Genomiikan menetelmät metsänjalostuksessa

Metsägenomiikka tarkoittaa koko perimän laajuisten tutkimusmenetelmien käyttöä metsäntutkimuksessa ja sen sovelluksissa. Genomiset menetelmät ovat kehittyneet viime vuosina suurin harppauksin, ja niitä ollaan parhaillaan ottamassa käyttöön metsäalalla. 

Metsäpuiden jalostuksen olennaisia menetelmiä ovat kontrolloidut risteytykset ja jälkeläistöjen testaus, ja siitä syystä varmuus yksilöiden välisistä sukulaisuussuhteista on avainasemassa. Genomisilla menetelmillä sukulaisuussuhteet voidaan tunnistaa nopeasti ja varmasti.  Lisäksi menetelmillä voidaan tunnistaa geneettistä muuntelua, joka vaikuttaa kasvuun, laatuun, viljelyvarmuuteen ja tuholais- ja taudinkestävyyteen, sekä mitata geneettistä monimuotoisuutta.  

Jalostuksen kannalta kiinnostavat ominaisuudet ovat tyypillisesti monitekijäisiä eli niihin voi vaikuttaa satoja eri geenejä, eikä niiden kaikkien sijainti perimässä ole tarkkaan tiedossa. Genomisilla menetelmillä voidaan kuitenkin arvioida yksilöiden jalostusarvoa pelkän DNA:n ja laskennallisen mallin perusteella. 

DNA-sirulla on koottuna tuhansia tunnettuja perimän muuntelevia kohtia (Single Nucleotide Polymorphism, SNP). Yhdellä sirulla voidaan tunnistaa satojen puiden genotyyppi kaikissa näissä muuntelevissa kohdissa hyvin nopeasti ja kustannustehokkaasti. DNA-siruja on saatavilla esimerkiksi kuuselle ja männylle. Sirut ovat erityisen sopiva työkalu havupuille, joiden koko perimä on niin suuri, että kokogenomisekvensointi ei ole kustannustehokas eikä teknisesti helppo toteuttaa.  

Kokogenomisekvensoinnissa selvitetään yksilön lähes koko perimän DNA-järjestys. Sovellukset ovat samat kuin DNA-sirulla, mutta tarkkuus on parempi. Kokogenomisekvensointi sopii menetelmänä esimerkiksi koivulle, jonka perimä on havupuita huomattavasti pienempi. 

Genominlaajuinen assosiaatioanalyysi (Genome Wide Assosiation Analysis, GWAS) on laajasti käytössä oleva menetelmä, jossa samoilta yksilöiltä ja perheiltä mitataan sekä ominaisuus että koko genomin sekvenssi tai osa siitä esimerkiksi DNA-sirulla. Assosiaatioanalyysillä tunnistetaan ne perimän muuntelevat kohdat, jotka vaikuttavat kiinnostuksen kohteena olevaan ominaisuuteen. Tulokset auttavat ymmärtämään ominaisuuden geneettistä taustaa (kuinka montaa geeniä ominaisuuteen vaikuttaa) ja mekanismia (mikä on vaikuttavien geenien molekyylitason toiminta). 

Geenieditointi on menetelmä, jossa eliön DNA:ta muokataan tarkasti käyttäen hyväksi niin kutsuttua opas RNA:ta ja DNA:ta katkaisevaa entsyymiä. Menetelmää on sovellettu puiden tutkimuksessa, mutta menetelmällä tuotettuja taimia ei ole kaupallisesti tarjolla Suomessa. 

Siirtogeenisiä puita voidaan tuottaa geenitekniikan menetelmillä, joissa genomiin siirretään DNA:ta toisista eliöistä. Suomessa on tutkimuskäyttöön kehitetty siirtogeenisiä koivuja ja haapoja. Siirtogeenisten puiden tutkimus ja käyttö on tarkkaan säädeltyä. Siirtogeenisiä taimia ei suomalaisissa metsänviljelyaineistoissa tällä hetkellä käytetä. 

Jalostusta ilman risteyttämistä (Breeding without Breeding, BwB) -menetelmässä ei tehdä valvottuja risteytyksiä, vaan siinä tehdään valintaa olemassa olevista vapaapölytteisillä siemenillä perustetuista kokeista tai tavallisista viljelymetsiköistä. Niistä valitaan fenotyyppisesti hyviä yksilöitä, joiden keskinäiset sukulaisuussuhteet määritetään DNA-merkkien avulla. Valituille ehdokkaille ennustetaan jalostusarvot kerätyn fenotyyppisen informaation ja sukulaisuustiedon pohjalta. Sukulaisuusmääritykset ovat luotettavimpia silloin, kun valinta-aineisto polveutuu rajallisesta määrästä vanhempia. BwB sopii parhaiten tilanteisiin, joissa risteyttäminen ei ole syystä tai toisesta mahdollista tai perusteltua, mutta saatavilla on jatkovalintaan soveltuvia jälkeläisaineistoja sekä riittävä resurssi niiden genotyypittämiseen. 

Genominen valinta tarkoittaa jalostusarvojen ennustamista ja valintaa DNA-merkkien perusteella. Menetelmä on yleistynyt kotieläinten ja viljelykasvien jalostuksessa.  Menetelmä perustuu tuhansiin DNA-merkkeihin, joista ainakin osa periytyy yhdessä jalostettavaa ominaisuutta säätelevien perintötekijöiden kanssa. 

Menetelmässä tarvitaan laaja joukko yksilöitä, joista tunnetaan DNA-genotyyppi ja perinteisellä tavalla fenotyyppisestä informaatiosta laskettu jalostusarvo. Yksilön jalostusarvo määräytyy silloin DNA-merkkien ennustettujen jalostusarvovaikutusten summana ja se voidaan ennustaa myös sellaisille yksilöille, joista tunnetaan pelkkä DNA-genotyyppi.

Metsäpuita ajatellen lupaavimmalta sovellukselta vaikuttaa perinteisen jalostusarvostelun täydentäminen genomitiedolla. Jalostusarvojen täsmällisyys voi parantua, kun valintapoolin puiden todelliset sukulaisuudet määritetään ns. genomisen sukulaisuusmatriisin avulla. Genomisen valinnan edellytyksiin vaikuttavat muun muassa puulajin biologiset ominaisuudet, erityisesti kukintakypsyyden saavuttamiseen kuluva aika, kustannukset, logistiikka ja genomisten jalostusarvoennusteiden tarkkuus perinteiseen jalostusarvosteluun verrattuna. Näissä kaikissa on vielä haasteita menetelmän käytännön soveltamisen näkökulmasta.