KASVINJALOSTUS / Matti Pekkarinen

 

1. Perinnöllisyyden perusteet

(perinnöllisyys ilmenee siten, että yksilö muistuttaa ominaisuuksiltaan vanhempiaan enemmän kuin lajin muita yksilöitä ... ja tietenkin sitenkin, että tietyn lajin jälkeläiset ovat samaa lajia)

a) perimä ja ilmiasu  

Yksilön ominaisuudet (ulkonäkö ym) määräytyvät perimän ja ympäristön yhteisvaikutuksena. "ilmiasu=perimä+ympäristö", eli fenotyyppi=genotyyppi+ympäristö.

b) muuntelu  

Kunkin lajin sisällä on erilaisia yksilöitä, myös perimältään. Aikojen kuluessa on kehittynyt mm. ympäristötekijöiden valintapaineen vuoksi erilaisia "selviytymistapoja", uusia ominaisuuksia. Lapin kuuset ovat riippuoksaisia (pärjää lumikuorman kanssa paremmin kuin eteläinen tyyppi, tosin menettää osan auringonvalosta epäedullisen oksa-asennon vuoksi.)

c) perintötekijät ovat kromosomeissa  

Kaikkien solujen tumassa on lajille tyypillinen määrä kromosomeja. Ne ovat pitkiä DNA-rihmoja. DNA on eräs ns. nukleiinihappo. Se on molekyylirakenteeltaan tikapuun kaltainen. Pystyrunkona vuorottelevat fosforihappotähde ja sokeri (deoksiriboosi) ja poikkipuina emäsparit. Emäksiä on neljä erilaista (adeniini, tymiini, guaniini ja sytosiini, eli A,T,G,C). Kaikkia kromosomeja on pareittain (molemmilta vanhemmilta yksi). Niinpä kutakin geeniä on myös kaksi. Geeni on "pätkä kromosomia". 

Jokainen kolmen peräkkäisen emäksen sarja kromosomissa määrää kasvin proteiinisynteesissä tietyn aminohapon. Noin sadan tällaisen "tripletin" sarja muodostaa geenin. Täten, ohjaamalla aminohappojen tuotantoa eliön soluissa, geenit vaikuttavat ja määräävät eliön rakennetta ja ominaisuuksia.

 

d) lokus  

Kullakin geenillä on tietty sijainti: juuri tietyssä kromosomissa ja siinäkin tietyssä paikassa. Tutkimus on jo pystynyt selvittämään joidenkin eliöiden geenikartan. Geenit sijaitsevat pääasiallisesti kromosomien DNA:ssa, joskin myös mitokondrioiden ja plastidien rengasmaisesta DNA:sta on löydetty geenejä.

e) alleelit  

Kustakin geenistä esiintyy useita erilaisia alleeleja, "versioita" (esim ihmisen silmän väri, veriryhmät jne)

 

 

f) DNA JA VALKUAISAINESYNTEESI  

Kun jokin geeni alkaa toimia, DNA:n kaksoiskierre purkautuu sen kohdalta ja sen emäsjärjestys kopioituu lähetti-RNA:n muotoon.  

Lähetti-RNA vie geenin "viestin" ulos tumasta solulimassa oleviin ribosomeihin, joissa valkuaisaineet muodostuvat.

Siirtäjä-RNA:t tuovat ribosomille aminohappoja ja tunnistavat lähetti-RNA:sta kohdan, johon kukin aminohappo muodostuvassa valkuaisaineessa tulee. Näin DNA:n (geenien) emäsjärjestys muuttuu tietyksi aminohappojärjestykseksi valkuaisaineessa.

Syntynyt valkuaisaine (entsyymi) puolestaan säätelee ja ohjaa tiettyä reaktiota solussa. Ominaisuus muodostuu vasta, kun solujen ja kudosten erilaistumiseen kuuluvat entsyymireaktiot  tapahtuvat. Sen vuoksi geenien ilmentymisen eli ekspression säätely on perimmäinen syy solujen erilaisuudelle.

 

     

   

Tämä lähetti-RNA:n synteesi tapahtuu tumassa... sieltä valmis lähetti-RNA siirtyy tumakelmun aukkojen kautta solulimaan, jossa proteiinisynteesi tapahtuu:

 

 

 

 

Yl. soluissa vain osa entsyymejä tuottavista ns. rakennegeeneistä on toiminnassa. Eri geenit ovat aktiivisia yksilönkehityksen eri vaiheissa. Juuri tämä mahdollistaa sen solujen ja kudosten erilaistumisen, joka on monisoluisten eliöiden yksilönkehityksen ja elintoimintojen perusta. Ns. pleiotrooppiset geenit vaikuttavat useaan ominaisuuteen. Polygeenit taas vaikuttavat erillisyydestään huolimatta samaan ominaisuuteen ja säätelevät usein ns. kvantitatiivisia ominaisuuksia, esim. kasvua. Letaaligeenit aiheuttavat yksilön kuoleman.

 

g) tumanjakautuminen

= solunjakautumista edeltävä tapahtumaketju, jota on kaksi tyyppiä: mitoosi, jossa syntyneet tytärsolut sisältävät täsmälleen samat kromosomit kuin emosolukin, ja meioosi, jossa tytärtumien kromosomien lukumäärä vähenee puoleen.

