Geenit Teuvalla - Geenituntemus kasvinjalostajan apuna FT Elina Kiviharju MTT Maa- ja elintarviketalouden tutkimuskeskus, Jokioinen

Miksi kasveja jalostetaan? Viljelykasvit ovat elintarviketuotantomme perusta Kannattava kasvintuotanto perustuu viljelyteknisten menetelmien lisäksi hyviin lajikkeisiin -> tarvitaan satoisia, viljelyvarmoja, taudinkestäviä ja hyvät laatuominaisuudet omaavia lajikkeita Kasvinviljely on yksi maaseudun peruselinkeinoista. Viljelyteknisten menetelmien lisäksi sadon määrään ja laatuun voidaan vaikuttaa kasvinjalostuksella. Suomessa lyhyt kasvukausi ja pitkä päivä -> lajikkeet jalostettava oloihimme sopiviksi

Geenit määräävät kasvin ominaisuudet Kasvinjalostus perustuu geneettisen vaihtelun hyväksikäyttöön → tavoitteena on kasvi jonka perimässä on toivottuja ominaisuuksia ilmentävä geeniyhdistelmä Tämän päivän kasvinjalostus nojaa enenevässä määrin geenitietoon.

Perintöaines eli genomi DNA-molekyyli A T G C Geenitieto on säilötty solujen perintöaineksen eli genomin DNA:n emäsjärjestykseen. DNA-molekyylissä on sokerifosfaatti selkäranka ja neljän emäksen muodostamat tikapuut. Geenin rakenne

Geenejä on kaikessa elävässä Kauran perimän DNA:ssa on arvioitu olevan 11 300 000 000 emäsparia (11,3 x 109) Useita kymmeniä tuhansia geenejä Vehnällä 16 x 109 (5335 tietosanakirjaa ATGC-koodia) Ohralla 4,9 x 109 Riisillä 4.5 x 108 (noin 150 tietosanakirjaa) Litutilli 108 (35 tietosanakirjaa) Ihminen 3 x 109 (noin 1000 tietosanakirjaa) 500 g annoksessa sekasalaattia – syömme yhteensä 4 miljardia solua – niistä jokaisessa on 25 000 geeniä -> Syömme yhteensä noin 100 000 miljardia geeniä (JT)

Mistä jalostaja saa tarvitsemansa perinnöllisen vaihtelun? Risteytykset Indusoidut mutaatiot - Olemassa olevan jalostusmateriaalin käyttö Geenipankkimateriaalit Viljelykasvien geneettinen pohja kapea Geeninsiirrot Esijalostus hyödyntäen villilajeja

Perinteinen lajikejalostusohjelma kestää 10-15 vuotta

Perimää diagnostisoivat menetelmät Biotekniikka ja geenitiedon hyödyntäminen tuovat uusia työkaluja kasvinjalostukseen Perimää diagnostisoivat menetelmät Geenikartoitus Geenitoiminnan tutkiminen Bioinformatiikka DNA-merkkejä valinnan avuksi Geenien löytäminen ja perinnöllisen vaihtelun nopea seulonta Perimää muuttavat menetelmät Geeninsiirrot Sovellusgeenejä muokattavaksi ja siirrettäväksi GM-kasvit

Geenikartoitus Miten ominaisuus periytyy? Geenikartoituksella voidaan selvittää: vaikuttavien geenien määrä sijainti kromosomeissa vaikutuksen suuruus valintamerkkejä

Tarvitaan kartoitusjälkeläistö Esimerkkinä kauran geenikartta Aslak Matilda x korkea beta-glukaanipitoisuus keskimääräinen öljypitoisuus herkkä kauran lehtilaikkutaudille Karttamme koostuu lähes 800 DNA-merkistä. F1 keskimääräinen beta-glukaanipitoisuus korkea öljypitoisuus Kestävä lehtilaikkutautia vastaan Ponsiviljely 137 DH-kauralinjaa

