maanantai 2. joulukuuta 2013

Harvinaisia havupuita ja muita tutkittuja juttuja


Uhkaavasti lähestyvän joulukuusien kauden kunniaksi tämän kuukauden Viidakkokirjeiden tiedeuutiset on omistettu havupuille, noille esihistoriallisille kummajaisille, joita suomalaisena tulee helposti pitäneeksi itsestäänselvyytenä. Tarkennetaanpa vielä vähän: nyt puhutaan havupuiden genetiikasta.

Tässä kuussa ihmetellään havupuiden genomin hidasta evoluutiota, Tyynenmeren saarten podokarpusten suojelutoimia ja maailman suurinta genomia, joka sattuu kuulumaan joulukuuselle.


Joulukuusi ei turhia hätiköi

Kukkakasvien evoluutiota ja genetiikkaa on tutkittu yksityiskohtaisesti, mutta siemenkasvien sukupuun toinen tärkeä päähaara, havupuut, on jäänyt pitkälti huomiotta. Yhtenä syynä niiden genetiikan huonoon tuntemukseen on se, että havupuiden genomit ovat lannistavan suuria: esimerkiksi mäntyjen genomit ovat suurimpien ylipäätään tunnettujen joukossa.

Kanadan Metsähallituksen ja Lavalin yliopiston tutkijat ottivat kuitenkin härkää sarvista. He kartoittivat pohjoisamerikkalaisten kuusien genomeja ja vertailivat niitä sekä mäntyihin että kukkakasveihin kartoittaakseen, kuinka havupuiden evoluutio on edennyt niiden 300 miljoonan vuoden historian aikana.

Kävi ilmi, ettei se ole juuri edennyt. Yli 300 miljoonaa vuotta sitten eläneiden kukkakasvien ja havupuiden yhteisten esi-isien evoluutio oli nopeaa ja uusia geenejä syntyi duplikaatioiden myötä vauhdilla. Kun nämä kaksi suurta sukupuun haaraa erosivat toisistaan, kukkakasvien evoluutio jatkui kiivaana (ja jatkuu yhä), mutta havupuut näköjään päättivät olevansa valmiita.

Tutkijat yhdistävät havupuiden genomin hitaan evoluution niiden muihin erityisominaisuuksiin. Ne muuttuvat hitaasti myös ulkoisesti, ja uusia lajeja syntyy harvakseltaan. Siinä, missä havupuita on kuutisensataa lajia, jotka kaikki muistuttavat melko lailla toisiaan, kukkakasvit ovat samassa ajassa saaneet aikaiseksi lähes puoli miljoonaa lajia, kivikukista kämmeköihin ja papaijasta vehnään.

Joulukuusi onkin varsinainen muisto menneestä maailmasta: se ei ole käytännössä muuttunut sitten dinosaurusten ajan, ei sisältä eikä ulkoa.

Alkuperäinen tutkimusartikkeli: N. Pavy ym. (2012) A spruce gene map infers ancient plant genome resuffling and subsequent slow evolution in the gymnosperm lineage leading to extant conifers. BMC Biology.

Eteläamerikkalainen Podocarpus nubigenus luokitellaan vaarantuneeksi. Sitä on lähes mahdotonta erottaa uusiseelantilaisesta P. totara-lajista. Kuva: Lin Linao/Wikipedia.

Viivakoodeja harvinaisille havupuille

Harvinaisten kasvien suojelu on hankalaa, jos niitä ei ensiksi luotettavasti erota toisistaan. Eteläisellä pallonpuoliskolla kasvavien podokarpusten suojelua tämä ongelma on vaivannut jo pitkään. Lajeista useimmat ovat uhanalaisia, mutta ne ovat keskenään hyvin samannäköisiä, eivätkä edes tutkijat ole aina varmoja, minkä lajin kanssa ovat tekemisissä.

DNA-viivakoodit ovat näppärä ratkaisu tunnistusongelmaan. Saksalaistutkijat keräsivät näytteitä 145 eri podokarpuslajista (joita on olemassa kaikkiaan vajaat parisataa) ja eristivät niistä tarkkaan valittuja DNA-jaksoja, joiden avulla lajit voi luotettavasti erottaa toisistaan. Tällaisten viivakoodien lukeminen on nopeaa ja halpaa. Niitä voidaan käyttää myös kasveista tehtyjen tuotteiden, kuten laittomasti kaadetun puutavaran tunnistamiseen.