Meioosissa "arpoutuvat" kromosomit syntyvään sukusoluun (joko äidiltä tai isältä saatu kromosomi päätyy siihen kustakin (ihmisellä 23) kromosomiparista.

Mitoosissa kromosomit halkeavat kahdeksi identtiseksi DNA-rihmaksi. Perimä ei muutu.

Mitoosin esivaiheessa, profaasissa, pitkittäin kahdentuneet kromosomit alkavat erottua kromoneemarihmojen spiralisoitumisen takia, tumajyvänen ja -kelmu häviävät. Samanaikaisesti on sentrosomi jakautunut kahtia, ja sen puoliskot siirtyvät tuman vastakkaisille puolille. Tumasukkula alkaa muodostua niiden väliin. Keskivaiheessa, metafaasissa, yhä selvemmin näkyvät kromosomit siirtyvät vähitellen sukkulan keskitasoon ja muodostavat metafaasilevyn. Ne halkeavat pituussuunnassa kahdeksi samanlaiseksi tytärkromosomiksi. Jälkivaiheessa, anafaasissa, tytärkromosomit eroavat ja kulkevat sukkulan päihin. Loppuvaiheessa, telofaasissa, tumasukkula häviää, kromosomien kierteisyys purkautuu, ja ne häviävät näkyvistä. Kummankin kromosomiryhmän ympärille muodostuu tumakelmu, ja tumajyväset tulevat näkyviin. Tumasta on tullut kaksi identtistä tumaa. Mitoosin kestoaika vaihtelee 10 minuutista useihin tunteihin. Jakautumisten välisenä aikana, interfaasissa, kromosomit kaksinkertaistuvat seuraavaa jakautumisvaihetta varten.

Meioosin eli kypsymisjakautumisen tuloksena syntyy lisääntymissoluja. Siihen kuuluu kaksi perättäistä tumanjakautumista. Ensimmäinen on vähennys- eli reduktiojakautuminen, jossa kromosomisto puolittuu. Toinen on tasaus- eli ekvaatiojakautuminen eli tavallinen mitoosi.

Solujen jakautuessa mitoosissa (tumanjakautuminen) tulee tytärsoluihin samat geenit kuin emosolussakin oli. Sukupuolisoluihin, jotka muodostuvat meioosissa, tulee kutakin kromosomia (ja geeniä) vain yksi kappale. Sukupuolisolujen yhtyessä muodostuva uusi yksilö saa näin ominaisuutensa puoliksi kummaltakin vanhemmaltaan.

 

h) Perimän siirtyminen risteytyksessä: Monohybridiristeytys, jossa tarkastellaan YHDEN ominaisuuden periytymistä keskenään erilaisilla vanhemmilla. Mendelin esimerkki: vihreäsiemeninen herne X keltasiemeninen (P-polvi). KAIKKI jälkeläiset keltaisia (keltasiemenisyys on dominoiva eli vallitseva ominaisuus) =F1-sukupolvi. Seuraavassa polvessa (F2) on 1/4 vihreitä ja 3/4 keltaisia. Dihybridiristeytyksessä tarkkaillaan kahden ominaisuuden periytymistä niiden suhteen erilaisilla vanhemmilla. (hybridi tarkoittaa perinnöllisesti toisistaan poikkeavien vanhempien jälkeläistä, mm. eläinten roturisteytykset)

i) Ominaisuuksien (ja geenien) kytkentä. Samassa kromosomissa olevien geenien määräämät ominaisuudet eivät "mendelöi". Esim silmän väri ja ihon ja hiusten väri ovat ihmisillä  toisiinsa kytkeytyneet. Tekijäinvaihdunta (crossing over): Kromosomiparin vastinkromosomien DNA-rihmat menevät meioosissa ristikkäin ja katkeavat. Tämä mekanismi purkaa geenien kytkennän.

j) Mutaatio: yksilön tai solun perimän äkillinen täysin sattumanvarainen muutos

mutaatio: yksilön tai solun perimän äkillinen täysin sattumanvarainen muutos. Geenimutaatiossa yksittäisen geenin DNA:n emäsjärjestys muuttuu esim. virheellisen replikaation takia. Muutos koskee yl. yhtä nukleotidiparia (pistemutaatiot), ja yhdenkin geenin alueella niitä voi sattua satoja erilaisia. Tällainen geenissä tapahtuva vähäinen muutos voidaan todeta vain sen aiheuttaman ominaisuuden mahdollisesta muuttumisesta.  

Kromosomimutaatiot ovat kromosomin katkeamisesta ja osien uudelleenryhmittymisestä aiheutuvia rakennemuutoksia, jotka näkyvät usein mikroskoopillakin. Kromosomista voi irrota ja hävitä pala joko päästä (pilkkouma, fragmentaatio) tai keskeltä (häviämä, deleetio). Jokin kromosomin osa voi kaksinkertaistua (kahdentuma, duplikaatio) tai kääntyä toisinpäin (kääntymä, inversio). Kaksi ei-homologista kromosomia voi vaihtaa osia (siirtymä, translokaatio). Kromosomistomutaatiossa koko genomi muuttuu. Aneuploidiassa on yksi tai useampi ylimääräinen kromosomi tai kromosomeja puuttuu; trisomiassa on diploidisella yksilöllä yksi kromosomi kolminkertaisena, monosomiassa yksinkertaisena. Koko kromosomisto on moninkertaistunut polyploidiassa. Somaattiset (eli muussa kuin lisääntymissolussa tapahtuvat) mutaatiot aiheuttavat kasveille harhamia, eläimille mosaiikkikudoksia.  

