För tre år sedan gav sig forskare vid Umeå Plant Science Centre och SciLifeLab i Stockholm i kast med uppgiften att kartlägga granens hela arvsmassa, eller genom. Forskarna visste att det skulle bli en stor utmaning eftersom barrträd har enormt stora arvsmassor. Men riktigt hur stor utmaningen var kunde de inte förutse. Nu publiceras deras resultat i tidskriften Nature.
– Granen är lite av ett mardrömscase. Hade vi vetat hur svårt det skulle bli kanske vi inte hade gett oss på det. Men vi var halvnaiva och vi lyckades, säger Joakim Lundeberg på SciLifeLab med ett skratt.
Granens DNA består av ungefär 20 miljarder olika baspar. Man kan likna det vid att granens arvsmassa består av 20 miljarder bokstäver. Människan har ungefär 3 miljarder bokstäver.
Trots att granens genom är sju gånger så stort som människans så det inte alls lika stor skillnad när det gäller antal gener. Forskarna har hittat drygt 28 000 gener i granen medan människan har 20-25 000.
– Det finns ingenting som säger att granen skulle vara mer avancerad än människan bara för att den har något fler gener och en oerhört mycket större arvsmassa. Till och med väldigt närbesläktade arter kan ha väldigt olika stora genom, säger Stefan Jansson vid Umeå Plant Science Centre.
Oklar funktion för jättestort DNA
Kartläggningen visar att det bara är en liten del av granens arvsmassa som består av gener, det vill säga DNA som kodar för olika proteiner. Huvuddelen av granens DNA har ingen känd funktion. Enligt forskarna verkar mycket av arvsmassan helt enkelt vara överflödig. Man skulle kunna säga att granen har utvecklat en slags ”genomfetma”.
– Det är fascinerande att granen klarar sig så bra trots den här ”övervikten” i genomet. Det kräver ändå en del resurser i form av energi och olika byggstenar att underhålla en sådan stor arvsmassa, säger Stefan Jansson vid Umeå Plant Science Centre.
Genom att sekvensera hela arvsmassan har forskarna kunnat fastställa vad granens överflödiga DNA består av. Det är i huvudsak så kallade retrotransposoner som har ansamlats i genomet under många miljoner år. Retrotransposoner är bitar av DNA som kan föröka sig själva och sedan hoppa till en ny plats i arvsmassan och integreras där.
”Genomfetma”
För kunna jämföra granen med andra barrträd gjorde forskarna även en betydligt enklare sekvensering av DNA-partier från t.ex. tall, en och idegran. Det visade sig att även de utvecklar ”genomfetma” genom att retrotransposoner ansamlas i arvsmassan. De flesta andra växt- och djurarter gör sig av med den här typen av överflödiga DNA-kopior, men den mekanismen verkar inte fungera hos barrträd.
– Än så länge vet vi inte varför det är så stora skillnader i förmågan att göra sig av med överflödigt DNA. För att kunna svara på det behöver man göra riktade studier och undersöka enskilda gener. Men vi tror att förmågan kan vara kopplad till blomutvecklingen, säger Stefan Jansson.
Barrträdens stora genom har utvecklats successivt under årmiljonerna. Även andra typer av växter kan ha stora arvsmassor. Men då brukar det bero på kromosomfördubblingar. Vete är ett sådant exempel. När det inträffar kromosomfördubblingar leder det ibland till stora förändringar för arten, eller till att det utvecklas helt nya arter. Evolutionen tar helt enkelt ett skutt framåt på ganska kort tid. Nu har forskarna kunnat konstatera att det inte gäller granen.
Ser ut som på dinosauriernas tid
– Granen har inte ändrats så mycket under evolutionens gång eftersom den inte varit med om sådana här kromosomfördubblingar. Barrträden ser i princip likadana ut som när dinosaurierna levde, säger Stefan Jansson.
Skälet till att forskarna valde att sekvensera just granen är att den både är ekologiskt och ekonomiskt intressant. Den svenska skogen består ungefär till 42 % av gran, vilket gör granen till det vanligaste trädslaget i Sverige. Tall är näst vanligast. Just nu pågår forskningsprojekt i både USA och EU för att kartlägga även tallens genom. Det är ännu lite större än granens, men än så länge är granens arvsmassa den största som sekvenserats.
I takt med att allt fler organismer får sina DNA kartlagda är det lätt att tro att det numera går på rutin. Fullt så enkelt är det inte. Det råder delade meningar om vilken metod som är den bästa och varje genom har sina specifika utmaningar. Det är relativt enkelt att läsa av själva bokstäverna i DNA-strängen. Men problemet är att man bara kan läsa av små delar i taget, vilket resulterar i ett gigantiskt pussel av slumpvisa DNA-bitar. Den tuffaste utmaningen är att foga samman alla pusselbitar så att bokstäverna hamnar i rätt följd. I granens fall handlade det om ungefär tio miljarder pusselbitar som skulle sättas hop till en helhet.
Ingen dator hade tillräckligt med minne
När de svenska forskarna skulle försöka sätta samman det stora genomet var det till en början omöjligt. Det fanns helt enkelt ingen dator i hela Skandinavien som hade tillräckligt stort RAM-minne för att kunna hantera den enorma mängden information. En grupp matematiker har dessutom behövt skriva om flera dataprogram för att kunna skapa en helhet av alla pusselbitarna. Enligt Joakim Lundeberg vid SciLifeLab är det den stora kraftsamlingen av olika forskarkompetenser som gör att granprojektet har lyckats.
– Man kan säga att olika forskare i världen tävlar om att utveckla verktyg för att sätta ihop arvsmassor i rätt ordning. Det är ärligt talat ingen som kan säga att den har den bästa metoden. Alla tycker att just deras metod är bäst, säger Joakim Lundeberg.