Metla Hanke 3389

Biotekniikka metsägenetiikan ja metsänjalostuksen tutkimuksessa

[  English  |  Tavoitteet  |  Tulokset  |  Hankkeen vetäjä  |  Tutkijat  |  Julkaisut  |  Tiedotteet  |  Metla Tutkimus  ]

Kesto: 2004-2009   Asiasanat: biotekniikka, geenimuuntelu, kasvullinen lisäys, kryopreservaatio, ligniinin biosynteesi, solukkoviljely, sovellukset metsänjalostuksessa
Tutkimushankeryhmä: Erillishankkeet 1 - Metsäekosysteemien rakenne ja toiminta

Tavoitteet

Hankkeessa biotekniikan menetelmiä kehitetään ja sovelletaan osana metsägenetiikan ja metsänjalostuksen tutkimusta. Tutkimus on suunniteltu niin, että siinä voidaan samoja aineistoja hyödyntää sekä perustutkimuksen että käytännön sovellusten kehittämisen näkökulmasta. Yksityiskohtaisemmat tutkimusaiheet jakautuvat biotekniikan eri alueille: kasvulliseen lisäykseen ja kryopreservaatioon eli syväpakastukseen, geenimuunteluun ja markkeritekniikoihin. Tutkimukset painottuvat kasvullisen lisäyksen ja kryopreservaation alalle, koska erityisesti näiden menetelmien kehittämiseen on painetta metsänjalostuksen ja käytännön metsätalouden puolelta. Samanaikaisesti hankkeessa on kuitenkin tarkoitus jatkaa geenimuuntelun käyttöä tutkimusvälineenä ja kehittää valmiuksia arvioida GM-puiden mahdollisia tulevaisuuden sovelluksia. Markkeritekniikat puolestaan tukevat biotekniikan toisten osa-alueiden tutkimusta, ja niitä hyödynnetään erityisesti puiden perimän muuntumattomuuden tarkastelussa.

Kasvullisen lisäyksen ja kryopreservaation tutkimuksissa selvitetään käytettävien menetelmien vaikutuksia puiden perimään: käytännön sovellusten kannalta perimän muuntumattomuus on yksi perusedellytyksistä. Kehitettyjä lisäys- ja säilytysmenetelmiä pyritään hiomaan käytännön tarpeita paremmin vastaaviksi, ja lisäksi tavoitteena on tutkia puiden fysiologiseen vanhenemiseen vaikuttavia tekijöitä. Perustutkimuksellisena tavoitteena on vanhenemiseen ja solujen totipotenssiin liittyvän geenitoiminnan / säätelyn ymmärtäminen, ja käytännön kannalta kiinnostaa puiden nuorentaminen kasvullista lisäystä varten: löytyykö keinoja vanhojen havupuiden kloonaamisen helpottamiseksi ?

Geenimuuntelua käytetään tutkimusvälineenä selvitettäessä koivun ligniinin biosynteesireitin geenien toimintaa ja säätelyä. Ligniinimuunnettujen puiden kasvun ja puuaineen ominaisuuksien ohella tutkitaan myös niiden ekologisia interaktioita mm. eri herbivorien hyönteisten ja mykorritsasienten kanssa tiedon saamiseksi gm-puista käytävän keskustelun pohjaksi.

Tulokset

Solukkoviljelyssä olevan rauduskoivun syväjäädytys onnistui vitrifikaatio-menetelmällä

Syväjäädytys − näytteiden säilytys nestemäisessä typessä, -196°C:n kylmyydessä - on nykyaikainen menetelmä metsäpuiden perintöaineksen säilytykseen. Solukon säilyminen elävänä syväjäädytyksen ajan edellyttää, että solujen sisälle ei muodostu jääkiteitä. Perinteisissä menetelmissä vesi poistuu soluista ja jääkiteet syntyvät soluväleihin, kun näytteet pakastetaan hitaasti 4°C:n lämpötilasta -38°C:n kylmyyteen. Vitrifikaatio-menetelmässä käytetään kemikaalikäsittelyä, jonka ansiosta soluissa ja soluväleissä olevat nesteet pysyvät lasimaisina eli vitrifikoituneina pakastuksen ja säilytyksen ajan. DNA-merkkitutkimusten mukaan vitrifikaatio ei aiheuta muutoksia rauduskoivun perimään. Tehokkuudeltaan vitrifikaatio-menetelmä on tasavertainen perinteisen syväjäädytysmenetelmän kanssa, keskimäärin 71 % näytteistä kesti vitrifikaation. Vitrifikaatio-menetelmässä ei tarvita kalliita erikoispakastimia, vaan sitä voidaan soveltaa pienemmissäkin koivua monistavissa solukkoviljelylaboratorioissa.