Mutantti on yksilö, jolla on mutaation seurauksena normaalityypistä poikkeava perimä. Mutageeni on tekijä, joka lisää mutaatioiden määrää. Mutageeneja ovat mm. ionisoiva ja lyhytaaltoinen säteily (röntgen-, ultraviolettisäteily) sekä erilaiset nukleiinihappoihin vaikuttavat yhdisteet (typpihapoke, monet ympäristömyrkyt).

   

 

 

2. Kasvien lisääntymistavat

2.1. Vegetatiivinen lisääntyminen

 

 2.2. Suvuton lisääntyminen

 

 2.3 . Suvullinen lisääntyminen

 

 

 

2.3.1. Itsesiitos vai ristisiitos ?

2.3.2. Itsesiitos l. autogamia

2.3.3. Ristisiitos l. allogamia: eri kasviyksilöiden välillä tapahtuva

 

Koirassteriliteetti

 

 


kasvi-etusivulle

 

3. Jalostusmenetelmät

 

3.1. Valintajalostus

 

 3.2. Risteytysjalostus

 

 


 

3.2.1. Itsesiittoiset kasvit

Kuva: vehnän emaskulointi

 

 

 

 

3.2.2. Ristisiittoiset kasvit

 

menetelmiä:

1 . Dialleeliristeytys

         

2. Polycross-menetelmä

 

 

3.3. Polyploidijalostus

 

3.4. Mutaatiojalostus


 

3.5. Resistenssijalostus

 

 

Resistenssityypit :

 1 . pystysuora l. vertikaaliresistenssi

 -isäntä/loinen ; geeni-geeniltä periaate

                      -pyritään estämään täysin tuhoojan hyökkäykset

 -murtuu käytännössä helposti

 

   2. vaakasuora 1. horisontaa1iresistenssi

 =kenttäkestävyys: kasvi sairastuu mutta tuottokyky ei häviä

 -on useiden geenien aiheuttama ominaisuus

 -jalostuksessa haluttu ominaisuus nykyisin

 -isäntä/loissuhteen tasapaino

 

 

3.6. Heteroosijalostus

 

3.7. Ylläpitojalostus

 

 

3.8. Protoplastifuusio

 

protoplasti, kasvisolu, jonka soluseinä on poistettu entsymaattisesti. Protoplasti on herkkä ympäristön osmoottisille muutoksille ja mekaaniselle käsittelylle. Suotuisissa oloissa protoplastit rakentavat soluseinän uudelleen eli regeneroituvat normaaleiksi soluiksi. Eri kasvien protoplasteja voidaan fuusioida keskenään kalsiumionien, polyetyleeniglykolin tai sähkökentän avulla, jolloin muodostuu somaattisia hybridisoluja. Fuusioituneet solut voidaan regeneroida kasveiksi, jolloin saadaan uudenlaisia risteymiä tai uusia ominaisuuksia omaavia hyötykasveja.

 

 

 

 

 

4.Biotekniikka

Biotekniikka on laaja käsite

biotekniikka (< kreik.), luonnontieteiden ja insinööritieteiden yhdistämistä tuotteiden ja palvelujen aikaansaamiseksi eliöiden, solujen, niiden osien ja niissä esiintyvien molekyylien avulla. Biotekniikan perinteisiä muotoja ovat mikrobien aiheuttamiin käymisreaktioihin perustuvat oluen ja viinien valmistus, leivän nostattaminen hiivalla sekä juustojen, piimän, hapankaalin yms. valmistus. Moderni biotekniikka hyödyntää geenitekniikan (geenimanipulaatio) ja molekyyligenetiikan (molekyylibiologia) avulla soluja ja niissä esiintyviä kem. reaktioita. Geenitekniikan avulla geenejä voidaan siirtää mikrobista toiseen, mutta myös korkeammilla eliöillä sekä yli lajirajojen, esim. ihmisestä mikrobiin tai kasviin. (CD-Facta)

 

molekyylibiologia, biologian osa, joka tutkii elämän ilmiöitä molekyylitasolla, ts. selvittelee minkälaisiin molekyyleihin eliöiden rakenteet ja toiminnot pohjautuvat. Molekyylibiologia tutkii etenkin suuria nukleiinihappo- ja proteiinimolekyylejä  kemian ja biokemian keinoin. Sen tärkein osa on perinnöllisyyteen keskittynyt molekyyligenetiikka.

 

Biotekniikalla on sovelluksia lääketieteessä (diagnostiikka, tautien hoito, lääkkeiden valmistus, geeniterapia), maataloudessa (kasvin- ja eläinjalostus), elintarvike-, kemian- ja puunjalostusteollisuudessa, kaivostoiminnassa, energian tuotannossa sekä jätteiden käsittelyssä. Toistaiseksi tärkeimmät biotekniikan uudet sovellukset ovat olleet lääketieteellisiä. Suurin hyöty on tiedon lisääntyminen sairauksien perussyistä. Geenitekniikan avulla voidaan kehittää tehokkaampia lääkkeitä ja tuottaa niitä esim. kasvi- tai eläinsoluviljelmissä. Myös uusien, nykyistä tehokkaampien ja turvallisempien rokotteiden kehittämisessä käytetään biotekn. menetelmiä. Biotekniikka on parantanut mm. tartuntatautien ja perinnöllisten tautien sekä syövän tunnistamista. Geeniterapialla tarkoitetaan ihmisen viallisen geenin korvaamista uudella tai sen toiminnan estämistä.


