Terveys, tiede ja tulevaisuus Biotekniikka ruoan tuotannossa Jari Valkonen Kasvit ovat keskeisessä asemessa ruoantuotannossa, sillä ne sitovat auringon energiaa muille eliöille käyttökelpoiseen, orgaaniseen muotoon. Ne tuottavat myös maapallolla tarvittavan hapen. Biotekniikka on biologisen tutkimuksen tärkeä työkalu. Kasvuun, stressinsietoon ja taudinkestävyyteen kohdistuva tutkimus auttaa parantamaan tuotantoeliöiden terveyttä ja tuottavuutta viljely- ja hoitotoimia täsmentäen. Kasvien genomitutkimuksesta saatavaa tietoa tulisi soveltaa määrätietoisesti biotekniikan keinoin. Kuivuus, käyttökelpoisen veden puute sekä kasvitautien ja tuholaisten aiheuttamat sadonmenetykset ovat ruoan tuotannon merkittävimmät riskitekijät. Sadon laatua ja määrää, satovarmuutta sekä tuotteiden terveellisyyttä ei voida lisätä riittävästi eikä tuotannosta aiheutuvaa ympäristökuormitusta samanaikaisesti vähentää, ellei kasvien ominaisuuksiinkin vaikuteta käytettävissä olevin keinoin. Biotekniikka tarjoaa uusia ratkaisuja, joissa hyödynnetään kasvien omia geenejä. I hmisten terveyden perustan muodostaa riittävä, hyvälaatuinen ravinto. Mutta onko ruoan saatavuus Suomessa varmaa? Entä onko ruoan laatu turvattu? Ruoan saatavuuteen ja laatuun liittyvät ongelmat ovat maailmanlaajuisia. Seuraavien 50 vuoden aikana viljantuotantoa arvioidaan voitavan lisätä noin puolella nykyisestä ja lihantuotanto kaksinkertaistaa. Tarve viedä viljaa kehitysmaihin kuitenkin kolminkertaistuu samassa ajassa väestönkasvun takia. Sen lisäksi osa kehitysmaista muuttuu ilmastonmuutoksen myötä ruoan tuotannon kannalta entistä epäsuotuisammaksi alueeksi (Rosegrant ja Cline 2003). YK:n tavoitteena oli poistaa nälkä maailmasta vuoteen 2000 mennessä, mutta siihen pääseminen ei näytä helpolta vielä seuraavienkaan 50 vuoden aikana. Maailman nälkäongelman aiheuttajana pidetään usein poliittisia eikä biologisia syitä. Siitä huolimatta kehitysmaiden nälkäongelman ratkaisu ja ruoantuotannon turvaaminen teollisuusmaissa eivät ole mahdollisia seuraavien sukupolvien aikana, ellei myös biologian keinoja käytetä täysimääräisesti hyväksi. Biologisten perusilmiöiden tieteellistä tutkimusta on lisättävä ja hyödynnettävä ruoan tuotannossa. Helsingin yliopisto, Suomalainen Lääkäriseura Duodecim ja Suomen Akatemia järjestivät 27. 28.10.2003 Biomedicumissa seminaarin Terveys, tiede ja tulevaisuus.tämän seminaarin esitelmät julkaistaan sarjana Aikakauskirja Duodecimissa. Duodecim 2004;120:927 34 927
Tässä artikkelissa kuvataan ruoan tuotannon rajoituksia ja riskitekijöitä sekä biotekniikan mahdollisuuksia ongelmien ratkaisemisessa. Mikrobit, planktonit ja levät ovat erittäin tärkeitä ravintoketjun alkupäässä, mutta tämän esityksen kohteena ovat kasvit, joihin elämä maapallolla perustuu. Onko omavaraisuus elintarvikkeiden tuotannossa mahdollinen? Elintarvikkeiden tuotanto, ruokahuolto, talouspoliittiset päätökset ja maailmankauppa ovat kietoutuneet toisiinsa. Monet maat ovat luopuneet omavaraisuudesta elintarvikkeiden tuotannossa ja perustavat elintarvikehuoltonsa tuontiin silläkin uhalla, että