Stort genutbyte mellan tallar i norra Europa

Skogforsk och Umeå universitet har tillsammans studerat hur tallar i norra Europa är besläktade med varandra och hur det geografiska ursprunget påverkar tallens invintringsmönster. Släktskapsanalysen påvisade stor genetisk diversitet, men också ett historiskt högt genetiskt utbyte mellan tallar från olika geografiska platser i hela det nordliga utbredningsområdet. Den anmärkningsvärt höga genetiska diversiteten hos den nordliga tallpopulationen visade också en hög grad av anpassning till den lokala växtsäsongens längd med en svag genetisk gradient i öst-västlig riktning.

Baseras på insamlat frömaterial

Studien baseras på ett frömaterial av tall med olika härkomst från norra Europa som samlats in av Skogforsk i olika samarbetsprojekt med Norge, Sverige, Finland och Ryssland i stora delar av trädslagets nordliga utbredningsområde (Figur 1). För de olika frökällorna undersöktes invintringsmönstret genom att studera hur väl framodlade plantor från de olika sorterna hanterar höstfrost (med hjälp av ett ”frystest”) och om skillnader i denna egenskap kan knytas till den underliggande genetiska variationen.

Figur 1. Karta över härkomsten för testade beståndsfrö och den skattade längden på vegetationsperioden i det undersökta utbredningsområdet. Diamantformade punkter indikerar de bestånd som förutom att genomgå frystester också sekvenserades. Färgskalan motsvarar den årliga ackumulerade temperatursumman över landskapet för de dagar som är varmare än 5°C.

Frystest för att simulera invintring

I ett frystest testas hur snabbt olika material invintrar på hösten, det vill säga hur de svarar på kortare dagslängd och svalare temperatur med ökad härdighet för låga temperaturer (=frysning). Med andra ord simuleras övergången från höst till vinter och när ett särskilt material utvecklat vinterhärdighet. I den aktuella studien frystestades drygt 5 000 tallplantor för höstfrost enligt Skogforsks standardprotokoll, varav drygt 900 av plantorna sekvenserades för att kunna dra slutsatser om den genetiska bakgrunden.

Resultatet visade att frökällornas breddgradsursprung (härkomstlatitud) hade störst effekt för hur väl plantorna hade hunnit invintra och i vilken grad de därför frysskadats. Ett sydligt ursprung hos frökällan gav en större skadegrad medan ett mer östligt ursprung minskade frysskadorna. Invintringen skedde dessutom snabbare för frökällor med nordligare ursprung och hastigheten i invintringsprocessen påskyndades till viss del även hos frökällor med östligare härkomst. Variationen i skadegrad från frystestet för frökällor med liknande ursprung visade att majoriteten (82 procent) av de observerade skillnaderna kunde förklaras av den lokala populationens anpassning till ett visst ljusklimat, i jämförelse med den totala variationen i skadegrad hos frökällorna från hela det studerade utbredningsområdet.

Enhetlig population med stort genetiskt utbyte

Resultatet från kartläggningen av plantornas genetiska bakgrund (sekvenseringen) visade på en påfallande liten skillnad i genetisk diversitet mellan frökällor med olika geografiska ursprung. Tas avståndet mellan sekvenserade populationer med i beaktning är den bästa skattningen att tall i norra Europa består av en enhetlig population med stort genutbyte över hela detta utbredningsområde. Däremot finns det en liten andel (164 eller 1,5 procent) positioner i genomet, kallas loci¹, som uppvisar större skillnader av andra varianter, alleler², på just dessa positioner. Särskilt i nordvästra Norge finns det alleler på ett fåtal loci där dessa varianter knappt förekommer i resten av utbredningsområdet.

Svaga genetiska signaler finns kvar

Baserat på de största uppmätta skillnaderna i de sekvenserade populationerna kunde det studerade utbredningsområdet delas in i tre delar: en med östlig härkomst, en med nordvästlig och en med sydlig (Figur 2).