 

Kasvibiotekniikan pisimmälle edennyt osa on mikrolisäys eli kasvien suvuton lisääminen. Mikrolisäyksellä tarkoitetaan kasvisolujen tai -solukkojen viljelemistä aseptisesti synteettisellä ravintoalustalla; menetelmällä voidaan tuottaa yhdestä kasvista suvuttomasti sen identtisiä kopioita. Mikrolisäyksen avulla tuotetaan mm. koristekasvien, vadelman, tyrnin, koivun ja omenapuun taimia sekä siemenperunoita. Paljon tutkitaan myös keinosiementen (somaattinen alkio) tuottamista. Uudenlaisia risteymiä voitaneen tuottaa yhdistämällä eri kasvien protoplasteja (protoplasti). Geenejä kasveihin voidaan siirtää esim. agrobakteerien avulla tai »ampumalla» niitä soluihin. Biotekn. menetelmin pyritään mm. kehittämään myrkyille vastustuskykyisiä ravintokasveja, kasveja, jotka pystyisivät hyödyntämään ilmakehän typpeä, ja paremmin luonnon stressitekijöitä kestäviä lajikkeita.

 

Kotieläinten jalostuksessa biotekniikan tärkeimmät sovellukset ovat koeputkihedelmöitys, alkionsiirto, sukupuolen ennalta määrittäminen ja perinnöllisen aineksen säilyttäminen pakastettuna. Alkionsiirrolla tarkoitetaan hedelmöityneen munasolun jakamista identtisiksi soluiksi, joista muodostuneet alkiot voidaan kasvattaa toisten eläinten kohduissa. Biotekn. menetelmin pyritään mm. lihan ja maidon laadun parantamiseen, kasvunopeuden lisäämiseen ja tautien vastustuskyvyn parantamiseen. Eläimillä on tehty myös geeninsiirtotutkimuksia (transgeeninen eliö).

 

Elintarviketeollisuudessa biotekniikan avulla pyritään tuottamaan tuotteita, jotka ovat ravintoarvoltaan ja muilta ominaisuuksiltaan parempia kuin entiset. Tärkein menetelmä on elintarvikkeiden valmistuksessa käytettyjen mikrobien perimän muuttaminen. Lisäksi pyritään uusien raaka-aineiden hyödyntämiseen ja jätteiden hyväksikäyttöön. Puunjalostusteollisuudessa biotekniikkaa voidaan käyttää esim. sellun valkaisussa, puun säilyvyyden parantamisessa ja jätteen hyväksikäytössä ja kaivosteollisuudessa mineraalien irrottamiseen köyhistä malmeista.

 

Biotekniikan nopea kehitys on aiheuttanut myös keskustelua siihen liittyvistä eettisistä ongelmista ja riskeistä. Yksi suuri riski on perimältään muutettujen eliöiden pääseminen luontoon. Yl. pidetään biotekniikan tarjoamia mahdollisuuksia paljon suurempina kuin siihen liittyviä uhkia.

 

 

osa-alueita:  

-tervetaimituotanto:  

-lääkeaineitten tuotanto:

1.erytropoietiini (Huomen-lehmä), vaikuttaa verenmuodostukseen ... ...normaalisti muodostuu munuaisissa...pyritään tuottamaan maidossa.................  

2.laktoferriini, tukee vastustuskyvyltään heikkojen ihmisten puolustuskykyä (AIDS, syöpä- ym potilaat ?)............  

3.kollageeni, korjaa kudosvaurioita, reumaa ym, (Lapinlahti, Alapitkä ?)       (Laura Kulkas, MT 18. ja 22. 4. 1997)

.... eläinalkioon voidaan eristetty, haluttu geeni siirtää mikroinjektiomenetelmällä: alkiosta otetaan kiinni, ja sen tumaan ruiskutetaan geeniainesta  

4.siirtogeenisiä kasveja voidaan käyttää rokotteiden valmistuksessa (ja rokottamisessakin)... siirtämällä kasviin taudinaiheuttajan se osa, joka käynnistäää elimistön puolustusreaktion, voidaan rokote antaa syötävässä muodossa... kehitysmaihin ollaan kehittämässä rokottamiseen tarkoitettuja siirtogeenistä perunaa ja banaania (MT 19.10 -96)  

-tuotantoeläimet:

1.lohella muunnos, joka kasvaa nopeammin

 

2.kloonaus: esim Dolly-lammas: sai alkunsa utaresolusta ja perimästään tyhjennetystä munasolusta, jotka fuusioitiin sähköllä (277 yritystä, 1 onnistui), tulos käyttäytyi kuin hedelmöittynyt munasolu. Tällä menetelmällä voisi tuottaa perinnöllisesti tasalaatuisia karjoja!   (huom: urosta ei tarvittu)

 

3.Geenikartat--- markkerit, joista voidaan mikroskoopilla tms havaita  solusta (siemenneste tms) perinnölliset ominaisuudet (geenit), mikä nopeuttaa jalostusta ja auttaa risteytysvanhempien valinnassa (ilmiasusta ei yleensä voi vetää varmoja johtopäätöksiä)