Kauran ponsiviljely Haploidi siitepölyhiukkasen esiaste eli mikrospori DH-linjoja kasvihuoneella Alkiorakenteiden indusoituminen heteen ponnen lokeroiden mikrosporeista Ploidiatason määrittäminen ja haploidin perimän kahdentaminen tarvittaessa Taimien erilaistuminen Taimien juurrutus

Ominaisuuksien mittaaminen Kenttäkokeet Kasvihuone- testaus Laboratorio- analyysit Ominaisuuksiin vaikuttavien geenien paikantamiseksi kytkentäkartalle on DNA-analyysin läpikäyneiden jälkeläislinjojen ominaisuudet mitattava. Ominaisuuksien luotettava mittaus eli fenotyypin määrittäminen on erittäin tärkeä osa QTL-kartoitusta. © Outi Manninen 2001

DNA:n eristys ja DNA-merkkien analysointi PCR-tekniikalla

DNA-merkkien avulla DNA:ssa sijaitsevat eroavaisuudet saadaan silmin nähtäviksi RAPD (Random amplified polymorphic DNA) ISSR (Inter simple sequence repeat) IRAP (Inter-retrotransposon amplified polymorphism) REMAP (Retrotransposon-microsatellite amplified polymorphism) AFLP (Amplified fragment length polymorphism) SRAP (Sequence-related amplified polymorphism) microsatellites SNP (Single nucleotide polymorhisms) A M DNA-merkit eli geenimerkit ovat molekyylibiologian työkaluja, joiden avulla voidaan paikantaa tärkeisiin ominaisuuksiin vaikuttavia geenejä. Vrt. ihmisen tautialttiusgeenien diagnostiikka. Niiden avulla DNA-molkyyleissä sijaitsevat eroavaisuudet saadaan silmin nähtäviksi (ilman sekvensointia)

Tiedot DNA-merkeistä Tiedot ominaisuuksista Kun jälkeläisten DNA-analyysit ja ominaisuuksien mittaukset ovat valmiit, tarvitaan sopiva tietokoneohjelmisto sekä aimo annos tutkijan aivotyötä.

1 2 4 5 3 Karttamme koostuu lähes 800 DNA-merkistä. Kytkentäryhmiä 28. CGG-CATm ATA-CGCn 19 me4em3a 21 me4em13d, GC-CTTk 22 CAC-CCGh, GC-CCTd CAC-CAGn 23 me5em9c 25 CAC-CCTf 26 ACG-CCCb, CGC-CCGe me4em1b, me2em3f ACC-CGCq, ISSR2a CAC-CAGp, CAC-CCGk CAC-CCAi, GC-CGCq me3em1b, ACC-CCTe GC-CGTf, ACC-CTGa A026+ISSR24e, GC-CTTd CGG-CATp, CAC-CGTi ACC-CCGl, ATA-CAGe CGC-CGTa 27 ACC-CTTf, GC-CTAc me5em8b 28 ACG-CTAi 30 me5em1b 35 OPC-06a, CGG-CGAa 37 GC-CGTe 38 GC-CTTj, OPAF-20b 46 GC-CCCg 49 CAC-CCGj, CGC-CCGf me3em14a 50 CAC-CGAf 56 GC-CCGc 71 1 OPAF-18 A009+ISSR4a 9 ACC-CTTg 13 ATA-CCGf GC-CGCo 20 ACC-CCTf A002+ISSR18c, me2em3d ACC-CTTh, CAC-CCTl OPC-09b, AM4 ACC-CGCa, GC-CTAb ATA-CCCd, CAC-CCGn CAC-CCAe, CGG-CCGf CAC-CGTe, CGG-CATq OPC-06b, OPK-11b GC-CCCb, OPK-09b ACC-CTGb, ACG-CGAd A033+ISSR9b, me5em1c CAC-CGAb, me4em1c ATA-CAGh me5em9d me4em5b ACC-CGAe 31 D005+ISSR24a 36 me2em1d, OPAF-07a 40 ACC-CCTb 42 CGG-CCGd, ACG-CCGf 45 me2em4a GC-CGTg 47 2 ATA-CTCg CGG-CATj ATA-CCCi ACG-CCCf CAC-CGCg, ACG-CTTk ACG-CCGh, ATA-CTGa D004+ISSR4a, A050+ISSR4a OPA-19b 32 me1em6b 4 CGC-CCGa me1em1a, ATA-CTGb OPA-08b 8 ACC-CGb 11 ISSR5b CAC-CGAi 24 OPB-09a 34 5 BG-05 BG-06 R-05 LL-P LL2 me1em8b OPG-08a 4 me3em5b 6 OPH-07c 11 ACG-CTTn, CAC-CGCh ATA-CCGc, GG-CGCh GC-CCTb, ATA-CACa CAC-CCGa, A042+ISSR11a CAC-CCTh 12 OPB-01a, OPAF-10b me5em5d 13 ACC-CTGf 21 CAC-CCGg 23 me1em10b 52 OPA-09d 67 OPAF-07b 68 GC-CGCg 69 me2em12b 71 ATA-CACe 78 GC-CGCk 92 3 Karttamme koostuu lähes 800 DNA-merkistä. Kytkentäryhmiä 28. Tutkimuksessamme paikannettiin 7 öljypitoisuuteen, 2 beta-glukaaniin ja useita lehtilaikkutautiin vaikuttavia alueita.