Syväjäädytyksellä ja solukkoviljelyn avulla tapahtuvalla kloonauksella ei vaikutusta rauduskoivun perimään

Kasvullisesti lisätyn tai solukkoviljelyllä syväjäädytyksestä regeneroidun kasviaineiston aitous on olennaista kaikissa sovelluksissa, erityisesti pitkäikäisten puiden tapauksessa. Hankkeessa on selvitetty lyhyt- ja pitkäkestoisen solukkoviljelyn sekä erilaisten syväjäädytystekniikoiden vaikutuksia rauduskoivun taimien kasvuun ja morfologiaan. Syväjäädytyksessä menetelminä on käytetty sekä in vivo-silmujen pakastusta että in vitro-versonkärkien pakastusta eri tekniikoilla. Solukkoviljelyn ja syväjäädytyksen jälkeen regeneroitujen kasvien perinnöllistä muuntumattomuutta verrattuna alkuperäisiin puihin on tutkittu sekä kromosomianalyyseillä että DNA-merkeillä. Tulosten perusteella solukkoviljely tai syväjäädytys eivät aiheuta rauduskoivun perimään tai ilmiasuun muutoksia, ja näitä menetelmiä voidaan hyödyntää niin tutkimus-, jalostus- kuin metsänviljelytarkoituksessa.

Kirjavalehtisten koivujen monistus ja syväjäädytys

Tutkimuksessa selvitettiin kahden viherrakentamiseen soveltuvan kirjavalehtisen luonnonkoivun (Betula pendula Roth), kultasuonikoivun ja valkokirjokoivun, monistettavuutta ja kirjavalehtisyyden periytymistä. Tutkitut, pohjoisia olojamme hyvin kestävät koivut toisivat lisävaihtelua viherrakentamiseen, sillä kaupallisessa taimituotannossa on nykyään enimmäkseen tummanpunalehtisiä koivuja, leppiä ja vaahteroita. Kultasuonikoivun lehtisuonet ovat keltaiset ja valkokirjokoivun lehdet valko-vihreäkirjavat. Tutkimuksessa selvisi, että valkokirjokoivun lisäys oli helppoa solukkoviljelyllä myös syväjäädytyksen jälkeen. Vartteista oli kahden vuoden kuluttua elossa yli 90 prosenttia. Kultasuonikoivun monistumisprosentti solukkoviljelyssä jäi alle kymmeneen ja sen vartteiden eloonjäämisprosentti oli noin 50. Perinnölliseksi ominaisuudeksi oletettu lehtiväritys puuttui nuorista solukkoviljellyistä jälkeläisistä, mutta valkokirjokoivun vartteiden vanhimpien oksien lehdissä näkyi valkokirjavuutta. Syy löytyi emopuista. Valkokirjokoivun emopuulle on tyypillistä kirjavuuden voimakas vuosivaihtelu ja kirjavuuden puuttuminen viimeisten vuosikasvainten nuorimmista lehdistä. Emopuiden valkokirjavuuden määrän havaittiin olevan yhteydessä kasvuoloihin: kuivat kasvuolosuhteet lisäsivät kirjavuutta. Valkokirjavuus vanhemmissa puun osissa johtuu lehtivihreän puutoksesta. Tulosten perusteella valkokirjokoivun solukkotaimien vanhetessa myös niissä ilmenee kirjavalehtisyyttä ja ne soveltuvat käytettäväksi viherrakentamisessa. Kultasuonikoivulla ei ole vastaavaa värityksen vuosivaihtelua. Kultasuonisuuden aiheuttaja ei ole toistaiseksi selvinnyt. Kultasuonikoivun käyttö koristetarkoituksiin edellyttää kirjavalehtisyyden aiheuttajan löytymistä ja käyttökelpoisuutta.

Väitös rauduskoivun ligniinin kemiallisen laadun geenimuuntamisesta ja sen ekologisista vaikutuksista

FM Heidi Tiimosen Punkaharjulla Metsämuseo Lustossa 14.12.2007 tarkastetussa väitöstutkimuksessa selvitettiin ligniinin S-yksikköjen muodostumista säätelevän geenin (COMT-geeni) toimintaa rauduskoivun puunmuodostuksessa. Puuaine eli ligniini on keskeinen puun rakenneyhdiste, jonka kertyminen soluseiniin lujittaa puun rakenteen kestäväksi ja mahdollistaa näin muun muassa rungon pystysuoran kasvutavan. Ligniini toimii puukuituja tehokkaasti yhteen sitovana yhdisteenä, joka on liuotettava puuraaka-aineesta selluloosakuitujen vapauttamiseksi paperin ja sellun valmistuksessa. Lehtipuilla, kuten rauduskoivulla, ligniini rakentuu pääosin syringyyli (S)- ja guaiasyyli (G)-yksiköistä, joista S-yksiköt parantavat ligniinin liukoisuutta. Raakapuun ligniinin laadulla on määrän ohella suuri merkitys, koska ligniinin poisto on energia- ja kemikaalikustannusten vuoksi kallista ja ympäristöä kuormittavaa.