   

- kasvituotanto

-tuotantokasvit: Kaliforniassa tupakka tuottaa malariatokotetta 250 kg/ha kuukaudessa ! Peruna tuottaa albumiinia, jota tarvitaan veritulppapotilaiden hoitoon(Tieteen Kuvalehti, liite 11/95)

 

EU:n alueella myönnetty (2/97) 759 lupaa geeniteknisiin tutkimus- ja kehittämishankkeisiin . Eniten maissi, rypsi, rapsi, sok.juurikas, peruna

Usa: ssa (2/97) 23 lajiketta (kuusi maissia, viisi tomaattia, neljä perunaa) , hankkeita melkein 2500... lajikkeista 17:llä parannettu ominaisuus liittyy kasvinsuojeluun

1997 jo 15% USA:n soija-alasta GMO-soijaa (geneettisesti manipuloitua organismia...)... muutenkin USA edistyksellisin  

Bacillus thuringiensis-maabakteerin tuottamaa endotoksiinia on vuosikymmenet käytetty biologiseen perhostoukkien torjuntaan ruiskutteena. (hyväksytty yleisesti luomutuotannossakin) ... nyt maissiin siirretty ns. Bt-geeni, joka tuottaa maissikoisan tappavan luontoperäisen toksiinin ( Leipä Leveämmäksi 4/07)... onnistuu myös kaalikasveilla

useimmiten kasveilla tavoitellaan "resistenssiä ja toleranssia" : vastustus- ja sietokykyä

                      -vastustusk.: lajike pystyy vastustamaan tuholaisia ja tauteja

                      -sietokyky useimmiten koskee torjunta-aineitten sietoa

esim soijan ja puuvillan viljelyssä paljon kemikaaleja... GMO:lla pudotetaan puoleen ?

                      ---- tuotanto taloudellisempaa ja ymp. ystävällisempää

joskus GMO:lla myös saavutetaan parempaa sadon laatua ja varastokestävyyttä (esim tomaatilla)... myös esim "riisialueilla" tms voisi ko. kasvia jalostaa ravitsemuksellisesti paremmaksi (aminohappokoostumus yms).... (Tieteen Kuvalehti, liite 11/95)

-niinikään teollisuuden "palveluksessa" olevat hiivat ym mikrobit ovat "räätälöidyt" tiettyyn tehtävään sopiviksi  (maidonjalostus, alkoholiteollisuus...) esim EDAM-juuston juoksutuksessa käytetään kymosiinia, jonka on tuottanut siirtogeeninen bakteeri

  kasvi-etusivulle


 

GEENINSIIRTO

 

ERÄS MAABAKTEERI, Agrobakterium tumefaciens aiheuttaa aitosyöpää kasveissa (äkämiä, kasvaimia...)  siirtämällä DNA:staan kiihtyvää kasvua  aiheuttavan geenin  kasviin

-geenisiirroissa käytetään agrobakteerikantaa, josta tuo kasvua kiihdyttävä  geeni (bakteerin oma siirtogeeni) on korvattu kohdegeenillä ja tunnistegeenillä (kyky tunkeutua isännän perimään on tallella) MT 19.10 -96

-agrobakteeriin halutut geenit saadaan esim. eshericia coli-bakteerin viemänä (ks kuva)

-kolibakteerin plasmidiin (rengasrak DNA) joko virusvektorin avulla tai suoraan

-DNA- avautumisessa ja sulkeutumisessa apuna restriktioentsyymit, jotka kukin katkaisevat tai "liimaavat" DNA-juosteen juuri tietystä kohdasta (MT 19.10. -96)... siirrettävän "hyöty"geenin ohella liimataan samalla myös tunnistegeeni (esim antibiootin kestävyysgeeni), jolloin siirtogeeniset kasvit voidaan erottaa antibioottia sisältävällä kasvualustalla...

 

 

KUVA: BAKTEERIN PERIMÄN MUUTTUMISTAVAT

 

 

Kasveilla on geeninsiirtoja tehty:

yksisirkkaisilla: vehnä,ruis,ohra,riisi,maissi,hirssi   ("partikkelipommituksella": geenipyssyllä ampuen, kultahiukkasten pinnalla... , maissi jo 1990

 

kaksisirkkaisilla: lähinnä agrobakteerimenetelmällä (kaksisirkkaisten luonnollinen loinen)

 

Luonnossa Agrobacterium tumefaciens -bakteeri infektoi ainoastaan leveälehtisiä kasveja kuten tupakkaa, petuniaa, tomaattia ja rypsiä. Se ei pysty yIeisimpiin viIjeIykasveihin vehnään, riisiin ja maissiin.

Vieraan DNA:n siirtämiseksi näihin kasveihin on käytettävä aivan muita keinoja. Useimpia meneteImiä käytettäessä työ aIoitetaan poistamalIa kasvin soluja suojaavat kerrokset. Tämä voidaan tehdä esimerkiksi pilkkomalIa tehosekoittajaIla lehdet pieneksi siIpuksi. Sekoittajasta saatua lehtipuuroa käsitellään tietyiIIä entsyymeillä, jotka hajottavat solujen soluseinät. SoIuseinättömiä soIuja eli protoplasteja erottaa ulkomaailmasta vain ohut solukelmu, mikä helpottaa DNA:n siirtoa soIuun. SoIukeImu voidaan rikkoa moneIIa tavaIla. Yksi tapa On sekoittaa eri kasvien protoplasteja keskenään, ja indusoida ne sulautumaan yhteen. Tällä menetelmäIIä on saatu aikaan muun muassa pomaatti, tomaatti-peruna -hybndi, jossa on DNA:ta molemmista emokasveista.

