MASTEROPPGAVEFORSLAG: EFFEKTER AV KLIMA OG MILJØ PÅ PLANTER (English at page 4)

Transkript

1 1 MASTEROPPGAVEFORSLAG: EFFEKTER AV KLIMA OG MILJØ PÅ PLANTER (English at page 4) EFFEKTER AV LAVE DOSER GAMMASTRÅLING PÅ PLANTERS VEKST OG UTVIKLING KAN UV-LYS BESKYTTE MOT LAVE GAMMA-NIVÅER? Det er godt kjent at høye nivåer av radioaktiv stråling er skadelig og dødelig hvis dosene er høye nok, men effektene av lave doser er lite studert. I et naturlig miljø er det alltid en viss bakgrunnsstråling fra berggrunnen og i Norge og andre deler av verden har vi også områder med naturlig høyere radioaktiv stråling enn den vanlige bakgrunnsstrålingen de fleste steder. I tillegg har utslipp fra ulykker som i Chernobyl og Fukushima og atomprøvesprengninger gitt økt stråling også andre steder enn i nærheten av ulykkesstedet eller sprengningsstedet. Spørsmålet er om lave nivåer av radioaktiv stråling faktisk ikke bare er negativt, men om den kan være fordelaktig ved at den stimulerer beskyttelsesmekanismer som dannelse av antioksidanter og DNAreparasjonsmekanismer. Man kan tenke seg at dette kan gjøre plantene mer motstandsdyktige mot andre typer stress. Det har imidlertid vært gjort få systematiske studier av effekter av lave doser radioaktiv stråling på planter. Vi vet derfor lite om hvor mye radioaktiv stråling ulike plantearter og utviklingsstadier tåler uten at de blir skadet men får stimulert beskyttende mekanismer. I en masteroppgave kan du undersøke effekten av gammastråling på kimplanteutviklingen i gran. Kimplanter er den delen av frøet som spirer til en frøplante og kimplanteutviklingen foregår inne i det utviklende frøet. I arbeidet brukes en spesiell vevskulturteknikk for å lage mange genetisk identiske kimplanter (Figur 1). På denne måten kan gammabestrålte kimplanter sammenlignes med genetisk identiske ikke-bestrålte kimplanter. Til bestrålingen brukes en gammakilde (Figur 1) som bare står på når ingen er inne i rommet så man usettes naturligvis ikke for stråling selv. Veksten og utviklingen av kimplantene følges videre etter bestrålingen. Det tas bilder og biomasse bestemmes og kimplantene undersøkes i mikroskop. Det gjøres også forskjellige analyser i laboratoriet, først og fremst analyse av DNA-skade og antioksidanter. Det kan også være mulig å analysere aktiviteten til gener som har med DNA-reparasjon å gjøre. Det kan også undersøkes i en annen masteroppgave om det gjør noen forskjell for kimplanter og små spirer av ulike plantearter å bli bestrålt med gammastråling etter at de først har fått UV-lys. Tanken er å teste om UV-lyset kan stimulere dannelse av antioksidanter som kan beskytte mot lave nivåer av gammastråling. Også i dette arbeidet følges vekst og utvikling og det gjøres analyser i laboratoriet av antioksidanter, DNA-skade og eventuelt gener som har med DNA-reparasjon å gjøre. Figur 1. Øverst: Vevskulturteknikk for å lage mange genetisk identiske kimplanter av gran og senere få kimplantene til å vokse opp til småplanter. Starten er en eneste kimplante fra et frø (bildet helt til venstre). Fra denne kimplanta blir det dyrket en celleklump som etter hvert produserer mange nye kimplanter (2. og 3. bilde fra venstre). En slik kimplante spirer til en frøplante som så kan dyrkes videre til større planter (de to bildene til høyre). Nederst: Gammakilden på NMBU brukt i et forsøk med plantespirer i petriskåler. Hovedveileder: Professor Jorunn E. Olsen (IPV, Biovit). Medveiledere: Samarbeidspartnere ved NMBU (Biovit og MINA) og NIBIO. Arbeidet vil være tilknyttet Centre of environmental radioactivity (Centre of excellence). Kontakt: jorunn.olsen@nmbu.no. Kontor: Botanisk klimalab, rom BO-135.

