Tasku K nro 17: Geenitekniikka ja muuntogeeniset viljelykasvit

Tasku K nro 17: Geenitekniikka ja muuntogeeniset viljelykasvit

Viimeisten 50 vuoden aikana geenitekniikan ala on kehittynyt nopeasti, koska deoksiribonukleiinihappoa (DNA) on alettu ymmärtää paremmin kemiallisena kaksoiskierteisenä koodina, josta geenit muodostuvat. Termiä geenitekniikka käytetään kuvaamaan prosessia, jossa organismin geneettistä rakennetta voidaan muuttaa ”rekombinantti-DNA-tekniikan” avulla. Tällöin käytetään laboratoriovälineitä, joilla lisätään, muutetaan tai leikataan pois DNA:n paloja, jotka sisältävät yhden tai useamman kiinnostavan geenin.

Kasvinjalostajien perimmäinen tavoite on kehittää kasvilajikkeita, joilla on hyvät agronomiset ominaisuudet. Perinteisessä kasvinjalostuksessa on kuitenkin vain vähän tai ei lainkaan takeita siitä, että miljoonista risteytyksistä saadaan jokin tietty geeniyhdistelmä. Epätoivottuja geenejä voi siirtyä toivottujen geenien mukana; tai vaikka yksi toivottu geeni saadaan, toinen menetetään, koska molempien vanhempien geenit sekoittuvat keskenään ja lajittuvat uudelleen enemmän tai vähemmän satunnaisesti jälkeläisissä. Nämä ongelmat rajoittavat niitä parannuksia, joita kasvinjalostajat voivat saavuttaa.

Geenitekniikka sen sijaan mahdollistaa yhden tai vain muutaman kiinnostavan geenin suoran siirron joko läheisesti tai kaukana sukua olevien organismien välillä halutun agronomisen ominaisuuden saamiseksi (kuva 1). Kaikissa geenitekniikoissa ei käytetä toisista organismeista peräisin olevan DNA:n lisäämistä. Kasveja voidaan muuttaa myös poistamalla tai kytkemällä pois niiden omia tiettyjä geenejä.

Lähde: Agricultural Biotechnology (A Lot More than Just GM Crops). http://www.isaaa.org/resources/publications/agricultural_biotechnology/download/.

Geenit ovat DNA-molekyylejä, jotka koodaavat erillisiä piirteitä tai ominaisuuksia. Esimerkiksi tietty geenisekvenssi on vastuussa kukan väristä tai kasvin kyvystä taistella tauteja vastaan tai menestyä äärimmäisessä ympäristössä.

Luonnon oma geeniteknikko

DNA:n ”jakaminen” elävien olentojen kesken on hyvin dokumentoitu luonnollinen ilmiö. Tuhansien vuosien ajan geenit ovat siirtyneet eliöstä toiseen. Esimerkiksi Agrobacterium tumefaciensilla, maaperän bakteerilla, joka tunnetaan ”luonnon omana geeniteknikkona”, on luonnollinen kyky muokata kasveja geneettisesti. Se aiheuttaa kruunusienitautia monenlaisissa leveälehtisissä kasveissa, kuten omenassa, päärynässä, persikassa, kirsikassa, mantelissa, vadelmassa ja ruusussa. Tauti on saanut nimensä suurista kasvaimen kaltaisista turvotuksista, joita esiintyy tyypillisesti kasvin latvassa, juuri maanpinnan yläpuolella. Periaatteessa bakteeri siirtää osan DNA:sta kasviin, ja tämä DNA integroituu kasvin perimään aiheuttaen kasvainten syntymisen ja siihen liittyvät muutokset kasvin aineenvaihdunnassa.

