Kasvullinen lisäys

Jalostettua aineistoa voidaan tuottaa metsänviljelyyn siemenviljelysten lisäksi myös kasvullisesti lisäämällä eli kloonaamalla joko ominaisuuksiltaan erinomaisiksi todettuja puita tai näiden jälkeläistöjä eli perheitä. Kasvullisen lisäyksen menetelmiä käytetään laajalti eri kasvilajien jalostuksessa ja tuotannossa, mutta niiden osuus metsänviljelyaineiston tuotannossa on edelleen hyvin pieni. Metsäpuiden kasvullista lisäystä voidaan tehdä muun muassa erilaisilla solukkoviljelymenetelmillä, pistokaslisäyksellä ja varttamalla. Suomessa on tutkittu ja kehitetty aktiivisesti kuusen alkiomonistusta. 

Suvullisessa lisääntymisessä yksilön edullisten ominaisuuksien taustalla oleva perinnöllinen yhdistelmä yleensä hajoaa, ja perintötekijät yhdistyvät jälkeläisissä eri tavalla uudelleen (rekombinaatio). Mikäli halutaan tuottaa perintötekijöiltään ja perinnöllisiltä ominaisuuksiltaan täsmälleen tietyn emoyksilön kaltaisia puita, se on mahdollista vain kasvullisesti lisäämällä eli kloonaamalla kyseinen puu. Yhdestä puuyksilöstä kasvullisesti lisätyt taimet ovat perimältään keskenään samanlaisia eli muodostavat kloonin.

Kasvullisella lisäyksellä on mahdollista saavuttaa korkeampi  jalostushyöty kuin siemenlisäyksessä, koska lisättäviksi voidaan valita ominaisuuksiltaan tunnetut ja erinomaisiksi todetut puut. Kasvullisessa lisäyksessä voidaan hyödyntää myös sellaiset ominaisuudet, jotka suvullisessa lisäyksessä siirtyvät jälkeläisille heikosti. Niitä ovat esimerkiksi väistyvästi periytyvä kasvutapa ja lehtien tai neulasten väri. Kasvullisen lisäyksen edut perustuvat siis viljeltävistä puista olemassa olevaan tietoon ja sen hyödyntämiseen. Esimerkiksi kuusen solukkolinjat voidaan testata juurikäävän kestävyysgeenin suhteen ja monistaa kasvullisesti geenitiedon perusteella valitut yksilöt.  

Kasvullisesti tuotetussa metsänviljelyaineistossa on perinnöllistä vaihtelua vähemmän kuin suvullisesti tuotetussa aineistossa, jossa jokainen puu on perimältään erilainen. Mikäli jokin viljelty klooni osoittautuu alttiiksi jollekin odottamattomalle tuhonaiheuttajalle (esim. tauti, tuholainen, kuivuus), voi olla seurauksena kyseiseen klooniin yleisemmin kohdistuva tuho, joka on sitä laajempi, mitä suurempia määriä ja pinta-aloja kyseisellä kloonilla on istutettu. Kasvullisen lisäyksen soveltaminen vaatii näin ollen riskinhallintaa. 

Riskinhallinta kasvullisesti lisätyssä metsänviljelyaineistossa

Suomessa metsänviljelyaineiston kaupan valvonta ja säätely — mukaan lukien kasvullisesti lisätty aineisto — pohjautuu EU-säädöksiin. Kasvullisen lisäykseen liittyen on lisäksi kansallisia säädöksiä siitä, millaista aineistoa saa kasvullisesti lisätä ja kuinka suuria määriä niitä voi myydä. Kasvulliseen lisäykseen valittavien puiden tai niiden vanhempien hyvät ominaisuudet on pystyttävä todentamaan ennen markkinointia. Tämä tehdään kenttätestein, jotka sijoitetaan useisiin kohteisiin suunnitellulle käyttöalueelle ja sen ulkopuolelle. Lisäksi myytävissä taimierissä on oltava lukuisia eri klooneja, poikkeuksena visakoivu. Suurin sallittu markkinoitava määrää riippuu aineiston tyypistä ja siitä, miten kattavasti sitä on testattu (esim. kenttäkokeiden ikä).