MeneteImällä perintöaineksen sekoittuminen on sattumanvaraista, joten saatu pomaatti ei kyennyt lisääntymään. Yleensä DNA-manipuIaatio on huomattavasti valikoivampaa ja se tähtää tiettyyn päämäärään. Elektroporaatioksi kutsuttua menetelmää on käytetty menestyksekkäästi. Siinä protoplastien ja puhdistetun DNA:n (joka on voitu ottaa mistä tahansa eliöstä) seos pannaan sykkivään sähkökenttään. Sähkökenttä saa protopIastin solukelmuun muodostumaan pieniä reikiä, joista DNA pääsee kulkeutumaan soluun. Solukelmu voidaan rikkoa myös kemiallisilla menetelmillä. Molemmissa tapauksissa DNA saadaan kulkeutumaan solun tumaan, jossa se sulautuu kasvin kromosomeihin. DNA voidaan saada soluun myös ohuiIla injektioneuloilla, jotka työnnetään varovasti solukelmun läpi. On olemassa myös hienostuneempia menetelmiä, joilla DNA saadaan suoraan solun tumaan.Seuraava ongelma on saada herkät protoplastit kehittymään kokonaisiksi kasveiksi. Useat protoplastit vahingoittuvat fysikaalisissa, kemiallisissa ja sähköisissä käsitteIyissä. Toiset protoplastit saadaan kasvamaan helposti, kun taas toiset eivät kehity laisinkaan.Vaikeus piileekin kasvun alkamisessa, soIuseinän rakentamisessa uudelleen - tutkijat eivät vielä kokonaan ymmärrä tätä prosessia.Geeniteknikkojen ensimmäinen haaste oli saada aikaan rikkakasvimyrkkyjä kestäviä kasvilajikkeita. Kasvimyrkyillä voidaan vähentää rikkaruohoja, minkä ansiosta viljelykasvit saavat mahdollisimman paljon valoa ja ravinteita. Glyfosaatti - kauppanimet Roundup ja Tumbleweed - on maanviljelijöiden ja puutarhureiden suosima rikkaruohomyrkky. Se toimii estämällä erään kaikissa kasveissa

olevan entsyymin toiminnan. Kasvi ei voi kasvaa ollenkaan ilman tätä tärkeää entsyymiä. Glyfosaatti tappaa useimpien muiden kasvimyrkkyjen tavoin valikoimatta kaikki kasvit niin rikkaruohot kuin viljelykasvitkin. Siksi myrkky on levitettävä ennen kuin viljelykasvit nousevat maasta. Tällöin myrkyn vaikutus ei ole niin tehokas kuin silloin, kun sitä levitettäisiin myös kasvukauden aikana,jolloin rikkaruohotkin kasvavat parhaiten.Myrkytyksen tehostamiseksi tutkijat ovat kehittäneet glyfosaattia sietäviä kasvilajikkeita. Tähän tarvittava geeni saatiin glyfosaatille resistentistä E. coli -suolistobakteerikannasta. Tutkijat eristivät geenin, joka koodaa vastustuskykyyn johtavaa entsyymiä, ja siirsivät sen Agrobacteriumin avulla tupakkaan, rypsiin ja petuniaan. Geneettisesti käsitellyt kasvit kukoistivat rikkaruohomyrkytyksistä huolimatta. Kasvimyrkkyjen sietokykyyn johtavat geenit voidaansiirtää myös perunaan ja tomaattiin. Myrkynsietokyky mahdollistaa viljelykasvien kasvun ilman ravinnekilpailua rikkaruohojen kanssa, mikä johtaa suurempiin satoihin pinta-alaa kohti. Ympäristönsuojelijat ovat huolestuneita kasvimyrkkyjen kasvavasta käytöstä ja ympäristön kemikalisoitumisesta.

- .

-

Geenitekniikka voi tehdä maatalouden käyttämät erilaiset tuholaismyrkyt täysin tarpeettomiksi. Eräs Bacillus thuringiensis -bakteerin (B.t) tuottama toksiini tappaa perhostoukkia, mutta ei vaikuta lainkaan muihin hyönteisiin tai kasveihin. 1987belgialaiset ja yhdysvaltalaiset tutkijat eristivät tästä bakteerista sen B.t.-toksiinia koodaavan geenin. Tämän jälkeen geeni siirrettiin tupakantaimiin Agrobacterium tumefaciensin Ti-plasmidin avulla. Kasvit alkoivat tuottaa toksiinia, joka tappoi niitä syövät toukat. Myös virukset aiheuttavat merkittäviä satovahinkoja. Niitä vastaan ei kuitenkaan ole olemassa minkäänlaisia kemiallisia - eikä muitakaan - torjuntakeinoja. Ehkäpä geenitekniikka antaa keinot suojata viljelykasvit myös virusten aiheuttamilta sairauksilta. Tupakan lehtiin läikkiä aiheuttava tupakkamosaiikkivirus rakentuu proteiinikuoren sisään suljetusta RNA-kierteestä. Jos pelkkä viruksen

 proteiinikuorta koodaava geeni siirretään tupakan soluihin, tuloksena saatu kasvi on immuuni mosaiikkivirukselle. Sama tulos saatiin, kun tomaatintaimia käsiteltiin vastaavalla tavalla. Tutkijat eivät vielä tarkkaan tiedä mistä tämä johtuu. Geenitekniikalla voidaan myös parantaa kasvien ravintosisältöä.

