Etelämantereen kasvin genomi kartoitettiin kromosomitasolla – voisiko se auttaa viljelykasveja ilmastostressissä?

Pieni Etelämantereella kasvava kasvi sai merkittävän genomipäivityksen. Chileläisjohtoinen Polarix-hanke tuotti kromosomitasoisen vertailugenomin Colobanthus quitensis -lajille, joka tunnetaan Suomessa nimellä etelämantereen heinätatti. Se on toinen vain kahdesta Etelämantereen alkuperäisestä putkilokasvista. Uusi genomi antaa tutkijoille aiempaa tarkemman kartan sen selvittämiseen, miten kasvi kestää pakkasta, veden niukkuutta ja voimakasta ultraviolettisäteilyä.

Tieteellinen merkitys on huomattava, mutta maatalouden hyödyt ovat vielä mahdollisia tulevaisuuden sovelluksia. Täydellinen genomi kertoo, mistä geenejä ja säätelyalueita kannattaa etsiä. Se ei yksin paljasta valmista viljelyominaisuutta eikä takaa kestävämpää maissia, soijaa tai vehnää.

Mitä Polarix kokosi?

Lopullinen vertailukokoonpano kattaa noin 887,1 megabasea ja jakautuu 40 kromosomitasoiseen scaffoldiin eli koottuun DNA-rakenteeseen. Tulos vastaa kasvin ilmoitettua diploidista kromosomimäärää, 2n = 80. Tutkimuksen mukaan kyseessä on ensimmäinen Etelämantereen koppisiemenisen kasvin kromosomitasoinen genomikokoonpano.

Kokoonpanossa yhdistettiin kaksi toisiaan täydentävää sekvensointimenetelmää:

• PacBio HiFi -sekvensointi tuotti pitkiä ja erittäin tarkkoja DNA-lukemia, joiden avulla pitkiä genomijaksoja oli helpompi rakentaa.
• Hi-C-kromatiinikontaktidata auttoi selvittämään, mitkä kootut DNA-jaksot kuuluvat yhteen ja miten ne järjestetään ja suunnataan kromosomitasolla.

Tuloksena ei ole vain pitkä DNA-jono, vaan järjestetty vertailukartta. Sen avulla voidaan verrata geenejä, kromosomeja ja säätelyalueita sekä tutkia, miten genomiset erot liittyvät kasvin reaktioihin napa-alueiden stressioloissa.

Miten työ täydentää aiempaa tutkimusta?

Tutkijat olivat jo aiemmin tarkastelleet C. quitensis -kasvia osittaisten genomiresurssien ja transkriptomien avulla. Esimerkiksi Korean polaaritutkimusinstituuttiin liittyvässä työssä tutkittiin kentällä ja kasvatuskammiossa kasvaneiden kasvien geenien aktiivisuutta. Tutkimuksessa tunnistettiin tuhansia annotoituja geenejä, mikä loi pohjaa erityisesti kylmävasteen tutkimukselle.

Nämä aineistot olivat hyödyllisiä geenien ilmentymisen hetkellisiä otoksia, mutta ne eivät vastanneet täydellistä kromosomitason vertailugenomia. Polarix tuo tutkimukseen laajemman rakenteellisen kehyksen, jonka avulla geenit voidaan sijoittaa koottuun genomiin ja genomin järjestäytymistä tarkastella järjestelmällisemmin.

Käytettävissä olevat lähteet kuvaavat hanketta kansainväliseksi yhteistyöksi, mutta ne eivät osoita Kaliforniassa työskenteleville tutkijoille tiettyä roolia kokoonpanossa. Heidän nimeämisensä sekvensoinnista, scaffoldien rakentamisesta tai validoinnista vastaaviksi menisi annettujen tietojen ulkopuolelle.

Miksi kasvi kiinnostaa tutkijoita?

Colobanthus quitensis on poikkeuksellinen, koska se selviytyy luonnostaan yhdellä maapallon ankarimmista alueista. Tutkijoita kiinnostaa, miten se reagoi samanaikaisesti pakkaslämpötiloihin, rajalliseen veden saatavuuteen ja voimakkaaseen ultraviolettisäteilyyn.