2 2 EFFEKT AV TEMPERATUR PÅ VINTERKNOPPDANNELSE OG VINTERHVILE HOS TRÆR Når dagene blir korte, danner trær vinterknopper (Figur 1) og utvikler dyp vinterhvile og frosttoleranse. Dette gjør det mulig for trærne å overleve vinteren. Det er grunn til å tro at trærne vil påvirkes av de raske klimaendringene. Selv om det er gjort forholdsvis få slike studier av trær, vet vi nemlig at daglengde-styrte prosesser i planter (vinterknoppdannelse, vinterhvileutvikling og blomstring) kan påvirkes av temperaturen. Vi vet imidlertid ikke hvordan det skjer. Forståelse av dette vil hjelpe oss å forutsi hvilken mulighet trær og andre planter vil ha til å tilpasse seg raske klimaendringer. Selv om det er svært lite studert, er det sannsynlig at aktiviteten til gener som styrer vinterknopp- og vinterhvileutviklingen påvirkes av temperaturen og at epigenetiske mekanismer kan spille en rolle i dette. Epigenetiske mekanismer gir endringer i DNA uten endring av DNA-koden og handler blant annet om endringer i DNA-metylering og i histonproteinene som DNA er kveilet opp rundt. Slike epigenetiske endringer i et gen vil kunne påvirke genets mulighet til å være aktivt. I et mastergradsprosjekt kan du undersøke hvordan temperaturen påvirker responsen på daglengden i trær. Dette gjøres i dyrkingseksperimenter med småplanter av gran der temperaturen og daglengden varieres. Du kan så undersøke i laboratoriet hvordan temperaturen påvirker aktiviteten til gener som vi tror styrer utviklingen av vinterknopper og vinterhvile. Du kan også undersøke om epigenetiske mekanismer er involvert i dette. Det vil også være mulig å gjøre mikroskopistudier der du studerer effekten av temperaturen på celledelingen og cellestrekningen i plantenes vekstsoner og hvilke celler det er epigenetiske endringer i. I en masteroppgave om dette går det an å konsentrere seg mer om dyrkingsforsøk og mindre om lab-arbeid eller omvendt, alt etter hva du ønsker. Figur 1. Vinterknopputviklingen hos småplanter av gran. Øverst: Plantene vokser når dagene er lange (bildet til venstre) og avslutter veksten og utvikler vinterknopper når dagene blir korte. Når dagene igjen blir lange, vil knoppene bryte og veksten gjenopptas (de to bildene til høyre). Selv om daglengden er aller viktigst for når vinterknopputviklingen skjer, vil temperaturen også påvirke. Spørsmålet er hvor mye og hvordan. Nederst: Til venstre: Mikroskopibilde av en skuddspiss i en voksende granplante dyrket ved lange dager (sam = apikalt skuddmeristem). Til høyre: Mikroskopibilde av en vinterknopp etter 21 korte dager (bs=knoppskjell, c= område rett under selve vinterknoppen. Dette området vil fungere som en barriere for vanntransport inn i vinterknoppen.) Hovedveileder: Professor Jorunn E. Olsen (IPV, Biovit) Medveiledere: Samarbeidspartnere ved NMBU. Kontakt: jorunn.olsen@nmbu.no. Kontor: Botanisk klimalab, rom BO-135.