RAPD OPH-11450 REMAP A B tall short K A M 500 600 800 700 900 400 bp

Kauran lisäksi MTT:llä on geenikartoituksen avulla paikannettu viljely- ja laatuominaisuuksiin vaikuttavia kromosomialueita Ohralla: mm. aikaisuus, satoisuus, taudinkestävyys, hehtolitrapaino, proteiinipitoisuus Rukiilla: lyhytkortisuus ja tähkäidännänkestävyys Rypsillä: rasvahappokoostumus, taudinkestävyys

Geenitoiminnan tutkiminen ja bioinformatiikka Genomiikan avulla voidaan yksittäisten geenien sijasta tutkia koko kasvin perimää Geenilastun avulla voidaan samanaikaisesti tunnistaa jopa kymmeniä tuhansia geenisekvenssejä yhdestä näytteestä.

-> rakennetaan toimivien geenien EST-kirjasto Eristämällä DNA:n sijasta kasvin proteiinisynteesiä varten kopioimat lähetti-RNA:t (cDNA:t), saadaan selville mitkä geenit juuri kyseisessä tilanteessa toimivat -> rakennetaan toimivien geenien EST-kirjasto Valtavat tietoaineistot, vaatii laboratorioautomatiikkaa, tehokasta DNA-sekvensointia ja suurta tietokonepotentiaalia Bioinformatiikan avulla etsitään yhtäläisyyksiä jo tietokannoissa oleviin DNA-sekvensseihin, esim. riisi, litutilli Roche GS-SLX “454” Sequencer: 400 000 sequences of 250 bp per day = 100 Mb

Tavallisimmat geeninsiirtomenetelmät Partikkelipommitus Agrobakteerivälitteinen

Maailmanlaajuisesti GM-kasveja viljellään yli 100 miljoonalla hehtaarilla. (rikki v. 2006) Vuonna 2007 Euroopan unionin alueella viljellään 110 000 hehtaaria muuntogeenistä Bt-maissia. Määrä on lähes kaksinkertainen edellisen vuoden määrään. Espanja on viljelyalaltaan (75 000 hehtaaria) Bt-maissin suurin tuottaja. Seuraavana on Ranska (runsaat 21 000 hehtaaria) sekä vähemmillä hehtaarimäärillä Tsekki, Portugali, Saksa ja Slovakia. Pieniä viljelyaloja on myös Puolassa ja Romaniassa. Bt-maissin viljely kasvoi kaikissa näissä maissa vuonna 2007. Erityisen voimakasta kasvu oli Ranskassa. Viljelytiedot keräsi Euroopan bioteollisuusjärjestö EuropaBio.