Kromosomitasoinen genomi helpottaa sen tutkimista, liittyvätkö tietyt geenit, geeniperheet tai säätelyalueet näihin vasteisiin. Se mahdollistaa myös vertailut, joissa tarkastellaan genomien rakennetta, sopeutumista ja mahdollista polyploidiaa napa-alueiden kasveissa.

Etelämantereen selviytymiskyky ei todennäköisesti perustu yhteen ”supergeeniin”. Käytännön tutkimuskysymys on pikemminkin se, miten useat biologiset järjestelmät käynnistyvät, toimivat yhdessä ja pysyvät tasapainossa niin, että kasvi pystyy edelleen kasvamaan ja lisääntymään.

Voisiko löytö johtaa ilmastonkestäviin viljelykasveihin?

Yksi mahdollinen etenemistapa on verrata C. quitensis -kasvia maissiin, soijaan ja vehnään. Näin voitaisiin selvittää, voidaanko viljelykasvien omia stressivasteisiin liittyviä geenejä säätää niin, että ne sietäisivät paremmin kylmää, kuivuutta tai ultraviolettisäteilyä.

Hankkeesta kertovissa lähteissä kuvattu suuntaus perustuu geenieditointiin, ei Etelämantereen geenien siirtämiseen viljelykasveihin siirtogeenisten kasvien tuottamiseksi. Tarkoituksena olisi muokata kasvin omia stressivastegeenejä tai niiden säätelykytkimiä sen jälkeen, kun C. quitensis -kasvin hyödylliset mekanismit on ensin tunnistettu.

Tämä on tutkimusstrategia, ei valmis teknologia. Ensin on selvitettävä, mitkä kasvin mekanismit todella aiheuttavat halutun vasteen. Sen jälkeen vaste pitäisi saada toimimaan viljelykasvin soluissa tai kokonaisissa kasveissa ja osoittaa tehokkaaksi todellisissa maatalousoloissa.

Mitkä esteet ovat vielä edessä?

Genomikartasta kaupalliseen viljelykasviin on pitkä matka:

1. Ratkaisevat geenit on tunnistettava. Vertailugenomi näyttää, missä DNA-jaksot sijaitsevat, mutta tutkijoiden on osoitettava, mitkä geenit tai säätelyalueet aiheuttavat tietyn stressivasteen.
2. Geenien yhteisvaikutukset on ymmärrettävä. Pienen Etelämantereen kasvin hyödyllinen ominaisuus voi perustua useiden geenien ja ympäristösignaalien verkostoon yhden helposti siirrettävän muutoksen sijasta.
3. Viljelykasvien suorituskyky on testattava. Ehdokkaina olevia geenimuutoksia pitäisi tutkia ensin valvotuissa kokeissa ja myöhemmin realistisissa pelto-oloissa. Samalla olisi mitattava satoa, laatua, kasvua ja mahdollisia haittavaikutuksia.
4. Viljelykasvien muokkaukseen liittyvät tekniset rajoitteet on ratkaistava. Geenieditointi ja muutosten vieminen pitkälle jalostettuihin lajikkeisiin voi olla vaikeaa, ja ominaisuuden pitäisi sopia olemassa oleviin jalostusohjelmiin.
5. Kaupallistamisen ehdot on selvitettävä. Sääntely, immateriaalioikeudet, investoinnit, siemenalan käyttöönotto ja viljelijöiden hyväksyntä vaikuttavat kaikki siihen, päätyykö tutkimustulos pelloille.

Keskeinen johtopäätös on siksi maltillinen: Polarix tuotti arvokkaan genomikartan, ei valmista ilmastovarmaa viljelykasvia. Hankkeen välitön hyöty on siinä, että stressinsietomekanismien etsintä voidaan kohdistaa aiempaa tarkemmin. Se, tuottaako tutkimus lopulta kaupallisesti hyödyllisiä maissi-, soija- tai vehnälaatuja, riippuu kokeista ja löydöistä, joita ei ole vielä tehty.