elintarvikekriisit aiheuttavat yhteiskunnallista epävakautta. Nettoviejien kuten Yhdysvaltojen kansantalous joutuu puolestaan vaikeuksiin, jos sen tuottamat elintarvikkeiden raaka-aineet eivät kelpaa kauppakumppaneille. Maassamme saavutettiin omavaraisuus leipäviljan suhteen vasta 1960-luvulle tultaessa. Siitä lähtien on pyritty säilyttämään omavaraisuus tärkeimpien peruselintarvikkeiden tuotannossa, sillä EU:llakaan ei ole varmuusvarastoja kriisien varalta. EU:n niin sanotut interventiovarastot palvelevat ainoastaan kauppapoliittisia tarkoitusperiä (Pöntinen 2003). Suomen omavaraisuus elintarvikkeiden tuotannossa on kuitenkin näennäistä, sillä laitteiden ja koneiden tarvitsema energia, lannoitteet ja monet muut tuotantopanokset perustuvat paljolti tuontiin ja uusiutumattomiin luonnonvaroihin. Ammattitaito on kuitenkin kotimaista ja paikallisiin olosuhteisiin sovitettua, mikä ei ole vähämerkityksinen tai itsestään selvä asia (Lindstedt 2003). Maataloustuotanto on aina sidoksissa paikalliseen ilmastoon ja olosuhteisiin, joiden tuntemus on yksi menestyksen kulmakivistä. Osa taitotiedosta kulkee sukupolvelta toiselle eikä sitä ole kirjattu mihinkään. Maatilayrityksen pitoon tarvittavat taidot katosivat Virosta lähes kokonaan kahden sukupolven aikana, kun yksityismaataloutta ei harjoitettu. Afrikassa puolestaan on laajoja alueita, joilla lähes kaikki viljelyä ja ruoantuotantoa taitava aikuisväestö on kuollut AIDSiin ja taitotiedon siirtoketju katkennut. Onko ihminen uhka ruoan tuotannolle? Elintarvikkeiden saatavuuteen liittyvät uhat ovat suurelta osin ihmisen itsensä aiheuttamia. Uhkina pidetään mm. edellä mainittua riippuvuutta tukienergiasta (uusiutumattomat lähteet), tuotannon kemikalisoitumista sekä maaperän ja vesistöjen saastumista ruoan tuotantoon kelpaamattomiksi laajoilla alueille radioaktiivisen laskeuman vuoksi. Toisaalta maatalous itsekin aiheuttaa huonosti hoidettuna uhkia ympäristölleen. Pyrkimyksenä onkin, ettei ruoan tuotannolla olisi ympäristövaikutuksia. Vaikutuksien tulisi rajoittua peltoon ja elintarvikkeiden jatkojalostuslaitoksiin. On toimittava siten, että mahdollisuudet jatkaa tuotantoa pysyvät turvattuina. Taudit ja tuhoeläimet verottavat kolmanneksen viljelykasvien tuottamasta hyödyllisestä biomassasta (Valkonen ym. 1999). Syynä on tuotantoympäristön biologisen monimuotoisuuden kaventuminen, joka heikentää suojaa ulkopuolisia häiriötekijöitä vastaan. Tasalaatuista satoa ei saada ilman perinnöllisesti yhtenäistä yhden kasvilajikkeen kasvustoa, mutta juuri sellainen on erityisen altis laajoille tautiepidemioille. Luonnon kasvipopulaatioissa esiintyy lähes poikkeuksetta perinnöllistä vaihtelua yksilöiden välillä, jolloin taudinkestävyyskin vaihtelee. Se estää tauti- ja tuholaisepidemioiden kehittymistä (Valkonen ym. 1999). Kehitysmaissa köyhyys estää viljelijöitä käyttämästä kasvinsuojelun keinoja, joita teollisuusmaiden viljelijät käyttävät kustannus-hyötysuhteen rajoissa. Toisaalta eri kasvien sekaviljely kehitysmaissa lisää viljelmän biologista monimuotoisuutta, mikä voi osaltaan ehkäistä tuhoja. Tehoton viljely johtaa kuitenkin heikkoon satoon, laajemman viljelyalan tarpeeseen ja luonnon haaskaamiseen. Ruoan tuotantoa uhkaavia taudinaiheuttajia ja tuholaisia leviää kansainvälisen kaupan välityksellä, vaikka leviäminen pyritään estämään kasvien, eläinten ja raaka-aineiden tarkastuksilla. EU:n sisäisessä viennissä tarkastus tehdään vain lähtömaassa, joten Suomen kannalta tilan- 928 J. Valkonen
