lauantai 18. kesäkuuta 2016

Tuotantokasvit ennen ja nyt

Ihmiset olivat ilmeisesti alkujaan metsästäjiä ja keräilijöitä, joiden piti vaeltaa ruuan perässä. Lähi-Idässä noin 10 000 vuotta sitten ensimmäiset ihmiset alkoivat asettua aloilleen ja ryhtyivät viljelemään nykyisten viljalajikkeiden esi-isiä, jotka muistuttavat enemmän heiniä kuin nykyisiä suurisiemenisiä viljoja. 10 000 vuotta on evoluution mittakaavassa hyvin lyhyt aika ja nykylajikkeet voidaan edelleen risteyttää villeillä sukulaisilla. Näitä ei kuitenkaan ole esimerkiksi Suomessa ollenkaan, eikä Euroopassa juurikaan.

Secale on myös ohran ja vehnän suku. Kuva Wikimedia.
Maissi on peräisin Etelä-Amerikasta, jossa sitä ollaan kasvatettu jo noin 10 000 vuoden ajan. Sen ulkomuoto on muuttunut valtavasti pienestä ja kovasta siemenvarresta nykyiseksi "pötköksi".

Maissin esi-isällä oli vain muutamia siemeniä, jotka nekin olivat hyvin kovia. Jalostaminen on tuottanut nykyisen kaltaisen lajikkeen. Kuva Wikimedia.

Porkkana oli alunpitäen vain hivenen makea ja muutaman millin paksuinen melkein valkoinen juuri.
Porkkanan esi-isä, Daucus carota. Kuva Wikimedia.

Yllä esitetyt ovat esimerkkeinä siitä, ettei tällä hetkellä edes ole käytössä ns. luonnonmukaisia lajikkeita. Kaikkia viljelykäytössä olevia lajeja on jalostettu pitkään ja hartaasti, jotta ne näyttäisivät siltä miltä ne nyt näyttävät. Onko meillä tiedossa riskejä? Kyllä vain. 

Ihmiset suosivat siemenettömiä kasveja ja tällä hetkellä lähes kaikki länsimaissa myytävät banaanit ja viinirypäleet ovat siemenettömiä. Peruna tekee kukkia, marjoja ja siemeniä, mutta uudet perunakasvit kasvatetaan käytännössä aina juurimukuloista eli perunoista. Siemenettömät kasvit on saatu aikaan sattumalta tai mutaatiojalostuksen kautta. Esimerkiksi banaanilla on kolme kromosomistoa ja se on steriili. Leikkaamalla näistä kasveista silmuja tai oksia on mahdollista kasvattaa lisää samanlaisia, siemenettömiä hedelmiä tuottavia kasveja. Kasvit ovat toistensa klooneja, eli niiden genomi on käytännöllisesti katsoen tismalleen sama. 

Villi banaani, jossa on siemenet. Kuva Wikimedia.
Uhka tuleekin juuri tästä. Koska kasvit ovat samanlaisia, voi yksi tauti pyyhkäistä koko kasvin pois maan päältä. Tämä on jo kertaalleen tapahtunutkin. Kaikkein suosituin ja perimätiedon mukaan aivan jumalaisen makuinen jälkiruokabanaani Gros Michel hävisi 1950-luvulla lähes kokonaan Panaman taudin takia. Koska kasvit olivat toistensa klooneja, ei geneettistä vaihtelua ollut, eikä tautia vastaan voinut taistella edes evoluution avulla. Gros Michel hävisi ja meillä on nyt jäljellä vain Cavendish-jälkiruokabanaani, jota Panaman tauti ei onnistunut 50-luvulla hävittämään. Ruokabanaaneja on villinä ja viljeltynä, mutta ne eivät ole kovinkaan makeita ja niissä on isot siemenet. Viimeisen vuoden aikana on tullut uutisia, joiden mukaan Panaman tauti leviää jälleen ja tällä kertaa tappaa myös Cavendish-banaanit. Koska kaikki ovat toistensa klooneja, emme voi tehdä oikein muuta kuin yrittää eristää tautia. Emme voi jalostaakaan kasvia perinteisillä keinoilla, koska se ei tuota siemeniä. 

