Rauduskoivun genomin selvittäminen on johtanut koivun lajiutumisen kannalta olennaisten geenien tunnistamiseen. Löytö vauhdittaa jatkossa jalostustyötä.

Rauduskoivu on biologian perustutkimuksen kannalta tärkeä laji, sillä sillä on pienehkö genomi, vain 440 miljoonaa emäsparia. Kuusen ja männyn genomin koko on noin 20 miljardia emäsparia. Pieni koko mahdollistaa genomin korkealaatuisen kartoittamisen. Koivu saadaan kukkimaan kasvihuoneessa jo puolen vuoden päästä itämisestään, mikä mahdollistaa nopean genetiikan tutkimuksen.

Helsingin yliopiston ja luonnonvarakeskuksen tekemä rauduskoivun genomin selvitystyö aloitettiin risteyttämällä yksilö koivun referenssigenomia varten. Tämä tehtiin itsepölyttämällä kasvia neljän sukupolven ajan. Tarkoituksena oli alentaa heterotsygotian astetta jolloin genomikoosteesta saadaan korkeampilaatuinen.

Genomi koostettiin niin kutsutulla shot gun- eli satunnaissekvensoinnilla. Genomi pilkottiin lyhyisiin päällekkäisiin paloihin, jotka luettiin tarkasti. Kun päällekkäisiä sekvenssejä on paljon, niiden perusteella voidaan koostaa palapelin tapaan kokonainen genomi.

Genomin koostamisen jälkeen koivusta piti löytää geenejä koodaavat alueet. Tätä varten koivun transkriptomiaa, eli ilmentyviä geenejä, sekvensoitiin useammasta kudosnäytteestä. Tällä tavalla saatiin esille noin 70 prosenttia puun geeneistä. Loput geenit ennustettiin laskennallisesti.

Pullonkaulat vaikuttivat perimään

Genomin koostamisen lisäksi Helsingin yliopiston koivututkijat selvittivät koivupopulaation geneettistä diversiteettiä Euroopassa ja Aasiassa. Näytteitä kerättiin useista paikoista Siperiasta Irlantiin ja näytteiden genomia verrattiin referenssiin. Näin saatiin tietoa koivun historiasta.

Koivupopulaatio on romahtanut neljä kertaa 10-20 miljoonan vuoden aikana. Näinä aikoina puita on ollut hyvin vähän, ja on mahdollista, että puun valkoinen kuori on kehittynyt tällaisen pullonkaulavaiheen seurauksena. Sen sijaan viimeisin jääkausi oli koivulle suotuisa ajanjakso eikä merkittävää pudotusta havaittu, sillä pioneerilaji viihtyi hyvin mannerjäätikön reunoilla. Tänä aikana koivupopulaatio jakautui siperialaiseen ja eurooppalaiseen kantaan.

Lajiutumisgeenit selvitetty

Koivun genomista löytyi alueita, jotka ovat olleet voimakkaan luonnonvalinnan alla. Näyttää siltä, että samat tärkeät geenit ovat olleet tärkeässä roolissa sekä koivun että lituruohon evoluutiossa. Lituruohon orologeja eli lajiutumisen kautta erilaisiksi kehittyneitä geenejä on tutkittu paljon. Koivun noin 28 000 geenistä evoluution kannalta olennaisiksi saatiin rajattua noin tuhatkunta geeniä.

Genomin selvittäminen mahdollistaa jalostustyön nopeutetun genomisen valinnan kautta. Kun jälkeläistön ilmiasun voi ennustaa vanhempien genomin perusteella, voidaan valita tehtävät risteykset jo etukäteen. Aikaisemmin on pitänyt ensin kasvattaa jälkeläisiä ja sen perusteella arvioida, mikä risteytys on jalostuksen kannalta onnistunut.

Genomisen diversiteetin kartoituksen yhteydessä pystyttiin selvittämään myös kyynelkoivun ilmiasun salaisuus. Lajikkeesta löytyi enennaikainen lopetuskodoni geenissä joka säätelee pystyä kasvutapaa. Sama geeni säätelee myös maissin, riisin ja lituruohon kasvua.

Geenitutkimus voi tulevaisuudessa mahdollistaa betuliinin valmistamiseen bioreaktorissa. Kyseinen yhdiste tekee koivun tuohesta valkoisen ja sen lääketieteellisiä sovelluksia tutkitaan. On mahdollista, että betuliinia voitaisiin käyttää syöpälääkkeenä. Yhdisteen eristäminen tuohesta on työlästä. Kun betuliinin biosynteesin reitti tunnetaan, se on mahdollista rakentaa esimerkiksi hiivaan, jolloin yhdistettä voidaan tuottaa mikrobiologisesti.

Juttua varten on haastateltu apulaisprofessori Jarkko Salojärveä Nanyangin teknillisestä yliopistosta

Monimuotoinen koivupuu

Suomessa tavataan kolmea koivulajia: rauduskoivua (Betula pendula), vaivaiskoivua (Betula nana) ja hieskoivua (Betula pubesces). Tunturikoivu (Betula pubesces susp. czerepanovii) on hieskoivun alalaji.

Suurin osa koivujen erikoismuodoista on rauduskoivun muunnelmia. Niihin kuuuvat pirkkalan- (Betula pendula f. bircalensis)  loimaan- (Betula pendula f. crispa)  ja taalainkoivu (Betula pendula ’Dalecarlica’). Myös riippakoivu (Betula pendula f. tristis) ja kyynelkoivu  (Betula pendula ’Youngii’) sekä visakoivu (Betula pendula var. carelica)  ovat rauduskoivuja.

Punakoivu (Betula pubescens f. rubra) on hieskoivun tunnetuin muunnelma.

Koivut voivat lisääntyä suvullisesti siemenestä tai suvuttomasti vesomalla. Hieskoivulla vesominen on rauduskoivua yleisempää. Puumaiset rauduskoivut ovat lähes yksinomaan siemensyntyisiä. Varpumainen vaivaiskoivu lisääntyy tavallisesti suvuttomasti muodostaen vanhasta rangasta uusia versoja.

Koivut, varsinkin vaivaiskoivu ja hieskoivu, risteytyvät luonnossa jonkin verran keskenään. Rauduskoivun ja vaivaiskoivun kromosomistot on diploidisia (2n=28) ja hieskoivu tetraploidinen (4n=56) mutta geenien vaihtoa rauduskoivun ja vaivaiskoivun välillä on havaittu tästä huolimatta.

teksti: Hanna Kaisa Hellsten

Artikkeli on julkaistu Naturan numerossa 4/18