Väitöstutkimuksessa selvitettiin S-yksikköjen muodostumista säätelevän geenin (kaffeaatti/5-hydroksylaatti O-metyylitransferaasi, COMT) toimintaa rauduskoivun puunmuodostuksessa. Tutkimuksessa kahdella rauduskoivulinjalla, joiden perimään oli siirretty Amerikan haavalta peräisin oleva COMT-geeni, havaittiin ligniinirakenteessa merkittävästi alentunut S-yksikköpitoisuus sekä poikkeavia 5-hydroksi-guaiasyyli-yksikköjä. Muutokset voivat hidastaa ligniinin biokemiallista hajoamista esimerkiksi sellua keitettäessä. Ligniinimäärässä tai puiden kasvu- tai kehitysominaisuuksissa kasvihuoneolosuhteissa ei havaittu muutosta ei-siirtogeenisiin rauduskoivuihin verrattuna. Saadut tulokset osoittavat COMT-geenin ohjaavan keskeisesti S-yksikköjen muodostumista rauduskoivulla ja tukevat nykyistä käsitystämme lehtipuuligniinimuodostuksesta. Tutkimuksessa tuotettiin uutta tietoa S-yksikköjen muodostumisen säätelystä kasvukauden edetessä sekä eri stressitekijöiden vaikutuksesta. COMT-geenin havaittiin olevan aktiivinen nuorten rauduskoivujen nilan kuiduissa sekä uudessa muodostuvassa puussa varressa ja juurissa. Varsipuussa pääasiallinen aktiivisuus ajoittui kasvukauden keski- ja loppuvaiheisiin. Juurissa geenin aktiivisuutta havaittiin vartta vähemmän ja aktiivisuuden voimakkain vaihe ajoittui myöhäisemmäksi. Stressitekijätutkimukset osoittivat COMT-geenin toiminnan ja samalla S-yksikköjen muodostuksen voimistuvan varsipuun taivuttamisen seurauksena. Vastaavaa yhteyttä varren haavoituskohtien vahvistamisen ja S-yksikköjen muodostuksen välillä ei havaittu.

Siirtogeenimenetelmin tuotettujen puiden mahdollisia ympäristövaikutuksia on tutkittu toistaiseksi vähän. Tutkimuksen tulokset ligniinimuunnettujen rauduskoivujen, koivunlehteä ravintonaan käyttävien hyönteisten ja ravinteiden ottamista tehostavien symbionttisienen vuorovaikutuksista laboratorio-olosuhteissa ovat siksi ensimmäisiä alallaan. Ligniinin kemiallisen muuntamisen ei havaittu vaikuttavan lehtiä ravintonaan käyttäneiden perhosmittaritoukkien tai kovakuoriaisten ravintovalintaan. Perhostoukkien kasvunopeudessa ei myöskään havaittu eroa muuntelematonta koivunlehteä ravintonaan käyttäneisiin perhostoukkiin verrattuna. Ligniinimuunnetut rauduskoivulinjat pystyivät myös laboratorio-olosuhteissa muodostamaan puun ravinnetalouden kannalta keskeisen symbioosisuhteen pulkkosienirihmaston kanssa. Sieniyhteyden muodostamisen hyödyt näkyivät muun muassa taimien parantuneena kasvuna ja kuolleiden taimien osuuden vähentymisenä. Tulokset ovat tärkeitä muuntogeenisten metsäpuiden ympäristövaikutusten arvioinnissa ja edelleen poliittisessa päätöksenteossa niiden roolista kestävään kehitykseen perustuvassa metsätaloudessa.

Ligniinitutkimuksia tehdään yhteistyössä mm. Oulun ja Helsingin yliopistojen ja yhdysvaltalaisten tutkimusryhmien (prof. V. Chiang, NCSU ja prof. C.-H. Tsai, MTU) kanssa. Hankkeen kaikki geenimuuntelutyöt on tehty suljetuissa tiloissa, laboratoriossa tai kasvihuoneissa.

Hankkeen vetäjä: Aronen, Tuija
Metsäntutkimuslaitos, Punkaharjun toimipaikka, Finlandiantie 18, 58450 PUNKAHARJU
Puhelin: 029 532 4233
Sähköpostiosoite: tuija.aronen@metla.fi

Muut tutkijat: Pehkonen, Teresa (2005,2008), Ryynänen, Leena (2005-08)


Sivun alkuun

Tämä sivu on tuotettu Metlan tietokannasta 31.12.2012
Palaute