Samanlainen uhka on myös muille siemenettömille kasveille tai suvuttomasti lisättäville suppeille lajikkeille. Viljeltäviä perunalajikkeita on Suomessa noin 50 ja niiden ominaisuudet vaihtelevat jonkin verran toisiinsa nähden. Osa lajikkeista on selkeästi yleisempiä ja Van Gogh muodostaa 26 % koko Suomen perunasadosta. Mikäli jokin tauti lähtisi leviämään tehokkaasti nimenomaan Van Gogh-perunassa, menettäisimme mahdollisesti koko sadon koska perunat on kasvatettu siemenperunasta eli juuren osasta suvuttomasti. Lajikkeen jalostushistoria tiedetään ja sitä voidaan tehdä lisää pölytyksen ja siemenien kautta, mutta yksittäinen tauti voisi aiheuttaa suurta kiusaa noin homogeeniselle kannalle. 

Biologi sanoisi, että viljelykasvien biodiversiteetti on pieni. Tällä tarkoitetaan suppeaa perimää ja sitä kautta altistusta muutoksille, kuten uusille taudeille tai tuholaisille. 

Nykyisissä viljelykasveissa on myös sellaisia, jotka ovat myrkyllisiä. Maniokki (eng. cassava) on maailman viidenneksi suurin tuotantokasvi ja yli puolen miljardin ihmisen pääasiallinen hiilihydraattien lähde. Se kuitenkin tuottaa syötäviin osiinsa sinihappoa eli syanidia. Alkuperäiskansat ovat saaneet sinihapon määrän pienemmäksi jauhamalla ja sekoittamalla jauhoja pitkään, teollisesti sama voidaan tehdä esimerkiksi keittämällä. Syanidin tuottoa ei olla saatu jalostettua pois, eikä sillä ole tähän tarkoitukseen sopivia lähisukulaisia jalostuksen pohjaksi.

Maniokin syötävät juuret näkyvät kasvin alaosassa. Kuva Wikimedia.
Tässä blogauksessa ei vielä mainittu GM-tekniikoita laisinkaan. Edellisen tekstin lukeneille on kuitenkin varmaan selvää, että GM-tekniikoilla jalostamisella voitaisiin esimerkiksi siirtää taudinkestävyyttä tuottavia geenejä myös siemenettömiin kasveihin tai tietynlaisiin suosittuihin ruokakasveihin. Samalla tavalla voitaisiin mahdollisesti hillitä maniokin sinihapon tuottoa syötävissä juurimukuloissa. 

Kultainen riisi lienee monille tuttu. Riisiin lisättiin beetakaroteenia tuottavat geenit ja sen avulla olisi mahdollista saada miljoonien ihmisten vajavainen ruokavalio tasapainotettua. Tällä hetkellä joka vuosi sokeutuu noin puoli miljoonaa ihmistä A-vitamiinin puutteen vuoksi, mutta riisiä ei oteta käyttöön GM-pelkojen vuoksi. Riisillä ei ole patentteja tai mitään muitakaan taloudellisia rasitteita, koska se on annettu käytettäväksi ilmaiseksi.
Kultainen riisi (takana) saa värinsä betakaroteenista. Kuva Wikimedia.




Mitä eroa "perinteisellä jalostamisella" on GM-jalostukseen

Kasveja jalostetaan perinteisesti ottamalla saman lajin kaksi lajiketta ja pölyttämällä toinen toisella. DNA:n sanelemat ominaisuudet sekoittuvat ja siemenistä kasvavilla kasveilla on vähän "äiti- ja isäkasvin" ominaisuuksia. Yleensä jalostuksella on jokin päämäärä, kuten esimerkiksi saada aikaan paremmin lakoontumista kestävä lajike. Tämä voidaan saada aikaan paksummalla ja lyhyemmällä korrella. Jalostajalla on esimerkiksi hyväsatoinen, mutta helposti lakoava ohra jalostettavana. Hänen täytyy etsiä haluttuja ominaisuuksia sisältävä lähisukulainen, joka ei välttämättä ole yhtä hyvänmakuinen tai hyväsatoinen lajike. Lajikkeet risteytetään ja jalostaja pyrkii löytämään mahdollisimman hyväsatoisen, mutta lyhyemmällä ja paksummalla korrella varustetun seuraavan sukupolven edustajan.

Jalostus on oikeasti hieman mutkikkaampaa takaisinristeytyksineen ja sukupolvien seuraamisineen, mutta tämä yksinkertaistus riittänee tähän tarkoitukseen.

