Perimä kertoo männyn sopeutumiskyvystä

Mänty (Pinus sylvestris) ei ole täysikokoinen hetkessä. Siksi puilta on hyödyllistä pystyä kysymään jo varhain: ”Mitä sinusta tulee isona?”. Mänty-yksilöt tarjoavat vastauksen geeneissään.

Perimän vaikutus eliöiden piirteisiin kiinnostaa etenkin jalostajia. Metsäpuiden, kuten männyn, kohdalla tärkeää on erityisesti puiden kasvun ja jalostuspotentiaalin ennustaminen geeneistä. Geneettiset menetelmät nopeuttavat mäntyjen ilmiasun selviämistä kymmenillä vuosilla, sillä jo siemenen dna:sta voi arvioida mänty-yksilön ominaisuuksia aikuisena. Jalostukseen sopivimmat männyt voidaan näin ollen valita jo taimina.

Jo siemenen dna:sta voi arvioida mänty-yksilön ominaisuuksia aikuisena.

”Ominaisuuksien geneettisen taustan tutkiminen on olennaista evoluution ymmärtämisen kannalta”, kertoo perinnöllisyystieteen professori Outi Savolainen Oulun yliopistosta. Hänen tutkimusryhmässään kasvien perimästä etsitään kohtia, jotka eroavat yksilöiden välillä.

Suurin osa yksilöiden välillä eroavista perimän kohdista ei juurikaan vaikuta puiden ilmiasuihin, eli niiden havaittaviin piirteisiin. Toisinaan erilaiset geenimuunnokset voivat kuitenkin olla suoraan vastuussa yksilöiden erilaisista ominaisuuksista. Tällaisten perimän kohtien avulla voi tutkia luonnonvalinnan vaikutusta dna-tasolla.

Samalla tutkijat selvittävät, miten yleisiä, hyödyllisiä tai haitallisia mitkäkin geenimuunnokset ovat. Geenimuunnosten tutkiminen on hyödyllistä myös lääketieteessä, jossa on tärkeää pystyä tunnistamaan ja arvioimaan sairausriskejä perimän pohjalta.

Tutkijat selvittävät, miten yleisiä, hyödyllisiä tai haitallisia mitkäkin geenimuunnokset ovat.

Harvan ominaisuuden taustalla on kuitenkaan vain yksi tai kaksi geeniä, vaan useimpiin vaikuttaa useampi geeni. Tällaisia ominaisuuksia kutsutaan kvantitatiivisiksi eli määrällisiksi. Niissä ei ole erillisiä luokkia, vaan ne ovat jatkuvasti muuntelevia ominaisuuksia, kuten ihmisen pituus ja viljan satoisuus. Outi Savolainen kumppaneineen selvittää Biocenter Oulun tutkimusprojektissa, kuinka moni geeni tällaisten piirteiden määräytymiseen osallistuu.

Jatkuvasti muuntelevien ominaisuuksien tutkiminen on tarpeellista esimerkiksi luonnonsuojelun kannalta. ”Lajit sopeutuvat elinympäristöihinsä usein ominaisuuksilla, joiden muodostumiseen vaikuttaa monta geeniä. Luonnonsuojelugenetiikassa tutkitaan paljon tällaisia piirteitä, kuten elin- ja lisääntymiskykyä, joiden taustan geneettinen selvittäminen on vaikeaa”, Savolainen valaisee. Hänen tutkimusryhmänsä tavoitteena on löytää geenejä, jotka kertovat, miten perinnölliset erot yksilöiden välillä vaikuttavat tällaisiin ominaisuuksiin.

 

Sopeutuminen pohjoiseen näkyy geeneissä

Suomi on oivallinen maa tarkastella mäntyjen perimää. Yleisintä puulajiamme on tutkittu täällä perusteellisemmin kuin missään muualla. Vanhat taustatiedot auttavat nykytutkijoita käytännön maastotöissä ja tutkimusten suunnittelussa.

”Arvokkaan historiallisen ja uuden genomisen datan yhdistäminen tarjoaa hienoja tutkimusmahdollisuuksia. Vanhat aineistot mahdollistavat muun muassa pitkäaikaisten kokeiden tekemisen”, kertoo Savolainen, joka oli kaksivuotias, kun eräätkin projektissa tutkittavista puista istutettiin.

Erityisen tärkeä tutkimuskohde on kasvien sopeutuminen pohjoisiin olosuhteisiin. Tutkimusprojektissa etsitään männystä ja idänpitkäpalosta (Arabidopsis lyrata) geenejä, jotka ovat auttaneet lajeja mukautumaan leveyspiireillemme. Niitä täytyykin olla, sillä nämäkin kasvit ovat alun perin etelästä lähtöisin. ”Joka ikinen kasvi- ja eläinlaji, joka täällä asuu, on tullut jostain jääkauden jälkeen. Kaikki ovat maahanmuuttajia”, Savolainen naurahtaa.

”Joka ikinen kasvi- ja eläinlaji, joka täällä asuu, on tullut jostain jääkauden jälkeen. Kaikki ovat maahanmuuttajia.”

