Identification of parent-to-offspring transfer of epigenetic memory in Norway spruce (Picea abies (L.) Karst.)

Abstract

Conifers that live in temperate and boreal areas such as Norway spruce (Picea abies) must enter dormancy to survive the coldness and the time of darkness while they are maximizing the growth. Dormancy is a temporary condition in which growth and development have virtually ceased. It usually begins at the end of the growing season and budding. Day length, also called photoperiod, is used as a signal to introduce this phenomenon. For several tree species, a long photoperiod is necessary to resume growth and start bud formation, for other species, a shorter period may be sufficient. To continue the growth after dormancy, other environmental factors than light are involved, including temperature. Temperature is an important environmental factor that helps to regulate dormancy and regrowth. By stressing the plants with temperature during embryogenesis, changes in the phenology have been observed in several studies. These observations are due to changes in the expression of genes that help regulate the phenotype. The expression of genes, also called epigenetics, can occur differently in epi-temperature plants, this makes it interesting to study whether epi-temperature plants express different epigenetic traits. If the same phenological features occur over time, an epigenetic memory has taken place. This means that the stress factor led to a "permanent" change in the expression of genes. This study, it is investigated whether the F1-generation has such phenomena and whether the phenomenon is still present in the original plants. In order to look at this, a DNA methylation method, bisulfite sequencing, was used to sequence and to detect methylation patterns. Registration of bud development, called phenotyping, was also performed as a method to see if phenological features are different in F1-generation plants. The plants referred to as the F1-generation was planted for this project. The mother plants were pollinated under controlled conditions where different mothers and fathers were represented and crossed with each other. This resulted in the F1-generation consisting of several different crosses. To ensure that the pollination took place as expected, a genotyping was performed in which the genome of the F1-generation was sequenced using SSR markers and the results were used for PCA.

Bartrær som lever i tempererte og boreale området slik som gran (Picea abies) må gå i vinterdvale for å kunne overleve minusgradene og mørketiden, samtidig skal de maksimere veksten. Vinterdvale er en midlertidig tilstand hvor vekst og utvikling er tilnærmet opphørt. Den blir vanligvis innledet i slutten av vekstperioden og knoppsetting. Daglengde, også kalt fotoperiode, blir brukt som et signal for å introdusere dette fenomenet. For flere trearter er en lang fotoperiode nødvendig for å kunne gjenoppta veksten og starte knuppdannelse, mens for andre arter kan en kortere periode være tilstrekkelig. For å kunne videreføre veksten etter dvale er det flere miljøfaktorer enn lys som spiller inn, blant annet temperatur. Temperatur er en viktig miljøfaktor som er med på å regulere vinterdvale og gjenvekst. Ved å stresse plantene med temperatur under embryogenese er det i flere studier observert endringer i fenologien. Disse observasjonene skylles endring i uttrykkelsen av gener som er med på å regulere fenotypen. Uttrykkelsen av gener, også kalt epigenetikk, kan forekomme forskjellig i planter som blir stresset, dermed er det interessant å undersøke om temperaturstressede planter utrykker forskjellige epigenetiske trekk. Ved å undersøke stressede planter over tid og samme fenologiske trekk forkommer, kan man si at planten ha oppnådd en epigenetisk hukommelse. Dette vil si at stressfaktoren førte til en «permanent» endring i uttrykkelsen av gener. I denne studien blir det undersøkt om F1-generasjon har slike fenomen og om fenomenet fremdeles er til stede i de originale plantene. For å kunne undersøke dette ble det brukt en DNA metylerings metode, bisulfite sekvensering, hvor ønsket sekvens blir sekvensert for å detektere metylerings mønstre. Registrering av knuppdannelse, kalt fenotyping, ble også gjennomført som en metode for å se om fenologiske trekk er forskjellig hos F1-generasjon planter. Plantene som omtales som F1-generasjon ble plantet med formål om dette prosjektet. Moderplantene ble pollinert under kontrollerte omgivelser hvor ulike mødre og fedre ble representert og krysset med hverandre. Dette resulterte i at F1-generasjonen består av flere forskjellige krysninger. For å sikre at pollineringen har skjedd som forventet ble det gjennomført en genotyping hvor genomet til F1-generasjonen ble sekvensert ved hjelp av SSR markører og resultatene ble brukt til PCA.