Ohrassa on 26159 geeniä, joista vain hyvin pieni osa vaikuttaa näkyvästi ohran toimintaan. Perinteinen jalostaja ei siis voi tarkasti seurata mitkä geenit otetaan mukaan jatkojalostukseen tai viljelyyn. Mukana saattaa olla makuun tai muihin ominaisuuksiin heikentävästi vaikuttavia ominaisuuksia. Nuo ominaisuudet saattavat päästä jalostuksessa eteenpäin, mikäli niitä ei erikseen seurata tai kontrolloida. Havainnollistan geenien lukumäärää kuvalla. Tässä kuvassa on 162*162 pikseliä, yhteensä 26244 pikseliä, eli osapuilleen yksi pikseli kutakin ohran geeniä kohti. Alemmassa kuvassa näkyy kuinka tiheässä pikseleitä oikeastaan on. Blogger ilmeisesti parantaa kuvan laatua pyytämättä..
Gregor Mendel. Kuva Wikimedia.

Suurin osa geeneistä on samanlaisia tai ihan samoja erilaisten ohralajien välillä, mutta niistä löytyy hieman erilaisia versioita eli alleeleja. Toisin sanoen geenit toimittavat samaa tehtävää, mutta tuottavat hivenen erilaisen tuloksen. Opettaja voi pyytää kaikkia luokan oppilaita piirtämään hevosen, jolloin hän saa noin parikymmentä hevosta, joista yksikään ei ole ihan samanlainen toisten kanssa. Geeni on kuin tuo ohje hevosen piirtämiseksi ja eri lajikkeiden erilaiset alleelit tuottavat vähän eri näköisiä hevospiirustuksia. Eri lajikkeiden alleeleissa on aina jonkin verran pistemutaatioita tai isompia eroja, eivätkä kaikki ole helposti havaittavia muutoksia.

Tällaisen geeni- ja alleelimäärän vahtiminen jalostamisen yhteydessä on aivan liian suuri prosessi "perinteisin menetelmin" ja ei-toivottuja ja tahattomia ominaisuuksia siirtyy aina. Mitä tarkemmin siirtyneitä ominaisuuksia seurataan, sitä paremmin vain yksi ominaisuus saadaan siirrettyä ja alkuperäistä lajiketta parannettua.

Perinteiseen jalostamiseen kuuluu myös ns. mutaatiojalostus. Tämä perustuu satunnaisten mutaatioiden synnyttämiseen esimerkiksi säteilyttämällä tai käyttämällä DNA:ta sotkevia kemikaaleja. Kuten edellisestä blogauksesta muistetaan, siemeneen tehty mutaatio siirtyy koko siitä kasvavaan kasviin. Jalostaja voi siis laittaa ämpärillisen siemeniä reaktoriin tunniksi ja kylvää ne sen jälkeen. Säteily ei tietenkään jää siemeniin, eikä siemenistä tule radioaktiivisia. Kun kasvit kasvavat, ne toimivat omien geeniensä ohjaamina. Nyt osa kasveista saattaa olla lyhyempiä, osa pidempiä ja iso osa ei kasva ollenkaan. Jalostaja voi nyt poimia sattumanvaraisia mutaatioita geeneihinsä saaneista kasveista ne, joilla on eniten haluttuja ominaisuuksia. Jos halutaan lyhyttä ja vahvaa vartta tai isoja siemeniä, kerätään ne jatkojalostukseen. Taaskaan ei voida tietää mitä muita muutoksia on tapahtunut ja nyt poikkeamia alkuperäisestä on todennäköisesti paljon enemmän. Yleensä tuhoisat mutaatiot estävät kasvin kasvun ja hyödyllisiä mutaatioita on vain hyvin vähän.

Periaatteessa mutatoidun kasvin genomia voisi kuvata vaikka tällä kuvalla. Siinä on tapahtunut paljon pistemutaatioita, mutta perinteisessä jalostuksessa huomio kiinnitettäisiin vain kolmeen pikseliin.


Tällä tavalla jalostetuilla kasveilla ei ole pakollisia testejä tai hyväksyntöjä, vaikka niissä voi olla vaikka minkälaisia mutaatioita. Perinteinen kasvinjalostus käyttää nykyään molekyylibiologian keinoja jalostamisen onnistumisen tutkimisessa, vaikka tekniikkaa ei varsinaisessa jalostuksessa saakaan käyttää.