Image

Suomalaisessa kuusen alkiomonistusmenetelmän kehityksessä on kiinnitetty erityistä huomiota aineiston perinnölliseen monimuotoisuuteen. Syväjäädytettyä lisäysaineistoa on olemassa useista tuhansista metsänjalostusohjelman huippupuiden jälkeläisistä. Myös itse menetelmää on kehitetty niin, että yhteen viljelyerään sisällytetään jopa yli sadan eri genotyypin taimia eri alkuperistä. Näin pyritään varmistamaan, että viljelyyn päätyvässä erässä on edustettuna myös emopuiden harvinaisimmat perintötekijät. Suomessa rekisteröitiin alkiomonistettu perusaineisto metsänviljelykäyttöön ensimmäisenä Euroopassa vuonna 2017. 

Puiden solukkoviljely perustuu erilaistumattomien solujen totipotenssiin eli kykyyn muodostaa kokonainen uusi puuyksilö. Erilaistumattomia soluja on kasvien kasvupisteissä, kuten silmuissa, versoissa, juurten kärjissä ja siemenalkioissa. Solukkoviljelyssä puita monistetaan laboratoriossa viljelemällä puusta otettua solukkoa keinotekoisella ravintoalustalla suljetuissa astioissa. Ravintoalusta sisältää veteen sekoitettuna kaikki kasvin tarvitsemat ravintoaineet ja sokeria. Kasvisolukko tarvitsee energian lähteeksi sokeria, koska se ei pysty sitä vielä itse yhteyttämään. Lisäksi kasvualustassa on kasvihormoneja, joiden avulla solukon kasvua ja kehitystä ohjataan. Viljelytekniikasta riippuen kasvualusta on joko nestemäinen tai kiinteä. Nesteviljelmiä pidetään solukon hapensaannin turvaamiseksi jatkuvassa liikkeessä. Kiinteä kasvualusta hyytelöidään, jolloin solukko kasvaa alustan pinnalla. Viljelyn aikaiset lämpö- ja valaistusolosuhteet määräytyvät käytettävän menetelmän mukaan. Solukkoviljelymenetelmät ovat joko elinsyntyisiä (organogeneettisiä) tai perustuvat kasvullisten alkioiden muodostumiseen (alkiomonistus, somaattinen embryogeneesi). 

Elinsyntyisessä lisäysmenetelmässä (mikrolisäys) viljelyssä olevaan kasvisolukkoon erilaistuu ensin versoja, jotka juurrutetaan yksitellen. Mikrolisäys soveltuu useimpien lehtipuulajien kaikenikäisille puille, kunhan solukkoviljelmien aloitukseen käytettävä solukko on oikeanlaista. Aikuisen, kukkimisiän saavuttaneen puun mikrolisäys onnistuu parhaiten keräämällä lähtöaineisto primaarisista kasvusolukoista, kuten kasvusilmusta.

Solukkolisäys tehdään huoneenlämmössä, ja luonnollisen kasvurytmin ylläpitämiseksi viljelmät ovat öisin pimeässä. Laboratoriossa suljetuissa astioissa kasvaneet taimet ovat aluksi alttiita kuivumiselle, koska lehtien pinnalta puuttuu suojaava vahakerros. Taimet totutetaan kasvihuoneen oloihin säätämällä olosuhteita vähitellen. Mikrolisäystä käytetään muun muassa visakoivun taimituotannossa, ja se soveltuu lehtipuiden nestetyppeen säilöttyjen silmujen lisäykseen geenivarojen säilytystyössä. 

Alkiomonistuksessa matkitaan siemenen sisässä tapahtuvaa siemenalkion kehitystä, mutta solukkoviljelmään syntyy yhden alkion sijasta suuri määrä alkioita. Erilaistuvaan solukkoon kehittyvät yhtä aikaa varsi, lehdet ja juuri, toisin sanoen kokonainen alkio.  

Alkiomonistus edellyttää tavallisesti nuorta lähtösolukkoa, joka useimmiten saadaan joko kehittyvästä tai kypsästä siemenalkiosta. Kuusen tapauksessa kantayksilön siemenalkiosta aloitetaan solukkoviljelmä (solukkolinja), jota kasvatetaan kasvatusalustalla suljetuissa astioissa laboratorio-olosuhteissa. Kasvualustana käytetään useimmiten puolikiinteää vesipohjaista hyytelöä, joka sisältää kasvisolujen tarvitsemia ravinteita ja hivenaineita sekä kasvunsääteitä. Solukkoviljelmä sisältää muutaman solun kokoisia esialkioita. Kasvatusalustan kasvunsääteitä vaihtamalla esialkiot saadaan kehittymään kasvullisiksi alkioiksi, jotka ovat perimältään identtisiä kantayksilön kanssa. Näistä alkioista voidaan kasvattaa solukkotaimia idättämällä ne laboratoriossa solukkoviljelyalustalla. Itäneet alkiot siirretään, eli koulitaan, kasvualustalle, esimerkiksi turpeeseen, ja totutetaan kasvihuoneolosuhteisiin ja ulkokasvatukseen. Yhdestä siemenalkiosta voidaan tuottaa satoja tai jopa tuhansia taimia. 