 Proteiinien puute on tavallisin aliravitsemuksen muoto - etenkin kehitysmaissa, joissa usein jopa 80 - 90 % väestön proteiinintarpeesta tyydytetään kasviravinnolla. Ihmiselimistö kykenee itse tuottamaan vain kymmentä niistä 20 aminohaposta, joita tarvitaan arvokkaiden proteiinien tuottamiseen. Loput aminohapot on saatava ravinnon kautta. Useimpien viljelykasvien aminohapposisältö on varsin alhainen. Kasvit varastoivat yleensä proteiinit siemeniinsä (papuihin, jyviin ja pähkinöihin). Ravintokasvien lehtiä, varsia ja juuria ei usein käytetä ollenkaan ravinnoksi. Kasvin ravintoarvoa voidaan parantaa saamalla ne proteiinit, joissa on paljon ihmiselle välttämättömiä aminohappoja, kulkeutumaan tehokkaasti kasvin siemeniin. Esimerkiksi monissa hernekasveissa, (mm. pavuissa, herneissä ja linsseissä) joista pääasiallinen ravinto koostuu suuressa osassa Etelä-Amerikkaa ja Afrikkaa, on erittäin vähän elimistölle välttämättömiä, rikkiä sisältäviä aminohappoja. Tilanteen epätasapainoa voidaan korjata liittämällä hernekasveihin parapähkinän siemenproteiineja (joissa kyseisten aminohappojen osuus on jopa 25 % ) koodaavia geenejä. Toiseen perusravintokasviin, perunaan, on siirretty keinotekoinen geeni, joka koodaa useiden välttämättömien aminohappojen tehokasta tuotantoa. Geeni valmistettiin geenikoneella, ja se liitettiin perunaan Agrobacteriumin Ti-plasmidin avulla. On laskettu, että uusi geeni kaksinkertaistaa perunan ravintoarvon. Monia kasveja viljellään niistä saatavien öljyjen ja rasvojen takia.

 Palmuista saadaan raaka-aineita saippuan ja pesuaineiden valmistamiseen. Oliivi-, auringonkukka-, maapähkinä ja soijaöljyjä käytetään elintarvikkeina. Teollisuus käyttää rypsi- ja risiiniöljyjä voiteluaineina. Kaikki öljyt ovat triglyseridejä. Ne rakentuvat kolmesta pitkästä rasvahappomolekyylistä, jotka ovat kiinnittyneet toisesta

 päästään glyseroliin haarukan piikkien tavoin. Kasvin rasvahappojen tyyppi ja koostumus riippuvat siitä, mitä entsyymejä kasvisolussa on. Geenitekniikka mahdollistaa geenien siirtämisen kasvilajista toiseen, minkä ansiosta on mahdollista tehdä kasveja, jotka voivat tuottaa mitä tahansa öljyä.

 Jos tutkijat esimerkiksi tietäisivät, miten kaakaopensas säätelee kaakaovoin tuotantoa, he voisivat siirtää kyseiset geenit soijapapuun. Geenit koodaisivat rasvatuotantoa ohjaavia entsyymejä. Soijapapua voidaan viljellä lauhkealla vyöhykkeellä, ja siitä saatava kaakaovoi olisi huomattavasti »aitoa" kaakaovoita halvempaa suklaan raaka-ainetta. Jos vastaavasti rypsi saataisiin tuottamaan palmu- ja kookosrasvaa, trooppisten viljelykasvien tarve pienenisi olennaisesti.

 

 .

Kasvisolut: uudistuminen, muuntelu ja viljely

Kotipuutarhurit kloonaavat jatkuvasti kasvejaan. Pensaasta tai kukasta leikatusta oksasta tai versosta saadaan juurruttamisella kehittymään uusi, kokonainen kasviyksilö, joka on lähes täysin samanlainen kuin emokasvi. Tämä ei vaikuta ihmeelliseltä, mutta kyseessä on melkein sama ilmiö kuin se, että amputoidusta jalasta voitaisiin kasvattaa täydellinen ihmisklooni. Tutkijat kutsuvat kasveille ominaista kykyä kehittyä pienestä palasta kokonaiseksi kasviksi totipotenssiksi. Bioteknologit ovat kehittäneet taitoa kloonata kasveja vielä askeleen pidemmälle. He ovat jakaneet kasvin pienimpiin mahdollisiin osiinsa, soluihin. Saamansa solut be ovat saaneet kasvamaan uusiksi kasviyksilöiksi. Käytännön ongelma on saada uudistumisprosessi tapahtumaan ehdottoman steriileissä oloissa. Hyvin pieni pala kasvisolukkoa (noin 0,5 kuutiosenttiä) puhdistetaan kemiallisesti, jolloin sen pinnalla olevat mikro-organismit kuolevat.