Miten GM-jalostus sitten toimii? Geenimuuntelun ideana on tietää etukäteen tarkka geeni tai useampia geenejä jotka halutaan muuttaa, sammuttaa tai saada aktiivisemmiksi. GM-tekniikka on täysin hyödytöntä, ellei oikeasti tiedetä mitä geeniä ollaan muuttamassa ja miten se muuttaa kasvia. Voidaan esimerkiksi verrata kahta lajiketta ja niiden genomeja toisiinsa ja päätellä näistä mikä geeni tai geenin aloituskohta (promoottori) olisi hyödyllistä siirtää jalostettavaan lajikkeeseen. Tekniikka on nykyisin hyvin tarkkaa ja yhden geenin yksi pieni osa voidaan vaihtaa toiseen. Ei siis välttämättä edes kokonaista pikseliä ylläolevasta kuvasta vaan sen yhden pikselin muodostavasta noin 300-800 emäsparista vain yksi tai muutama voidaan vaihtaa. Alla olevassa kuvassa on yksi pikseli vaihdettu punaiseen ja kaikki muu on koskematta.


GM-tekniikat mahdollistavat tietenkin myös uusien geenien siirtämisen kasviin, mutta kerron tästä lisää tulevissa blogauksissa. Tämän kirjoituksen tarkoituksena on näyttää mistä GM-tekniikassa on ylipäätään kyse. Pelkkä geenimuuntelu sinällään ei tee mistään kasvista vaarallista, haitallista, myrkyllistä tai pelottavaa. GM-tekniikat ovat jalostusmenetelmiä, joilla kasveja voidaan parantaa nopeasti ja tarkasti.



Mitä geenit ovat ja voiko niitä syödä?

Geenimuunnelluista (GM) kasveista, niitä myyvistä firmoista ja näiden kummankin haitoista löytyy valtavasti väärää tietoa. Yritän tässä saada oiottua niistä yleisimmät. Tästä ensimmäisestä ei ole paljoakaan iloa niille, jotka ovat olleet hereillä biologian tunneilla, mutta toivottavasti joku saa vastauksia kysymyksiinsä. Tämä käsittelee hyvin yleisluontoisesti sitä miten kasvin DNA ylipäätään toimii.

Jokainen kasvi muodostuu soluista ja jokaisessa kasvissa on miljardeja soluja. Keskimääräinen kasvisolun halkaisija on noin 10-100 μm (0,1-0,01 mm), eli nuppineulan pään kokoinen pallo kasvimassaa sisältää noin 500 - 500 000 yksittäistä solua. Näistä jokaisessa on kasvin koko genomi. 


Kasvisolun rakenne. Kuva Wikimedia.
Geenit kirjoitetaan DNA-molekyyleihin neljällä kirjaimella ja kolmen kirjaimen sanoilla. Kirjaimet ovat A, G, C ja T ja näistä voi muodostaa 64 erilaista kolmen kirjaimen yhdistelmää. Nämä yhdistelmät koodaavat kuitenkin vain 20 erilaista aminohappoa, eli moni yhdistelmä tuottaa tuloksena samansisältöisen sanan. Kun kirjaimet luetaan DNA-molekyyliltä, ne muutetaan RNA:ksi, jolloin T-kirjaimen sijasta käytetään U-kirjainta.
Aminohappoja koodaavat "sanat". Sanan ensimmäinen kirjain otetaan vasemmalta, toinen ylhäältä ja kolmas vasemmalta. AUG aloittaa koodauksen ja UAA, UAG ja UGA lopettavat sanan. Kuva Wikimedia.
Yksi geeni eli "lause" alkaa aina samalla sanalla ja voi loppua yhteen kolmesta eri vaihtoehdosta. Jokainen kolmen emäksen sana tarkoittaa yhtä aminohappoa, joita laitetaan peräkkäin DNA:ta luettaessa. Kun aminohapot kytketään peräkkäin, ketju taittuu ja takertuu tietyn muotoiseksi. Osa aminohapoista ei pidä vedestä ja kääntyvät muodostuvan "pallon" sisäpuolelle, osa pitää vedestä ja kääntyy ulospäin vetiseen solun sisältöön päin. Tietyt aminohapot vetävät toisiaan puoleensa ja auttavat proteiinin muodostumista. Tämän jälkeen proteiinia muokataan vielä tuman ulkopuolella, mutta jätän sen tästä yhteydestä pois.
Aminohapporihman täytyy taittua tarkasti omaan muotoonsa, jotta se toimisi oikein. Kuva Wikimedia.
Kolmiulotteinen rakenne on erittäin herkkä proteiinin toiminnan kannalta, sillä tarkan muotonsa avulla proteiini tarrautuu kohteeseensa. On mahdollista, että yksittäinen virhe DNA:n kirjaimissa ei johda mihinkään muutokseen, onhan DNA:n "sanoissa" useita samaa aminohappoa tarkoittavia kolmen emäksen ketjuja. Muoto voi muuttua rajustikin, jos yksittäinen vedestä pitävä aminohappo muuttuukin vettä pelkääväksi, mutaatio muodostaa lauseen päättävän sanan tai jos kolmen kirjaimen sanojen "lukuraami menee sekaisin. Viimeinen mutaatio tulee, jos mutaatio poistaa yhden DNA:n kirjaimen ja jokainen sana sen jälkeen luetaan väärin. 
Joitakin mutaatiotyyppejä. Ensimmäisenä vasemmalla normaali DNA. Toisena hiljainen mutaatio, jossa mutaatio tuottaa saman aminohapon. Kolmas mutaatio tuottaa lopettamista koodaavan sanan ja tuhoaa koko proteiinin tuoton. Neljäs mutaatio muuttaa aminohapon, mutta ominaisuudet pysyvät lähes samoina. Viides mutaatio vaihtaa aminohapon ominaisuuksiltaan erilaiseksi, jolloin proteiinin kolmiulotteinen rakenne kärsii. Kuva Wikimedia.