Tehokkuutensa ohella alkiomonistuksen houkuttelevuutta lisää mahdollisuus yhdistää menetelmään solukon syväjäädytys, joka mahdollistaa lisäyskykyisen aineiston varastoinnin jopa vuosikymmeniksi. Suurempaan mittakaavaan pyrittäessä kasvullisia alkioita tuottavia viljelmiä voidaan myös kasvattaa ravintoliuoksessa suurissa bioreaktoreissa. On myös tutkittu kasvullisten alkioiden kapselointia keinosiemeneksi, tai niiden kuivattamista ja pakastamista kylvettäväksi myöhemmin suoraan taimitarhalle. 

Maailmalla alkiomonistusta hyödynnetään käytännön metsänjalostuksessa ja -viljelyssä toistaiseksi vain muutamilla havupuulajeilla, kuten valkokuusella (Picea glauca) ja radiatamännyllä (Pinus radiata). Alkiomonistuksen soveltamista käytäntöön rajoittavat useat puulajeittain vaihtelevat tekijät, joiden vuoksi alkiomonistus ei ole syrjäyttänyt perinteisiä kasvullisen lisäyksen menetelmiä, esimerkiksi pistokaslisäystä tai varttamista.

Syväjäädytys osana solukkoviljelyä

Image

Solukkoviljelyn apuna voidaan käyttää syväjäädytystä (kryopreservaatio) monistettavan aineiston säilyttämiseen. Mikrolisäyksessä viljelmien aloituksessa voidaan käyttää syväjäädytettyjä silmuja, jotka on sulatettu esimerkiksi varastoinnin aikaisen syväjäädytyksen jälkeen. Kasvullisia alkioita tuottavat viljelmät voidaan myös säilyttää syväjäädytettyinä. Ilman syväjäädytystä, jatkuvasti kasvatettavat viljelmät ikääntyvät ja menettävät vuosien kuluessa vähitellen alkiontuottokykynsä. 

Syväjäädytyksessä näytteet, yleisimmin silmut tai solukkoviljelmät, pakastetaan esikäsittelyn jälkeen hitaasti pienissä näyteputkissa -40 celsiusasteeseen, jonka jälkeen ne upotetaan nestemäiseen typpeen, jonka lämpötila on -196 celsiusastetta.  

Syväjäädyttämällä lisäysaineistoa voidaan esimerkiksi turvata harvinaisten ja arvokkaiden perintötekijöiden tai jopa kokonaisten lajien säilyminen uhkaavilta tuhoilta ja taudeilta. Syväjäädytys mahdollistaa lisättävien puiden säilytyksen pienessä tilassa silmuina suojassa ulkoisilta uhkilta.  Syväjäädytyksessä voidaan myös varastoida lisäysaineistoa, kunnes siitä tuotetuista taimista saadaan tietoa kenttätesteistä. Syväjäädytystä käytetään laajalti eri eliölajien geeniperimän säilytyksessä (kasvien osat, eläinten ja ihmisten sukusolut). 

Alkiomonistuksen tutkimus ja kehitys Suomessa 

Metsäpuiden kasvullisen lisäyksen menetelmistä erityisesti alkiomonistus (somaattinen embryogeneesi), on tehokkuutensa ansiosta herättänyt runsaasti mielenkiintoa.  Suomessa tehty alkiomonistuksen tutkimus- ja kehitystyö on painottunut kuusen lisäysaineistojen tuotantoon kehittämällä sekä itse lisäysmenetelmää että sen automaatiota kohti käytännön sovellusta. 