Soijapapu Maissi Puuvilla Rapsi

Rikkakasvien torjunta-aineiden kestävyys Tuholaisten kestävyys Molemmat Nämä ns. ensimmäisen sukupolven geenimuunnellut kasvit tarjoavat vastauksia viljelijöiden ongelmiin. Kehittelyn alla on kuitenkin mm. kuivuuden, kylmyyden, tautien ja suolankestävyyden parantamista kasveissa. Mahdollista on myös esimerkiksi puhdistaa saastunutta maaperää GM-kasvien avulla, tai tuottaa biomateriaaleja, lääkkeitä, rokotteita tai entsyymejä. Myös entistä terveellisempiä lajikkeita voidaan tuottaa, ja on jo tuotettu…kultainen riisi joka tuottaa A-vitamiinin esiastetta.

Muuntogeenisille tuotteille on haettava lupa EU:ssa ennaltavarautumisen periaate EU:n toimivaltainen viranomainen on Euroopan elintarviketurvallisuusvirasto EFSA Tarkastaa että hakemukset ovat ohjeiden mukaiset ja täydelliset Pyytää EU:n jäsenvaltioiden kansallisilta viranomaisilta lausuntoa siirtogeenisten tuotehakemusten ympäristöriskeistä Huomioi jäsenmaiden kommentit lopullisessa lausunnossaan EU:n komissiolle Komissio / EU:n komitea / ministerineuvosto / Euroopan parlamentti tekee päätöksen hyväksymisestä / hylkäämisestä Suomen toimivaltainen viranomainen on geenitekniikan lautakunta

Bt-maissi MON 810 ja torjunta-ainetta kestävä maissi T25 ovat ainoat muuntogeeniset kasvit, jolle EU on toistaiseksi myöntänyt viljelyluvan. Elintarvike ja rehukäyttöä sekä prosessointia varten lupia on useille GM-maisseille, puuvillalle, soijalle, rapsille, sokerijuurikkaalle. GM-maissi 2007 (ha) Espanja 75 000 Ranska 21 000 Tsekki 5000 Portugal 4200 Saksa 2600 Slovakia 900 Maissikoisan tuhoja

Hakemustilanne EFSAn sivulla voi käydä katsomassa käsiteltävänä olevia hakemuksia http://www.efsa.europa.eu/en/science/gmo/gm_ff_applications.html Tällä hetkellä (6.8.2008) EU:ssa käsiteltävänä 54 hakemusta koskien viljelykasveja 34 maissi, joista 9 viljelyyn 9 puuvilla 7 soijapapu, joista 1 viljelyyn 1 riisi 1 peruna (muunnettu tärkkelys, amylopektiini) 1 sokerijuurikas 1 rapsi Lisäksi

Nyt markkinoilla olevat ns Nyt markkinoilla olevat ns. ensimmäisen sukupolven geenimuunnellut kasvit tarjoavat vastauksia viljelijöiden ongelmiin. Kehittelyn alla olevia ominaisuuksia mm. Kuivuuden ja kylmyyden sekä tautien kestävyys, mm. vehnän Fusarium-kestävyys, perunaruton kestävyys Laatutekijöitä voidaan parantaa, esim. kultainen riisi joka tuottaa A-vitamiinin esiastetta, amylopektiiniperuna paperin pinnoitetuotantoon, korkean lysiinipitoisuuden omaava maissi, terveellisempi rapsin öljyn laatu Suolankestävyys Mahdollista on myös tuottaa kasveissa biomateriaaleja, lääkkeitä, rokotteita tai entsyymejä EU:ssa valmistellaan GM-, luomu- ja tavanomaisen viljelyn rinnakkaiselolle pelisääntöjä. GM-merkinnät: - jos tuote sisältää alle 0,9% EU:ssa hyväksyttyä muuntogeenistä ainesosaa, niin sitä ei tarvitse merkitä.

Kiitos!