Toisin kuin iltapäivälehtien otsikoista voisi päätellä, geenit eivät suoraan koodaa ominaisuuksia. Ne koodaavat proteiineja, joita voidaan jatkokäsitellä eri tavoin erilaisissa soluissa. Proteiinit saavat eliön toimimaan, kuluttamaan energiaa ja pysymään hengissä. Yksittäinen proteiini ei kuitenkaan voi muuttaa eliön toimintaa kuin juuri siinä biokemiallisten toimintojen ketjussa, johon se kuuluu. Ketjussa yksi proteiini tai jokin muu biomolekyyli muuttuu askel kerrallaan vähän erilaiseksi erilaisten muokkausproteiinien eli entsyymien toimesta. Entsyymi saattaa lisätä tai poistaa molekyylistä jonkin osan tai taittaa molekyyliä toiseen muotoon. Mikäli yksi näistä entsyymeistä ei toimi kunnolla, koko ketju saattaa "mennä rikki".

Helpointa geenien muuntelu on silloin, jos halutaan estää jokin kasvin toiminto. Silloin voidaan esimerkiksi rikkoa joku toimintoon kuuluvista proteiineista. Rikkomiseen riittää yleensä kolmiulotteisen rakenteen muuttaminen, jonka jälkeen kyseinen toiminto ei enää toimi. Tällä tavoin voidaan estää esimerkiksi jonkin ihmiselle myrkyllisen aineen muodostuminen kasviin.
Vaikeampaa on saada kasvi tekemään kokonaan jotain uutta yhdistettä, koska biosynteesireitit ovat usein hyvin monimutkaisia ja suorien polkujen sijasta muistuttavat enemmän suurkaupungin metrokarttaa. Lisäksi erilaiset eliöt jatkokäsittelevät proteiineja ja suosivat tiettyjä kolmen kirjaimen sanoja hivenen eri tavoin. Bakteerin geeni ei siis välttämättä muodosta samanlaista toimivaa proteiinia hiireen tai maissiin siirrettynä.
Sitruunahapposykli, energiantuoton ehkä tärkein prosessi. Laatikot ovat linkkejä entsyymeihin tai toisiin vastaaviin reitteihin varsinaisella sivulla. Ruutukaappaus KEGG-tietokannan sivulta. 
Kuten yllä jo mainitsin, solut ovat hyvin pieniä. Jos yhteen aikuisen kasvin soluun tulee mutaatio, kasvi ei ole yleensä millänsäkään. Jos solu muuttuu elinkelvottomaksi, se joko tappaa itsensä ohjatusti tai kuolee omaan mahdottomuuteensa. Joissakin tapauksissa solu voi lähteä jakautumaan hallitsemattomasti ja jos kasvi ei saa tätä kuriin, siihen muodostuu kasvain. Tällaiset mutaatiot eivät kuitenkaan ole periytyviä. Ainoastaan siemeniin tulevat mutaatiot ovat periytyviä ja mutatoituneista siemenistä kasvavien kasvien kaikki solut ovat mutatoituneita. Sattumanvaraisesti tapahtuvat mutaatiot ovat lähes aina haitallisia tai hiljaisia mutaatioita.

Tämä teksti on tarkoituksella lyhyt ja yksinkertaistettu. Lisää esiin nousseita kysymyksiä kommentteihin ja minä pyrin vastaamaan niihin joko tässä kirjoituksessa, kommenteissa tai kirjoitan kokonaan uuden blogauksen aiheesta.