3 3 TRÆR HUSKER KLIMAFORHOLDENE UNDER FRØUTVIKLINGEN EPIGENETISK HUKOMMELSE Overraskende nok er det vist at grantrær husker klimaforholdene under utviklingen av frøet som de vokste opp fra. Temperaturen under frøutviklingen påvirker når planta danner vinterknopper om høsten og når knoppene spretter om våren. De eksakte mekanismene som ligger til grunn for denne hukommelseseffekten er imidlertid ikke kjent. Vi vet imidlertid at dette må være epigenetisk siden trær som har vokst opp fra genetisk identiske frø laget ved hjelp av vevskulturteknikk ved 18 C eller 28 C, danner vinterknopper og får knoppsprett på forskjellige tidspunkter om høsten og våren (Figur 1). Epigenetikk er endringer i DNA uten endring av DNA-koden og viktige generelle epigenetiske mekanismer er endringer i DNA-metylering og i histonproteinene som DNA er kveilet opp rundt. Slike epigenetiske endringer i et gen vil påvirke genets mulighet til å være aktivt. I tillegg til at tidspunktene for knoppsetting om høsten og knoppbrytning om våren er viktige for overlevelsen, må plantene også bli frostherdige i tide og frostherdigheten må vare lenge nok om våren. Om det også er forskjeller i utviklingen av frostherdigheten i planter som har vokst opp fra frø som ble utviklet under 18 C eller 28 C (Figur 1) er ikke undersøkt. Mer detaljert kunnskap om hvordan temperaturen under frøutviklingen påvirker plantene som vokser opp fra frøet, vil bedre våre muligheter til å forstå klimatilpasningen i trær og planter generelt og bidra til å gjøre det mulig å forutsi planters responser på endret klima. Slik kunnskap vil også være viktig for å forstå evolusjonen av klimatilpasning hos planter og vil også kunne utnyttes i planteforedlingen. I en masteroppgave kan du undersøke om frostherdigheten hos plantene som har vokst opp fra frø utviklet ved 18 C eller 28 C (Figur 1), er påvirket av temperaturen under frøutviklingen. For å undersøke dette, tar du inn kvister på ulike tidspunkter om våren, høsten og vinteren og undersøker i fryseforsøk om det er noen forskjeller i frostherdigheten mellom disse plantene. Du kan også studere mekanismer som ligger til grunn for den epigenetiske hukommelsen av forholdene under frøutviklingen. For å studere dette kan du i laboratoriet undersøke om det er forskjeller i aktiviteten til gener som er viktige for overvintringen, i histonproteinene og i DNA-metylering mellom de genetisk identiske trærne som har vokst opp fra frø utviklet ved 18 C eller 28 C. Vi holder allerede på med slike analyser, men det er mer arbeid som en MSc-student kan gjøre. Du kan for eksempel gjøre mikroskopistudier der du finner ut i hvilke celler det er epigenetiske endringer. Figur 1. Øverst: Genetisk identiske grantrær med ulike klimatilpasningsegenskaper. Treet til venstre som har vokst opp fra et frø (kimplante) som ble utviklet under forholdsvis kjølige forhold (18 C), har hver vår tidligere knoppsprett enn treet til høyre som har vokst opp under fra et frø (kimplante) utviklet under varme forhold (28 C). Nederst: Til venstre: Genetisk identiske kimplanter laget ved en vevskultur-teknikk som kalles somatisk embryogenese. Til høyre: Mikroskopibilde av et kimplante (en annen plante enn gran) det er gjort immunolokalisering av bestemte histonproteinvarianter (vises som lysende celler/områder). Hovedveileder: Professor Jorunn E. Olsen (IPV, Biovit) Medveiledere: Samarbeidspartnere ved NMBU og NIBIO. Kontakt: jorunn.olsen@nmbu.no. Kontor: Botanisk klimalab, rom BO-135.