Geenitekniikan soveltaminen kasvintuotannossa

Geenitekniikkaa käytetään vasta, kun kaikki muut tekniikat on käytetty loppuun, i.eli kun käyttöön otettavaa ominaisuutta ei ole viljelykasvin ituplasmassa, kun ominaisuutta on hyvin vaikea parantaa tavanomaisilla jalostusmenetelmillä ja kun tällaisen ominaisuuden käyttöönotto ja/tai parantaminen viljelykasveissa tavanomaisilla jalostusmenetelmillä kestää hyvin kauan (ks. kuva 2). Geenitekniikan avulla kehitettyjä viljelykasveja kutsutaan yleisesti siirtogeenisiksi viljelykasveiksi tai geneettisesti muunnetuiksi (GM) viljelykasveiksi.

Nykyaikainen kasvinjalostus on monitieteinen ja koordinoitu prosessi, jossa hyödynnetään ja integroidaan lukuisia perinteisten jalostustekniikoiden, bioinformatiikan, molekyyligenetiikan, molekyylibiologian ja geenitekniikan välineitä ja elementtejä.

Transgeenisten viljelykasvien kehittäminen

Vaikka geenitekniikkaan liittyy monia erilaisia ja monimutkaisia tekniikoita, sen perusperiaatteet ovat kohtuullisen yksinkertaiset. Geenitekniikalla muunnetun viljelykasvin kehittämisessä on viisi päävaihetta. Jokaista vaihetta varten on kuitenkin erittäin tärkeää tuntea biokemialliset ja fysiologiset vaikutusmekanismit, geeniekspression säätely sekä hyödynnettävän geenin ja geenituotteen turvallisuus. Jopa ennen kuin muuntogeeninen viljelykasvi saatetaan kaupalliseen käyttöön, sen on läpäistävä tiukat turvallisuus- ja riskinarviointimenettelyt.

Ensimmäinen vaihe on DNA:n erottaminen organismista, jolla tiedetään olevan kiinnostava ominaisuus. Toinen vaihe on geenin kloonaus, jossa kiinnostava geeni eristetään koko uutetusta DNA:sta, minkä jälkeen kloonattu geeni massatuotetaan isäntäsolussa. Kun kloonattu geeni on kloonattu, se suunnitellaan ja pakataan siten, että sitä voidaan valvoa ja se voidaan ilmentää asianmukaisesti isäntäkasvin sisällä. Muokattua geeniä tuotetaan sitten massatuotantona isäntäsolussa, jotta siitä saadaan tuhansia kopioita. Kun geenipaketti on valmis, se voidaan viedä muunnettavan kasvin soluihin transformaatioksi kutsutun prosessin avulla. Yleisimpiä menetelmiä, joita käytetään geenipaketin tuomiseksi kasvisoluihin, ovat biologinen transformaatio (geenipistoolin avulla) tai Agrobacterium-välitteinen transformaatio. Kun lisätty geeni on vakaa, periytyy ja ilmentyy seuraavissa sukupolvissa, kasvia pidetään siirtogeenisenä. Takaisinristeytysjalostus on viimeinen vaihe geenitekniikan prosessissa, jossa siirtogeeninen kasvi risteytetään lajikkeen kanssa, jolla on tärkeitä agronomisia ominaisuuksia, ja valitaan, jotta saadaan korkealaatuisia kasveja, jotka ilmentävät lisättyä geeniä halutulla tavalla.

Transgeenisen kasvin kehittämiseen kuluva aika riippuu geenistä, kasvilajista, käytettävissä olevista resursseista ja sääntelyn hyväksymisestä. Voi kestää 6-15 vuotta ennen kuin uusi siirtogeeninen hybridi on valmis kaupalliseen levitykseen.

Kaupallisesti saatavilla olevat geenitekniikan avulla parannetut viljelykasvit

Transgeenisiä viljelykasveja on istutettu eri maissa kahdenkymmenen vuoden ajan vuodesta 1996 alkaen. Vuonna 2018 istutettiin noin 191,7 miljoonaa hehtaaria siirtogeenisiä viljelykasveja, joilla on suuri markkina-arvo, kuten rikkakasvien torjunta-aineita sietäviä soijapapuja, maissia, puuvillaa ja rapsia, hyönteiskestäviä maissia, puuvillaa, perunaa ja riisiä sekä viruksia kestäviä kurpitsaa ja papaijaa. Geenitekniikan avulla kasviin voidaan sisällyttää tai pinota useampi kuin yksi ominaisuus. Kaupallisesti on saatavilla myös siirtogeenisiä viljelykasveja, joissa on yhdistettyjä ominaisuuksia. Näitä ovat rikkakasvien torjunta-aineita sietävä ja hyönteisille vastustuskykyinen maissi, soija ja puuvilla.