Luonnonvarakeskuksessa kuusen alkiomonistusmenetelmää on kehitetty kansainvälisen tutkimustiedon pohjalta ottaen huomioon puulajin erityispiirteet ja toimintaympäristön tarpeet.  Tällä hetkellä alkiomonistettua metsänviljelyaineistoa tuotetaan siten, että käsityönä laboratoriossa idätetyt sirkkataimet jatkokasvatetaan taimitarhoilla. Tuotantoerät ovat kooltaan pieniä (kymmeniä tuhansia taimia).  Käsityönä tuotettaessa alkiomonistetun aineiston hinta on korkea ja tuotanto vaatii koulutettua työvoimaa. Eniten kustannuksia syntyy kasvullisten alkioiden idätyksestä. Luonnonvarakeskus (Luke) ja Kaakkois-Suomen Ammattikorkeakoulu (XAMK) ovat yhteistyössä kehittäneet robotiikkaa alentamaan tuotantokustannuksia ja parantamaan tuotannon tehokkuutta. 

Automaation ja alkiomonistusmenetelmän kehityksen ohella Luonnonvarakeskuksessa etsitään muun muassa paremmin juurikääpää kestäviä puuyksilöitä alkiomonistusaineistosta. Juurikääpä on kuusen tyvilahoa aiheuttava sieni (Heterobasidion parviporum), joka aiheuttaa metsänomistajille vuosittain kymmenien miljoonien eurojen menetyksen kantorahatuloissa. 

Pistokaslisäys on kasvullisen lisäyksen menetelmä, jota kotimaassa hyödynnetään esim. metsänjalostuksen jälkeläistestauksessa kuusella. Ruotsissa kuusen pistokkaita tuotetaan pienimuotoisesti myös metsänviljelyyn. 

Pistokas on kasvin osa, esimerkiksi oksa, lehti, juuren- tai varrenpala, joka kykenee regeneroitumaan eli eheytymään kokonaiseksi kasviksi (kotioloissa esimerkiksi viherkasvien pistokkaat). Puuvartisilla kasveilla pistokkaina käytetään perinteisesti joko versonkärkiä tai -paloja. Haapaa ja hybridihaapaa voidaan lisätä myös juuripistokkaista. 

Image

Pistokaslisäys onnistuu parhaiten nuorista puuyksilöistä. Iäkkäämmistä emopuista leikattujen pistokkaiden kasvutapa voi olla oksamainen. Emopuun fysiologista nuoruustilaa pystytään ylläpitämään toistuvilla leikkauksilla jonkin aikaa. Toistuvien leikkausten seurauksena emopuut pensastuvat, jolloin niistä saadaan enemmän pistokkaita. Myös monet muut tekijät vaikuttavat oleellisesti pistokaslisäyksen onnistumiseen esim. emopuun kunto, vesi- ja ravinnetasapaino sekä pistokkaiden sijainti emopuussa.

Pistokkaan eheytyminen kokonaiseksi kasviksi vie aikaa useita viikkoja, havupuilla jopa kuukausia. Ennen kuin versopistokas on muodostanut juuren, se on hyvin altis kuivumiselle. Tästä syystä pistokaslisäyksen ensimmäisinä viikkoina kasvatusosastolla ylläpidetään korkeaa ilmankosteutta. Juurrutusolosuhteet ovat varsin otolliset sieni-infektioille, joten ympäristön puhtaudesta tulee huolehtia ja kasvinsuojeluaineita on käytettävä tarvittaessa. Versopistokkaiden juurtumista voidaan edistää lämmittämällä juurrutusalustaa ympäröivää ilmatilaa lämpimämmäksi. Monilla puulajeilla versopistokkaiden juurrutus onnistuu vain hormonikäsittelyiden (yleisimmin auksiinien) avulla.  

Pistokasmonistus voidaan aloittaa puutuneista (talvipistokkaat) tai puutumattomista (kesäpistokkaat) versoista. Puutuneet versopistokkaat ovat nimensä mukaisesti puutuneita ja lepotilaisia versoja, jotka leikataan kasvukauden ulkopuolella, ja joita voidaan varastoida kylmiössä kuivumiselta suojaavassa pakkauksessa. Kesäpistokkailla tarkoitetaan uusia versoja, jotka leikkaushetkellä ovat vielä kasvussa, mutta eivät kuitenkaan ole niin nuoria ja pehmeitä, etteikö niitä pystyisi käsittelemään. Kesäpistokkaat on laitettava juurtumaan välittömästi ja sumukastelu on aloitettava heti. Pistokkaiden leikkuu ja juurrutus voidaan tehdä myös loppukesällä, jolloin prosessi vastaa kesäpistokkaiden menetelmää.

