer i null grader. På den måten kunne de se hvilke gener som er involvert i kuldetoleranse og i hvilken rekkefølge de blir skrudd på eller av.
Siri Birkeland har beskrevet arbeidet i et innlegg på Forskning.no:
For å få tak i RNA'et til en plante, må man plukke blader fra planten og legge dem i en spesiell væske som ødelegger cellene. I tillegg må man knuse bladene med en mini-morter og deretter fjerne alt det andre man ikke vil ha (proteiner, sukker, DNA osv.) til bare RNA'et blir igjen. Dette gjøres i laboratoriet.
Siden vi gjorde eksperimentet over 24 timer og tok prøver av plantene fire ganger, ble det lange dager i laben. Den første natta måtte jeg jobbe helt til klokka tre. Når jeg jobber lange dager i laben er jeg livredd for å bli sliten og ukonsentrert, for da kan man lett gjøre feil som potensielt gjør at man må starte helt på nytt eller kaste verdifulle prøver.
– Vi fant at i alle de tre artene er det tusenvis av gener som forandrer uttrykksmønster underveis i prosessen. Det er ikke de samme genene som er involvert, men likevel kunne vi se mønstre som tyder på at det er en felles genrespons som medvirker til at plantene klarer å takle kalde miljøer. Vi tror altså at det er noe som er felles for hele familien, og kanskje også for flere plantefamilier.
Birkeland understreker at det trengs mye mer forskning for å komme til bunns i spørsmålet om hva som gjør arktiske planter så hardføre.
– Evolusjonsmessig har det nylig skjedd endringer i viktige kulderesponsgener, etter hva jeg kunne se. Men det gjelder ikke for de samme genene hos de tre ulike artene jeg har sett på. Det ser altså ut til at hver av de tre artene responderer på kulde på sin egen måte.
Av alle plantearter i verden er det bare noen få som er tilpasset lave temperaturer.
– Vi ser noen få trekk som er felles for alle planter som tåler minusgrader, uansett hvor i verden de hører hjemme.
Imponerende tøffinger
Når hun ser tilbake på sine dypdykk – så langt – i arktiske planters skjulte liv, sier Siri Birkeland:
– Jeg har fått bekreftet hvor gøy det er å jobbe med evolusjonsbiologi. Og jeg er spesielt glad i arktiske planter. De ser stusslige og kjedelige ut, men det er imponerende hva de tøffingene får til.
Når det gjelder de vitenskapelige funnene, var hun først litt skuffet over at hun ikke fant noen tydelige mønstre.
– Jo mer jeg tenker på det, jo mer synes jeg det gir mer mening at det ikke er slik. Evolusjonen har så mange komponenter og byr på så mange tilfeldigheter at det er mange veier til en løsning. De arktiske plantene klarer alle å takle lave temperaturer og kort vekstsesong, men de har funnet hver sin unike løsning.
Nye spørsmål å utforske
Birkeland har bidratt med det hun kaller et røft utgangspunkt for å forske videre på en rekke spørsmål, eksempelvis:
- Responder arktiske planter og planter hjemmehørende i temperert klima likt eller ulikt på de samme temperaturendringene?
- Hvor lave temperaturer kan arktiske planter tåle?
- De fleste planter i vårt nordeuropeiske klima trenger en forberedelsesperiode med lave temperaturer før gradestokken går under null. Er det slik også for de arktiske, eller tåler de sjokk-kulde?
- Er det forskjellige tilpasninger hos ulike populasjoner innen samme art?
Det virkelig store spørsmålet
Det store spørsmålet som opptar Siri Birkeland er hvor forutsigbar evolusjonen er. Finnes det repeterbare mønstre, eller er det tilfeldigheter som avgjør?
– Jeg kan ikke gi et godt svar, for dette er kjempestore spørsmål. Men jeg bruker det arktiske plantesystemet til å si noe om det. Det er veldig spennende, fordi det berører kjernespørsmål i evolusjonsprosessen. Er det repeterbare mønstre som slår inn når artene tilpasser seg skiftende miljø – eller finner evolusjonen nye løsninger hver gang?
Noen mener det er mer forutsigbart enn man skulle tro. Andre mener at det bare er noe vi mennesker ønsker å se.
– Jeg tror i alle fall at vi kan lære mye om evolusjonen ved å studere det ekstreme.
De vitenskapelige artiklene:
Multiple Genetic Trajectories to Extreme Abiotic Stress Adaptation in Arctic Brassicaceae