Det tyder på att det fortfarande finns kvar genetiska signaler, om än väldigt svaga, som kan berätta hur utbredningsområdet av tall har fluktuerat under de senaste istiderna. Genom att jämföra allelfrekvenser hos populationer och jämföra olika miljövariabler och spatiala förhållanden går det att skatta hur stor förklaringsgrad dessa har. Genflödet över utbredningsområdet är så pass stort att signaler från miljöfaktorer och avstånd mellan populationer är svaga, och endast förklarar 2,9 respektive 5,8 procent vardera av det observerade mönstret i genetisk variation.

Figur 2. Förväntad fördelning av populationsstruktur baserat på de 164 loci med störst skillnader i allelfrekvenser mellan populationer.

Ingen mätbar effekt på frosttolerans för specifika loci

En ytterligare aspekt av studien var att försöka koppla specifika loci till skadegraden hos fröplantorna efter frysning. Till detta användes en metod som både skattar den gemensamma effekten (α) av all variation i de loci som sekvenserats och om det finns individuella loci som har en egen mätbar effekt (β) vad gäller frosttolerans. Det som går att utläsa från resultatet är att det inte verkar finnas någon stor enskild effekt bland de drygt 10 000 genetiska markörer som analyserades. Det fanns dock en signal bland de loci med ovanliga alleler i nordvästra Norge (figur 3A) men som försvann om dessa tre populationer plockades bort ur beräkningarna (figur 3B).

Figur 3. Skattad total effekt för allel-loci på skadegraden efter frysning.
A) Analysen på samtliga populationer och B) utan de tre nordvästliga populationerna. Orangea prickar motsvarar de loci som hade avvikande allelfrekvens i nordvästliga Norge. FDR är ”false discovery rate” som baseras från 1 000 körningar av randomiserat data. FDR 5% innebär i detta fall att 5 % av körningarna hade ett –log10 (p-värde) som var högre än den streckade linjen, medan den heldragna linjen är det mest extrema värde som noterades bland alla randomiserade körningar.

Då dessa populationer både kommer från en extrem miljö och har extrema allelfrekvenser i just dessa loci går det inte att utröna orsakssamband. Däremot kunde alla loci tillsammans förklara 56 % av de skillnader i skadegrad som observerades mellan fröplantor, även om andelen borde vara drygt 80 %. Den senare siffran härstammar från skattningen av hur mycket av variationen som tillskrivs lokal anpassning. Det betyder att med fler markörer skulle det sannolikt gå att förutsäga fröplantors härdighet baserat på vilka alleler som plantorna härbärgerar.

Möjliga förklaringar till ovanliga alleler

Någon förklaring till varför populationerna i nordvästra Norge hade en hög andel av några annars ovanliga alleler är svår att etablera baserat på denna studie. När det stora genflödet mellan populationer beaktas finns två möjliga förklaringar till att dessa alleler förekommer i detta område. Antingen har det förekommit ett starkt naturligt urval på just dessa alleler i nordvästra Norge men de har inte varit viktiga för resten av utbredningsområdet. Eller så är det en kvarvarande signal från en längre tids isolering av en population – möjligen ett refugium under den senaste istiden. Vidare studier med andra angreppssätt kommer att kunna avgöra vad som är mest troligt.

Författarnas tack

Vi vill tacka Margareta Edvardsson med personal på Skogforsks plantskola i Sävar samt Jörgen Hajek och Torgny Persson för rådgivning om frystestet. Vi vill också tacka Natalia Demidova vid NRIF (Ryssland), Seppo Ruotsalainen vid LUKE (Finland) samt Arne Steffenrem och Øyvind Meland Edvardsen vid NIBIO (Norge) för hjälp med de utländska frökällorna. Dataanalys gjordes vid HPC2N vid Umeå Universitet. Frystestet finansierades av NEFCO.

^{1. Locus (plural loci) motsvarar position på genomet. Genomet består av två DNA-strängar uppdelat på
kromosomer. DNA består av en kombination av fyra olika baspar.}

^{2. Allel = genvariant. En allel består av en serie baspar (DNA-bokstäver). Om basparen skiljer sig åt mellan individer har vi olika alleler. Mängden olika alleler i en population ger ett mått på genetisk diversitet.}