4 4 MASTER THESIS PROJECTS: EFFECTS OF CLIMATE AND ENVIRONMENT ON PLANTS EFFECTS OF LOW DOSES OF GAMMA RADIATION ON PLANT GROWTH AND DEVELOPMENT CAN UV-LIGHT PROTECT PLANTS TOWARDS LOW LEVELS OF GAMMA RADIATION? High levels of gamma radiation are well known to result in damage and is lethal if the doses are sufficiently high, but studies of effects of low gamma doses are limited. In a natural environment, there is always some background radiation from the bedrock, and in several places in the world there are also areas with naturally higher radioactive radiation than most other places. In addition, there are also areas with moderately increased radiation levels due to accidents such as Chernobyl and Fukushima and tests of nuclear weapons. It has been suggested that low levels of radioactive radiation may not necessarily be damaging, but could rather be beneficial by stimulation of protective mechanisms such as antioxidants and DNA-repair. In turn, this may make plants more resistant towards other stressors. However, few systematic studies of effects of low doses of radioactive radiation on plants have been performed. Thus, our knowledge is limited about how much radioactive radiation different plant species and developmental stages can tolerate without being damaged, but instead get their protective mechanisms stimulated. In a MSc thesis you can investigate the effect of gamma radiation on the development of plant embryos, which is the part of the seed which germinates to a seedling. In this work, we will use a specific tissue culture technique to make many genetically identical plant embryos (Figure 1). In this way, it is possible to compare gammaradiated with not-radiated control embryos, all of the same genotype. After the radiation the growth and development of the embryos will be recorded, photos made, biomass determined and microscopy studies performed. In the laboratory, different analyses will be performed, particularly analyses of DNA-damage and antioxidants. It may also be possible to analyse the activities of genes involved in DNA repair. In a MSc thesis, it can also be investigated whether it makes a difference for plant embryos and small seedlings to be exposed to UV light before the gamma radiation. The idea is to test whether the UV light can stimulate formation of antioxidants, which may protect the plants towards low levels of gamma radiation. In this work, growth and development will be recorded, and analyses performed of antioxidants, DNA damage and possibly activity of genes involved in DNA repair. Figure 1. Upper row: Tissue culture technique used to make many genetically identical plant embryos (Norway spruce) and later induce germination and grow seedlings. The start is one single embryo from a seed (photo to the left). From this, cells are propagated, and these can be induced to form many embryos (2 nd and 3 rd photo from the left). An embryo will germinate to a seedling (the two photos to the right). Lower row: The gamma source at NMBU used in an experiment with small seedlings in petri dishes. Main supervisor: Professor Jorunn E. Olsen (IPV, Biovit). Co-supervisors: Collaborators at NMBU (Biovit og MINA) and NIBIO. Contact: jorunn.olsen@nmbu.no. Office in Botanisk klimalab room BO-135.

5 5 EFFECT OF TEMPERATURE ON WINTER BUD FORMATION AND DORMANCY IN TREES In trees, short days are required for winter bud formation (Figure 1) and development of deep dormancy and frost tolerance; processes required for survival through the winter. Although relatively few studies have been performed in trees, daylength-controlled processes in plants (winter bud development, dormancy development and flowering) has been shown to be affected by temperature. Accordingly, there is reason to believe that climatic adaptation traits will be affected by climate change. However, we still do not know how temperature acts to modify the daylength response. Understanding how temperature and daylength interact will help us to predict how plants such as trees will respond to a changing climate. There is limited information about this, but we suggest that temperature modifies the activity of genes controlling winter bud formation and dormancy development and that epigenetic mechanisms may play a role. Epigenetic mechanisms result in changes in DNA without changes in the DNA code, and among others include changes in the DNA methylation and the histone proteins, to which the DNA is associated. Such epigenetic changes in a gene may affect the activity of the gene. In a master project, you can investigate how temperature affects the response to daylength in trees. For this, the temperature and daylength will be varied in growing experiments with small plants of Norway spruce. You may then investigate in the laboratory how temperature affects the activities of genes thought to control the development of winter buds and dormancy, You may also investigate whether epigenetic mechanisms are involved. It may also be possible to use microscopy-techniques to study the effect of temperature on cell division and cell elongation in the apical meristem and in which cells there are epigenetic changes. Figur 1. Winter bud development in seedlings of Norway spruce. Upper row: The plants continue to grow under long days (photo to the left), and will cease their growth and develop winter buds when days get short. When the days again get long, the buds will burst and growth will be resumed (the two photos to the right). Although the daylength is the most important for the timing of the winter bud formation, the temperature will modify this. The question is how much and how. Lower row: To the left: Micrograph of a shoot tip in a plant grown under long days (sam = shoot apical meristem). To the right: Micrograph of a winter bud after 21 short days (bs = bud scale, c= area at the base of the winter bud. This area will act as a barrier for water transport into the winter bud.) Main supervisor: Professor Jorunn E. Olsen (IPV, Biovit). Co-supervisors: Collaborators at NMBU (Biovit og MINA) and NIBIO. Contact: jorunn.olsen@nmbu.no. Office in Botanisk klimalab room BO-135.