Haavan juuripistokkaat

Juuripistokkaita on tutkittu lähinnä hybridihaavalla, mutta menetelmää voitaneen soveltaa myös metsähaavan kasvulliseen lisäykseen. Juuripistokkaiksi soveltuvat parhaiten 3–4 cm mittaiset juurenpalat, jotka on leikattu 1–2-vuotiaista ja läpimitaltaan alle 1 cm taimista. Pistokkaat leikataan juurista ja pistetään aikaisin keväällä maalis-huhtikuussa, ennen kantataimien silmujen puhkeamista. Kantataimien juuret voidaan myös nostaa syksyllä, lehtien pudottua, ja säilyttää kosteina kylmävarastossa odottamassa leikkausta ja pistämistä. 

Metsäpuiden jalostuksessa varttaminen on tärkeä menetelmä tallennettaessa valittuja pluspuita kloonikokoelmiin ja perustettaessa siemenviljelyksiä. 

Image

Varttaminen perustuu kahden kasviyksilön versojen liittämiseen toisiinsa siten, että niiden kuoren alla olevat johtosolukot osuvat yhteen, mikä mahdollistaa veden ja ravinteiden kulkeutumisen liitoskohdan ohi. Kun yhteen liitettyjen yksilöiden solukot ovat riittävän samankaltaisia, versot kasvavat liitoskohdasta yhteen muodostaen vartteen. Joissain tapauksissa myös eri lajeja voidaan varttaa keskenään niiden ollessa toisilleen lähisukua. 

Varte koostuu perusrungosta ja varteoksasta. Perusrunko muodostaa vartteen juuriston, ja varteoksa – perusrunkoon toisesta puusta liitettävä verso – vartteen latvan. Varttamistekniikoita on lukuisia erilaisia ja menetelmää voidaan soveltaa kaikenikäisille puille. Varttamistekniikoille yhteistä on, että perusrunkoon tehdään leikkaus, johon sovitetaan varteoksan leikkaukseen sopiva tyviosa siten, että johtosolukot koskettavat toisiaan. Liitoskohta tuetaan usein sitomalla se varteteipillä, kuminauhalla tai muulla tarkoitukseen sopivalla materiaalilla. Joillakin puulajeilla liitoskohta peitetään kuivumiselta suojaavalla vahalla, joskaan monien havupuiden tapauksessa tähän ei ole tarvetta.

Varteoksat kerätään pääsääntöisesti syystalvella ennen kovia pakkasia tai kevättalvella lähempänä varttamisajankohtaa. Tavallisesti varteoksina käytetään edellisen kesän versoja, joiden pituus on noin 5–10 senttiä. Keräyksen jälkeen versot säilytetään varttamiseen asti kylmässä kuivumiselta suojaavassa pakkauksessa. Varttaminen pyritään tekemään, kun varteoksat ovat talven jäljiltä vielä lepotilaisia, mutta perusrungon nestekierto on lämmön vaikutuksesta käynnistymässä tai käynnistynyt. Ulkona kasvaviin perusrunkoihin otollinen varttamisajankohta ajoittuu keväästä ja kasvupaikan sijainnista riippuen huhti-toukokuuhun. Varteoksat ovat alttiita kuivumiselle heti varttamisen jälkeen, aivan kuten pistokkaatkin.

Vaikka varttaminen onnistuu varmimmin, kun se on tehty ennen puiden kasvuun lähtöä, on myös kesällä tehdystä varttamisesta saatu onnistuneita kokemuksia muun muassa pajuilla ja kuusella. Kesävartteita tehtäessä saman vuoden kasvua oleva varteoksa leikataan irti ja liitetään välittömästi perusrungon tuoreeseen versoon. Lehtipuiden kesävartteissa osittainen lehtien poistaminen vähentää varteoksan vettä haihduttavaa pinta-alaa ja voi siten edesauttaa juurtumista. 

Varttamisen jälkeen perusrungon silmuista puhjenneet varteoksan kanssa mahdollisesti kilpailevat versot on poistettava. Kun perusrunkojen omien versojen ei anneta kasvaa, muodostuu varteoksasta nuoreen taimeen uusi latva. Näin tehdyistä vartteista saadaan alkuperäisen puun kopioita, joilla on kuitenkin siementaimen juuristo.  

Image

Silmustus on varttamismenetelmä, jossa varteoksan sijasta perusrunkoon siirretään silmu. Silmustuksen etuna oksien varttamiseen nähden on se, että monistettavasta puusta saadaan paljon enemmän vartettavia silmuja kuin oksia. Silmustusta on käytetty lähinnä lehtipuilla mutta menetelmästä on saatu hyviä kokemuksia myös kuusella ja männyllä.