Uudet ja tulevat aloitteet kasvien geenitekniikan alalla

Kaupalliset muuntogeeniset viljelykasvit ovat tähän mennessä tuottaneet hyötyjä kasvinviljelyyn, mutta valmisteilla on myös useita tuotteita, jotka vaikuttavat suoremmin elintarvikkeiden laatuun, ympäristöhyötyihin, lääketuotantoon ja muihin kuin elintarvikekasveihin. Esimerkkejä näistä tuotteista ovat muun muassa: biotekninen triple stack -biotekninen riisi, joka antaa paremman sadon abioottisen stressin keskellä, biotekninen kastanjapuu, joka on vastustuskykyinen kastanjaruttoa vastaan, biotekninen sitrushedelmien viherryttämiselle vastustuskykyinen sitrushedelmä, peruna, jota on rikastettu beetakaroteenilla, biologisesti täydennetty durra, bakteerikääpäälle vastustuskykyinen bakteerikäävän (Xanthomonas-käävän) aiheuttamaa kuihtumista vastaan vastustuskykyinen banaani, banaanin vastustuskykyinen bunchy-top-virusta vastaan vastustuskykyinen banaani, hyönteisiä vastaan vastustuskykyinen vehnä, ja monet muut. 2003. Future Developments in Crop Biotechnology. Issue Paper 6. http://cms.daegu.ac.kr/sgpark/life&chemistry/future.pdf.

DANIDA. 2002. Assessment of Potentials and Constraints for Development and Use of Plant Biotechnology in Relation to Plant Breeding and Crop Production in Developing Countries (Arvio kasvibiotekniikan kehittämisen ja käytön mahdollisuuksista ja rajoituksista suhteessa kasvinjalostukseen ja kasvintuotantoon kehitysmaissa). Ulkoasiainministeriö, Tanska.

Desmond, S. ja T. Nicholl. 1994. An Introduction to Genetic Engineering. Cambridge University Press.

Giddings, G., G. Allison, D. Brooks ja A. Carter. 2000. Siirtogeeniset kasvit biolääkkeiden tehtaina. Nature Biotechnology 18: 1151-1155.

Goto, F., R. Yoshihara, N. Shigemoto, S. Toki ja F. Takaiwa. 1999. Riisin siementen raudan vahvistaminen soijapavun ferritiinigeenin avulla. Nature Biotechnology 17: 282-286.

ISAAA. 2018. Global Status of Commercialized Biotech/GM Crops: 2018. ISAAA Brief No. 54. ISAAA: Ithaca, NY.

Lopez-Bucio, J., O. M. de la Vega, A. Guevara-Garcia ja L. Herera-Estrella. 2000. Fosforin tehostunut hyväksikäyttö siirtogeenisissä tupakkakasveissa, jotka tuottavat liikaa sitraattia. Nature Biotechnology 18: 450-453.

Robinson, C. 2001. Geenimuunteluteknologia ja elintarvikkeet: Consumer Health and Safety (Kuluttajien terveys ja turvallisuus). ILSI Europe Concise Monograph Series. http://www.ilsi.org/Europe/Publications/C2002Gen_Mod.pdf.

University of Nebraska – Lincoln. 2015. Overview of Crops Genetic Engineering. http://passel.unl.edu/pages/informationmodule.php?
idinformationmodule=957879329&topicorder=8&maxto=9.

Ye, X., S. Al-Babili, A. Kloti, J. Zhang, P. Lucca ja I. Potrykus. 2000. Provitamiini A:n (b-karoteeni) biosynteesireitin muuntaminen (karotenoidittomaan) riisin endospermiin. Science 287(5451): 303-305..

*Päivitetty maaliskuussa 2020

.