Havupuihin kuuluvat podokarpukset ovat kotonaan päiväntasaajan eteläpuolella: erityisen tavallisia ne ovat Uudessa-Kaledoniassa, Tasmaniassa, Uudessa-Seelannissa ja Tyynenmeren pikkusaarilla. Siinä, missä meikäläiset männyt ja kuuset kasvavat valtavina metsinä, podokarpukset esiintyvät harvakseltaan ja pienillä alueilla. Ihmisvaikutus, kuten metsien hävitys ja harvinaisuuksien keräily kasvitieteellisiin kokoelmiin ovat vielä entisestään pienentäneet näiden erikoislaatuisten puiden elinaluetta. Esimerkiksi erästä Fijillä kasvavaa lajia on jäljellä enää kymmenkunta puuta.

DNA-viivakoodien lisäksi saksalainen tutkimusryhmä on kerännyt myös eläviä näytteitä podokarpuksista Bochumissa sijaitsevaan Ruhrin yliopiston kasvitieteelliseen puutarhaan. Puita on tarkoitus kasvattaa ja välittää edelleen muiden kasvitieteellisten puutarhojen kokoelmiin. Nämä kasvit ovat tärkeä henkivakuutus siltä varalta, että lajien luonnossa kasvaville edustajille sattuu jotain.

Alkuperäinen tutkimusartikkeli: D. Little, P. Knopf & C. Schulz (2013) DNA barcode identification of Podocarpaceae - the second largest conifer family. PLoS ONE.
ScienceDailyn uutinen aiheesta: Barcodes for Trees.

Maailman suurin genomi

Kotimaisen kuusemme (Picea abies) genomi on nyt sekvensoitu kokonaan. Se osoittautui massiivisimmaksi tähän saakka selvitetyksi genomiksi: joulukuusella on kussakin solussaan seitsemän kertaa enemmän DNA:ta kuin ihmisellä ja yli sata kertaa enemmän kuin kasvien genetiikan mallilajina toimivalla lituruoholla.

Käytössä olevia geenejä kuusella näyttää olevan suunnilleen saman verran kuin lituruoholla, joten mistä satakertainen määrä DNA:ta? Useimmilla kasveilla suunnattoman suuret genomit syntyvät koko genomin kaksinkertaistumisista. Polyploidisilla kasveilla voi olla nelin- tai vaikka kahdeksankertainen genomi, jonka avulla ne usein kasvavat suuremmiksi tai sietävät paremmin äärioloja kuin tavalliset sukulaisensa.

Kuuset eivät kuitenkaan harrasta polyploidiaa: niillä on kutakin geeniä vain kaksi kopiota, kuten ihmisilläkin. Sen sijaan ne näyttävät havupuiden pitkän historian aikana keränneen genomiinsa hitaasti, mutta tasaisesti lisää toistojaksoja. Toistojaksot ovat lyhyitä DNA-pätkiä, jotka eivät varsinaisesti tee mitään, mutteivät näytä olevan erityisen haitallisiakaan. Niitä saattaa kertyä peräkkäin satoja tai tuhansia keskenään identtisiä jaksoja pienten DNA:n kopiointivirheiden myötä. Toistojaksoja on kaikilla eliöillä, mutta kuuselle niitä on kertynyt paljon enemmän kuin useimmille.

Kuusen genomin valtava koko ja toistuva rakenne tekivät sen sekvensoinnista melkoisen haasteen tutkijoille. Tutkimusryhmän johtaja Stefan Jansson kuvailee urakan kokoa näin: "Kuvittele kirjasto, jossa on kymmenen tuhatta Raamatun kokoista kirjaa kirjoitettuna kielellä, jossa on vain neljä kirjainta. Joku painattaa sata identtistä kopiota kustakin kirjasta, vetää ne läpi paperisilppurista ja sekoittaa kaikki syntyvät paperinsuikaleet. Sitten sinua pyydetään kokoamaan tarkka kopio kustakin kirjasta."

Monikymmenhenkinen, enimmäkseen ruotsalainen tutkimusryhmä joutuikin kirjoittamaan uudelleen osan genomin kasaamiseen käytetyistä tietokoneohjelmista, jotta ne kykenivät pureskelemaan kuusen genomin kokoisen palapelin. Urakka raivaa tietä monenlaisille tulevaisuuden sovelluksille: kerran kehitetyn menetelmän avulla voidaan selvittää muitakin hankalia genomeja ja uutta tietoa kuusesta itsestään voidaan käyttää metsätalouden tarpeisiin.

Alkuperäinen tutkimusartikkeli: B. Nystedt ym. (2013) The Norway spruce genome sequence and conifer genome evolution. Nature.
ScienceDailyn uutinen: Norway Spruce Genome Sequenced.

Ei kommentteja:

Lähetä kommentti

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...