Pohjoisen eliöt ovat ilmaston lisäksi sopeutuneet vuodenaikojen mukaan vaihtuviin päivänpituuksiin. Kasvien täytyy seurata päivänpituutta osatakseen kasvaa oikeaan aikaan. Kun mäntyjä kasvatetaan vertailukelpoisissa oloissa, pohjoiset puut lopettavat kasvunsa eteläisiä aiemmin.

”Tiedetään siis jo, että eri puolilla Eurooppaa elävät männyt ovat ilmiasultaan erilaisia”, akatemiatutkija Tanja Pyhäjärvi selittää. ”Toivomme pääsevämme kiinni genetiikkaan mäntyjen piirteissä esiintyvän vaihtelun takana. Tavoitteena on ymmärtää, mikä on sopeutumisen geneettinen tausta.”

Projektissa aihetta on selvitetty tutkimalla perinnöllisiä muutoksia puiden kasvullisten erojen taustalla. Sonja Kujalan väitöstutkimus osoitti, että eri geenit säätelevät pohjoisten ja keskieurooppalaisten mäntyjen ajallista kehitystä. Tällaiset havainnot on otettava huomioon sekä mäntyjen jalostuksessa että tutkittaessa, miten eliöt voivat sopeutua muuttuvaan maailmaan.

Lämpenevä ilmasto mutkistaa kasvienkin elämää pohjoisessa. ”Pyrimme tuottamaan tietoa siitä, miten metsäpuut voisivat sopeutua muuttuvaan ympäristöön. Eli kuinka lajeille tulevaisuudessa käy”, Savolainen selvittää.

Tietoa sopeumien geneettisestä taustasta voi soveltaa, kun pohditaan, miten eliöt voivat sopeutua ilmastonmuutokseen.

”Tai itse asiassa ei tulevaisuudessa, vaan nyt”, hän täsmentää. ”Hirveän moni eliö on perimältään sopeutunut pohjoiseen jääkauden jälkeen. Tietoa sopeumien geneettisestä taustasta voi soveltaa, kun pohditaan, miten eliöt voivat sopeutua ilmastonmuutokseen.”

 

Tanja Pyhäjärvi, Outi Savolainen ja Mikko Sillanpää menevät tutkimuksissaan syvälle männyn kaarnan alle. Kuva: Antti Miettinen

 

Jättimäiset aineistot haastavat tilastotieteilijät

Projektissa tutkitaan kasvilajien koko genomeita, eli kaikkea niiden geneettistä informaatiota. ”Haastetta tutkimustyöhön tuo männyn genomin valtava koko. Genomitutkimuksia on aiemmin tehty perimältään pienemmillä lajeilla”, kertoo Pyhäjärvi.

Tekniikoiden kehittyessä genomisen tutkimusaineiston tuottaminen on halventunut eksponentiaalisella tahdilla. Se on johtanut massiivisten datamäärien kertymiseen. Aineistot ovat niin suuria, ettei niihin voi soveltaa perinteisiä tilastomenetelmiä. Datan muuttamiseen tiedoksi tarvitaan erityistä tilastotiedettä ja tietojenkäsittelyä.

Tarvitaan uudenlaisia työkaluja, jotta tilastomenetelmät saadaan taipumaan jättimäisten aineistojen analysointiin. Tavoitteena on saada samasta aineistomäärästä aiempaa enemmän tietoa irti. Menetelmälliset harppaukset eteenpäin ovat elintärkeitä, sillä muuten aineistot jäävät käyttämättä. Tilastotieteen professori Mikko Sillanpää kertoo, että isojen datojen kohdalla tilastoanalyysin nopea suoritusaika tietokoneella on entistä tärkeämpi ominaisuus.

Tarvitaan uudenlaisia työkaluja, jotta tilastomenetelmät saadaan taipumaan jättimäisten aineistojen analysointiin.

Projektin eri hankkeet ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. ”Erityisesti genomiikan menetelmien kehitys on parantanut mahdollisuuksia yltää tavoitteisiimme. Lähtökohta tilastomenetelmien parantamiseen on, että niille on sovellettavaa materiaalia. Analyysimenetelmät kehittyvät, kun materiaalia tulee lisää. Myös bioinformatiikkaa ja laskentapuolta tarvitaan. Kaikki nämä ovat kytköksissä toisiinsa”, Sillanpää selvittää.

Haastavat genomitutkimukset tuottavat ainutlaatuista tietoa. Savolainen havainnollistaa asiaa lopuksi: ”Hyvä esimerkki kurkistuksesta genomiin saatiin, kun vuosia sitten risteytettiin amerikkalaisia ja eurooppalaisia idänpitkäpalkoja. Huomattiin, että risteymät lisääntyivät heikosti, mutta varsinainen syy oli mysteeri. Tuoreemmassa tutkimuksessa perimästä löytyi alueita, joissa eri kantojen geenit olivat keskenään täydellisen yhteensopimattomia. Syyt erikoisten tulosten taustalla selvisivät nyt, genomisissa tutkimuksissa. Niitä ei voinut ulkoisista ominaisuuksista aiemmin päätellä.”

 

Antti Miettinen, teksti

 

Viimeksi päivitetty: 28.10.2016