”Vi har hittat kornets klocka”

Den globala uppvärmningen flyttar odlingsgränserna för våra livsviktiga kulturväxter. Tillsammans med kolleger vid Carlsberg Laboratorium i Köpenhamn har jag letat efter gener som anpassar korn till olika geografiska regioner. Detta arbete är viktigt för att snabbt kunna utveckla kornsorter som ger bra avkastning på en given plats – en nödvändighet inför klimatförändringarna.

En nyckel till god avkastning är att få kornet att blomma vid rätt tidpunkt, vilket kan tyckas vara en trivial sak. För växterna själva är blomningen livsviktig. Startar den för sent så har moderplantan förvisso vuxit sig stor och stark, men fröna hinner inte mogna förrän vintern står för dörren. Startar blomningen för tidigt så utnyttjas inte växtsäsongen, och växten förmår då inte producera tillräckligt många frön.

Vi som bor i norra Europa vet att dagslängden varierar mellan årstiderna. Detta registrerar även växterna. De som blommar före midsommar kallas långdagsväxter, då de reagerar på att dagarna blir längre. Tvärtom gör kortdagsväxterna, som blommar efter midsommar, när vi går mot mörkare tider. Korn är en typisk långdagsväxt.

Man skulle kunna tro att de gener och proteiner som används för att mäta och styra blomningen helt skiljer sig åt i långdags- och kortdagsväxter, men så är det faktiskt inte. Systemet verkar i stället ha uppstått en enda gång i evolutionens historia, men signalerna tycks tolkas olika.

Men hur kan då korn, som har sitt ursprung i den bördiga halvmånen i Mellanöstern, anpassa sig till skandinaviska ljusförhållanden?

Arkeologiska fynd visar att korn odlades i den bördiga halvmånen redan för 10 000 år sedan. Därifrån spreds tekniken över världen. Utan att vara medvetna om det, utsatte de tidiga jordbrukarna kornet för en selektionsprocess som anpassade växten till nya ljussituationer. Vissa individer av kornplantan gav bättre avkastning, vilket gjorde att de kom att dominera i det kommande utsädet. Nu är det ett faktum att en kornsort som tas direkt från norra Europa ger dålig avkastning om man försöker odla den i kornets ursprungsområde. Det beror på att den inte får de ljussignaler den förväntar sig och därför inte börjar blomma och gå i ax.

Sovjetiska växtförädlare insåg redan på 1930-talet att de faktorer som styr blomningens start är viktiga för de domesticerade grödornas förmåga att lyckas. Vid samma tid visade den amerikanske genetikern Hermann Muller att behandling med röntgenstrålning kan öka mutationsfrekvensen hos bananflugor, en upptäckt som belönades med Nobelpriset. Ett par år senare använde man röntgenstrålning för att framkalla mutationer i korn.

Svenska forskare var ledande i det arbetet, och mellan 1941 och 1983 tog de fram flera hundra mutanter som blommade tidigare än startmaterialet. Mutanterna är bevarade på Nordiskt genresurscenter i Alnarp. En av dem – med en mutation i en okänd gen som kallades för Mat-a – lanserades 1961 som en ny kornsort vid namn Mari. Denna gav hög avkastning och kunde odlas i Skandinavien och på Island, men också nära ekvatorn i Colombia, just på grund av sin okänslighet för dagslängden.

Vi identifierade nyligen Mat-a-genen som gav upphov till denna fantastiska förmåga till geografisk anpassning. När vi sökte efter den använde vi så kallad positional cloning, som är en metod där man ringar in den region på en kromosom till vilken en mutation är knuten. Mat-a finns i den yttersta delen av kromosom 1 hos korn. Detta område utgör mindre än en halv procent av kornets genom, alltså dess totala dna, men består ändå av hundratusentals baspar. Det är alltså fortfarande en rejäl höstack att leta efter en nål i.

För att hitta Mat-a-genen hos korn utnyttjade vi genomsekvenser hos ris, durra, majs och en sädesliknande växt vid namn Brachypodium distachyon. Dessa är de enda gräsarter vars genom är sekvenserade. Genernas ordning är ofta densamma i närbesläktade arter. Det innebär att om man hittar generna A, B, C och D i ett gräs och har indikationer på att A, B och C också finns efter varandra i korn, så är sannolikheten stor att även D finns där.

Genordningen vi fann pekade på en korngen som också är känd under namnet Early flowering 3. När vi sekvenserade den genen från 74 mat-a-mutanter fann vi mutationer i samtliga fall. Detta är det slutliga beviset för att Mat-a-genen är densamma som Early flowering 3. I backtrav, som är världens genetiskt mest studerade växt, har samma gen undersökts i tio år. Där har man funnit att proteinet som fås från Early flowering 3 är involverat i finjusteringen av den klocka som styr dygnsrytmen hos växten.

Således är växternas system för att blomma vid rätt tidpunkt intimt förknippat med den inbyggda klocka som styr dygnsrytmen. Den kunskapen använder vi nu för att utveckla nya kornsorter som är anpassade till olika geografiska områden med varierande dagslängd.