CO 2 + 2H 2 O CH 2 O + H 2 O + O 2 Kuva 1. Yhteyttäminen eli fotosynteesi tapahtuu kasvin viherhiukkasten tylakoidikalvostossa. Yksi hiilidioksidimolekyyli (CO 2 ) ja kaksi vesimolekyyliä (H 2 O) reagoivat auringon säteilyenergian voimin muodostaen yhden hiilihydraattimolekyylin (CH 2 O) ja vapauttaen yhden molekyylin vettä ja happea (O 2 ). Reaktio vaatii 4,8 x 10 5 J energiaa kutakin hiilihydraattimolekyyliä kohti. Myös saniaiset ja sammalet sekä merien viherlevät ja syanobakteerit yhteyttävät. Joka sekunti maapallolla noin kuusi miljoonaa kilogrammaa hiiltä sitoutuu hiilihydraatiksi fotosynteesissä. ne huonontui EU:iin liittymisen seurauksena. Syrjäinen alueemme oli aiemmin suojattavissa rajalla tehtävin tuontitarkastuksin. Onneksi luonnonolosuhteemme ovat liian karut monille uhkaajille. Yhdysvalloissa on alettu pitää suurena uhkana maataloustuotantoon kohdistuvaa bioterrorismia. Kasvintuotanto ja kotieläintalous saatettaisiin lamauttaa levittämällä kasveille tai eläimille vaarallisia taudinaiheuttajia tai saastuttamalla elintarvikkeiden tuotantoketju ihmisille vaarallisilla taudinaiheuttajilla. Vuoden 2004 budjettiin on varattu Homeland Security -ohjelmalle 30,4 miljardia dollaria, josta 80 miljoonaa dollaria on tarkoitettu sellaiseen tutkimukseen ja teknologian kehittämiseen, jolla voitaisiin suojata maataloutta ja ihmisen terveyttä bioterrorismilta ( www.whitehouse.gov/homeland/ ). Arvaamaton ilmastonmuutos Ilmastonmuutos on maapallon ilmakehälle ominainen jatkuva prosessi, jota ihminen on kiihdyttänyt (Chappell 1998). Usein huomio kohdistuu ilman lämpötilan ja sademäärien muutoksiin, vaikka myös vaikutukset merien ja vesistöjen lämpötiloihin voivat olla hyvinkin merkitseviä ruoan tuotannon kannalta (Finney ym. 2002). Suuri määrä energiaa muuttuu ihmisravinnoksi kelpaavaan muotoon merien ja muiden vesistöjen ravintoketjuissa ja kerätään kalastuksella. Ilmastonmuutoksen vaikutuksista seuraavien 100 vuoden aikana on esitetty monenlaisia ennusteita. Pohjolan ilmaston osalta on otaksuttu, että vuotuinen keskilämpötila kohoaisi 3 4 C ja sademäärä lisääntyisi 130 150 mm (Leek 2002). Tämä muuttaisi viljelyolot Itämeren eteläpuolisten alueiden nykyisiä olosuhteita vastaaviksi. Viljelyksien kastelu on suurin yksittäinen makeaa vettä kuluttava tekijä maapallolla (Rosengrant ja Cline 2003) ja kuivuus suurin uhka ruoan tuotannolle (Simon Moffat 2002), joten Pohjola olisi ekologiselta kannalta varsin suotuisaa viljelyaluetta. Jo nykyisinkin sadanta on Suomessa haihduntaa suurempi (Mukula ja Rantanen 1987), joten makean veden saanti ei ole uhanalainen. Lisääntyvä kuivuus ja kuumuus heikentänevät kasvintuotannon edellytyksiä entisestään Saharan