Tämän jälkeen solukkoa käsitellään tietyillä entsyymeillä, jotka hajottavat sen kiinteät rakenteet, esimerkiksi selluloosan. Lopputuloksena saadaan liuos, jossa on tuhansia yksittäisiä kasvisoluja. Solut voidaan saada kasvamaan steriilissä nesteessä lasipulloissa tai petrimaljoissa, joihin lisätään solujen tarvitsemia ravinteita. Yhdessä astiassa voidaan kasvattaa jopa satojatuhansia soluja, joista kukin kykenee kehittymään kokonaiseksi kasviksi.

Kasveja uudistetaan kasvattamalla kasvisoluja hyytelömäisessä aineessa, joka sisältää tiettyjä kasvuhormoneja ja ravinteita. Solut ovat lähes täysin värittömiä, ja ne kasvavat aluksi muodottomana möykkynä, jota kutsutaan kallukseksi. Parin päivän tai viikon kuluttua voidaan astioissa jo havaita pikkuruisia vihreitä versoja, lehtiä ja juuria. Tätä prosessia kutsutaan somaattiseksi embryogeneesiksi - alkionmuodostukseksi somaattisesta solukosta. Alkioiden lukumäärä voidaan kymmenkertaistaa johtamalla solukon läpi heikkoa sähkövirtaa 9 voltin paristosta, joka on kytketty kahden johtimen kautta solukkoviljelmään. Solukon sterilisoimisen jälkeen

toinen paristosta lähtevä johdin kiinnitetään kallukseen ja toinen hyytelömäiseen kasvualustaan. Tutkijat uskovat, että sähkövirta antaa vielä muodottomalle kallukselle tunteen suunnasta. Kehittyneet pienoiskasvit siirretään seuraavaksi omiin pieniin säiliöihinsä, joissa ne jatkavat kehitystään. Muutaman viikon tai  kuukauden viljelmässä olon jälkeen kasvit ovat riittävän suuria ja vahvoja istutettavaksi kompostiin. Siellä niiden annetaan kasvaa ja

vahvistua ennen kuin ne voidaan istuttaa tavalliseen maahan. Kasvien kapselointi elatushyytelöä sisältävään suojakuoreen jo alkiovaiheessa on mielenkiintoinen vaihtoehto asteittaiselle kasvatukselle. Keinotekoiset kapselisiemenet voidaan istuttaa suoraan maaperään erikoiskoneiden avulla. Yksittäisten solujen kloonaaminen on erittäin nopea tapa lisätä taimien lukumäärää. Nykyään uutta kasvilajia kehitettäessä sitä voidaan toimittaa suuria määriä viljelijöiden käyttöön huomattavasti nopeammin kuin ennen.

 

 

  kasvi-etusivulle

5. kenttäkoetekniikka

 

 

 


 

6. matemaattinen analyysi

 

F-testi ja T-testi ... Koeruutusadot, lajikkeet a ja b  

varianssi   s2 = S( (xi-xka )2 ) / (n-1) ,  jossa   xka = keskiarvo

 

1.

havainnot:                                                                                             keskiarvo       varianssi

a                    19                  14                  15                  17                  20                  17                                        6,5

b                    23                  19                  19                  21                  18                  20                                        4,0

                      yhteinen keskiarvo ja varianssi.........        18,5                                      5,25

 

 

2.Oletetaan hypoteesi: ovat samasta populaatiosta... eli on yhteinen varianssi ja keskiarvo olemassa:

-tämä yhteinen keskiarvo = 18,5

-tämä yhteinen varianssi =  5,25

   

3. Keskiarvojen vaihtelua kuvaava keskiarvojen varianssi tulee kaavasta:

s2x = ((xb-x)2 + (xa-x)2) / (2-1)  =((17-18,5)2 + (20-18,5)2) / 1 = 4,5

(keskiarvon keskihajonta = neliöjuuri 4,5 = 2,1)

Jos tämä arvo on kovin suuri, se osoittaa käsittelyjen (lajikkeet tms.) poikkeavan toisistaan paljon

Jos lisäksi aiemmin lasketut A:n ja B:n varianssit ovat pienet (ja yhteinen var. pieni... 5,25) niin tämä johtaa päätelmään, että lajikkeilla on todellista eroa

   

4. Estimoidaan s22, eräänlainen kokonaisvarianssi = n*s2x = 5*4,5 = 22,5

F=s22/ s21   eli  22,5 / 5,25, siis lajikkeiden väl. eroista aiheutuva / laj. sisäisestä hajonnasta aiheutuva tekijä

MITÄ SUUREMPI F-ARVO, SITÄ VARMEMMIN ON TODELLISIA EROJA KÄSITTELYJEN VÄLILLÄ

 

PARIVERTAILUSSA

 

t = (xa-xb) / sd, missä sd = "keskiarvojen erotuksen keskivirhe" =

 

V ((s2a + s2b) / n)   =   V ((6,5 + 4,0) / n)     =   1,449                                     ( V=neliöjuuri)

 

t = | 17-20 | / 1,449   =   2,07

 

HUOM: jakaja sitä suurempi, mitä suurempi on kokeen ympäristö- ja satunnaistekijöistä johtuva epävarmuus, siis hajonta, jota kaavassa kuvaavat A:n ja B:n varianssit. Tällöin t:n arvo tulee pieneksi. Taas, mitä suurempi on osoittaja, eli käsittelyjen (lajikkeitten tms) välinen ero.... sitä suurempi t:n arvo, mikä osoittaa kokeen tuloksen merkitsevyyttä

 

 kasvi-etusivulle