6 6 EPIGENETIC MEMORY OF THE TEMPERATURE DURING SEED DEVELOPMENT IN TREES Surprisingly, in Norway spruce a memory effect of climatic conditions during seed development (embryogenesis) has been documented. Specifically, the temperature during seed development was shown to affect the timing of the winter bud formation in the autumn and when bud burst occurs in the spring. However, little is known about the precise mechanisms underlying this memory effect in trees. Nevertheless, the phenomenon must be epigenetic since trees grown from genetically identical seeds developed at 18 C or 28 C (obtained through a specific tissue culture technique), form winter buds and show bud burst at different time points in the autumn and spring, respectively (Figure 1). Epigenetics is defined as changes in the DNA without change in the DNAsequence and main general epigenetic mechanisms are changes in DNA methylation and in the histone proteins which are associated with the DNA. Such epigenetic changes in a gene will affect the activity of the gene. In addition to the timing of winter bud formation and bud burst, plants must attain cold hardiness in time before the onset of freezing temperatures and the cold hardiness must persist sufficiently long in the spring to avoid damage from frost spells in the spring. Whether there are differences in the development of frost hardiness in the spruce plants grown from seeds developed at 18 C or 28 C (Figure 1) have not been investigated. More knowledge about the effects of temperature during seed development on the plants growing from the seeds, will improve our understanding of climatic adaptation in trees and plants in general, and help us to predict plant responses to a changing climate. Such knowledge will also be important to improve our understanding of the evolution of climatic adaptation and may also be exploited in plant breeding. In a master project you can study whether there are differences in cold hardiness in plants grown from seeds developed at 18 C or 28 C (Figure 1). To investigate this, the tips of branches will be harvested at different time points during the winter, spring and autumn, and controlled freezing experiments performed. You may also study mechanisms underlying the epigenetic memory of the temperature during seed development. For this purpose, you can investigate whether there are differences between the genetically identical trees grown from seeds developed at 18 C or 28 C, in the activity of genes important for the survival through the winter, in histone proteins and DNA methylation. In our research group we already work on such analyses, but there is more work for a MSc student. You may use microscopy to investigate in which cells there are epigenetic changes. Figure 1. Upper row: Genetically identical trees of Norway spruce with different climatic adaptation characteristics. The tree to the left, which has grown from a seed developed under cool conditions (18 C), has earlier bud set than the tree to the right, which has grown from a seed developed under warmer conditions (28 C). Lower row: To the left: Genetically identical spruce embryos developed by a tissue culture technique called somatic embryogenesis. To the right: Micrograph of an embryo (other plant than spruce) in which immunolocalisation of specific histone protein variants has been performed (shown as fluorescent cells/areas). Main supervisor: Professor Jorunn E. Olsen (IPV, Biovit). Co-supervisors: Collaborators at NMBU (Biovit og MINA) and NIBIO. Contact: jorunn.olsen@nmbu.no. Office in Botanisk klimalab room BO-135.