Genomiikan aikakausi alkoi kasvinjalostuksessa

Kasvien koko genomin sekvensointien yleistyminen muuttaa perusteellisesti kasvinjalostuksen mahdollisuuksia. Luonnonvarakeskus (Luke) on kasvien genomitutkimuksen eturintamassa ja toimii keskeisenä kumppanina kahdessa kansainvälisessä hankkeessa, jotka keskittyvät härkäpapuun ja kauraan. Hankkeiden tulokset mahdollistavat tulevaisuuden tarpeisiin vastaavien lajikkeiden kehittämisen.

Kasvinjalostuksella on edessään suuria haasteita. Viljelykasveista esimerkiksi vehnä ja ohra kehittyivät jalostuksen avulla merkittävästi 1900-luvun alusta lähtien, kun modernin jalostuksen aikakausi alkoi. Satotasojen kasvattamisen rajat saavutettiin kuitenkin noin vuonna 2010. Ilmastonmuutoksen voimistamat kasvien stressitekijät, kuten kuivuus, tuholaiset ja taudit, heikentävät satoja entisestään. Myös tulevaisuudessa odotettavissa olevat vähennystarpeet lannoitteiden ja kasvinsuojeluaineiden käyttöön tulevat entisestään kiristämään sato- ja laatutavoitteiden saavuttamista.

Samalla tarvitaan uusia ja parannettuja kasvilajikkeita, jotka tarjoavat ravitsemuksellisesti laadukkaita raaka-aineita elintarviketeollisuuden prosessointiin, esimerkiksi kasvipohjaisiin lihankorvikkeisiin. Ilmastonmuutoksen vaikutukset vaihtelevat Euroopan eri alueilla, mikä lisää viljelykasvien monimuotoisuuden tarvetta, jotta ruokaturva ja ravitsemuksellinen laatu voidaan turvata. Pienemmät, vähemmän viljellyt kasvilajit vaativat kuitenkin kullekin lajille räätälöityjä ja tehokkaita jalostusohjelmia.

Kasvinjalostuksen haasteiden ratkaisemiksi tarvitaan uusia ja tehokkaita työkaluja. Nyt ja tulevaisuudessa jalostajat hyödyntävät tietoa siitä, miten geenit muovaavat kasvia ja sen satoa sekä siitä, miten geenien eri muodot vaikuttavat ominaisuuksiin. Tätä tietoa tarjoavat muun muassa genomiikka ja kasvimallinnus.

"Hyvin koottu viljelykasvin genomi tekee tämän mahdolliseksi. Sen avulla voidaan tunnistaa kaikki kasvin geenit, niiden ennustetut toiminnot, geenien eri muodot (alleelit) kasvien perimässä sekä niiden fyysinen ja geneettinen sijainti", kuvailee tutkimusprofessori Alan Schulman Lukesta.

Koska yksittäisten viljelykasvilajikkeiden geenisisältö voi poiketa toisistaan jopa 25 prosenttia, Luke tuottaa kauralle ja härkäpavulle niin sanottuja pangenomeja. Niissä useiden kymmenien yksilöiden koko genomisekvenssit kuvataan tarkasti. Genomeja vertailemalla voidaan havaita, mitkä geenit ovat muuttuneet, puuttuvat kokonaan tai mitkä geeniperheet ovat laajentuneet. Tällaiset muutokset kertovat usein siitä, millaisia valintoja luonnonvalinta tai kasvinjalostus on lajikkeisiin tehnyt.

"Härkäpavun ja kauran pangenomit auttavat tunnistamaan geenit, jotka vaikuttavat esimerkiksi ravintoarvoon, käsittelyominaisuuksiin, taudinkestävyyteen, satoon ja muihin viljelyssä tärkeisiin ominaisuuksiin", Schulman sanoo. Pangenomit myös nopeuttivat geenien etsintää merkittävästi. 

”Ennen genomiikan aikakautta meiltä meni kymmenen vuotta taudinkestävyysgeenin (Yr15) tunnistamiseen vehnässä. Uusien genomitietojen avulla härkäpavun Vicine-geenin tunnistaminen vei vain vuoden ja siemenkoon sekä kääpiöitymisominaisuuksien löytymiseen meni vain kuukausia."

Pengenomissa useiden kymmenien yksilöiden koko genomisekvenssit kuvataan tarkasti. Näitä vertailemalla voidaan havaita, mitkä geenit ovat muuttuneet, puuttuvat kokonaan tai mitkä geeniperheet ovat laajentuneet.

Pangenomeista on hyötyä etenkin geenimuokkauksessa. Kohdegeeni sekä mahdolliset ei-toivotut muokkauspaikat voidaan pangenomin avulla tunnistaa luotettavasti, ja muokkaustyökalut voidaan sovittaa tarkasti kohdegeenin muokkaamiseen. Geenimuokkausta voidaan käyttää myös luomaan alleeleja, joita ei löydy tietyistä jalostuslinjoista, vaikka ne ovat pangenomissa tunnistettavissa.

Pangenomit mahdollistavat myös mallikasveista saadun tiedon tehokkaan hyödyntämisen. Mallikasvissa tunnistetut geenit, jotka liittyvät viljelykasvin kannalta kiinnostaviin ominaisuuksiin, voidaan löytää suoraan genomien vertailun avulla. Geenieditointia voidaan sitten käyttää geenien toiminnan todentamiseen viljelykasveissa sekä tarvittavien alleelien mallintamiseen mallikasvin perusteella. Koska on yhä todennäköisempää, että geeninmuokkauksen käyttö vapautetaan EU:ssa, käytettävissä olevat pangenomitiedot ovat erityisen tärkeitä.

Kasvien genomitiedot mullistavat kasvinjalostuksen kyvyn vastata tulevaisuuden kestävyys- ja laatuhaasteisiin. Siksi laajoja pangenomeja on jo saatavilla vehnälle, ohralle, maissille, riisille, soijapavulle ja tomaatille. Kauran ja härkäpavun pangenomit täydentävät tätä tärkeiden lajien joukkoa.