eteläpuolisessa Afrikassa, ja nämä ongelmat voivat kohdata myös Välimeren aluetta. Puhtaan makean veden puute koettelee jo Aasiaa. Kuivuus ja käyttökelpoisen veden puute muodostunevatkin ruoan tuotantoa ja ihmisten elämää pahoin rajoittaviksi ongelmiksi tiheästi asutetuissa maapallon osissa (Rosengrant ja Cline 2003). Kasvit avainasemassa Elämän perusedellytyksiä maapallolla ovat vesi, jossa biologiset reaktiot tapahtuvat, ja auringon lämpöenergia. Kasvien kyky ottaa ravinteita mineraaleina ja yhteyttää auringon säteilyenergia orgaaniseen, muille eliöille käyttökelpoiseen muotoon luo perustan ihmisen elämälle. Fotosynteesiksi nimetyssä reaktiossa syntyy myös tarvitsemamme happi (kuva 1). Biotekniikka ruoan tuotannossa 929
Osa luonnonkasveista on ihmiselle käyttökelpoisia sellaisenaan, mutta monet ovat myrkyllisiä. Käyttämällä kasvissyöjäeläimistä saatavia elintarvikkeita voimme hyödyntää epäsuorasti sellaisiakin kasvilajeja ja kasvinosia, jotka eivät sellaisenaan kelpaa ravinnoksemme. Lisäksi eläintuotteiden käyttö tasapainottaa välttämättömien aminohappojen saannin ravinnosta. Viljelykasveille on ominaista satoisuus. Niistä on valinnan ja jalostuksen avulla tuotettu lajikkeita, joissa mahdollisimman suuri osuus yhteyttämisen sitomasta energiasta varastoituu hyödynnettävään muotoon jyviksi, mukuloiksi, lehdiksi jne. Samalla myrkkyjen pitoisuutta on saatu pienennetyksi, tosin usein tuholaiskestävyyden kustannuksella. Yhteyttämisen hyötysuhde on suurimmillaan tietyssä kullekin kasvilajille ominaisessa lämpötilassa. Poikkeamat suuntaan tai toiseen aiheuttavat stressiä kasville. Lämpötilan kohoaminen kiihdyttää hengitystä, jolloin yhteytyksessä syntyvä energia menee hukkaan ja kasvu tyrehtyy. Esimerkiksi perunalle, ohralle ja kauralle Suomen kesän viileät kasvuolot ja runsas valo sopivat erinomaisesti. Haittana puolestaan on äkkinäisesti esiintyvä halla, joka on tuhoisa esimerkiksi perunalle. Jäätymisessä vesi pakenee soluista soluväleihin ja muodostaa solukkoa rikkovia kiteitä. Tämän välttämiseksi pohjoisiin oloihin sopeutuneet monivuotiset kasvit pystyvät päivän lyhetessä muuttamaan solunesteen koostumusta ja sietämään lopulta kovaakin pakkasta (Valkonen ym. 1999). Alueilla, joilla viljelymaata joudutaan kastelemaan runsaan haihdunnan tai maan heikon hikevyyden (pohjaveden vähäisen saannin) takia, suolojen rikastuminen maan pintakerroksiin muodostuu ongelmaksi. Maaveden suurentunut suolapitoisuus estää juuria saamasta vettä, kun juuren solujen sisältämän nesteen ja maaveden osmolaarinen potentiaaliero tasoittuu. Kasvi kärsii tällöin kuivuutta kastelusta huolimatta. Itse asiassa jäätyminen, kasteluveden suolaisuus ja suoranainen veden puute aiheuttavat kaikki samanlaista kuivuusstressiä, jota kasvit sietävät samojen geenituotteidensa avulla (Simon Moffat 2002). Kilpailu kasvien energiasta Kasvien energiasta vallitsee ankara kilpailu. Ihmisen lisäksi osansa kasviravinnosta ovat ottamassa mikrobit ja eläimet. Satotappiot voivat olla myös laadullisia. Niitä ovat tuotteen pilaantunut ulkonäkö tai esimerkiksi homesienten kasvituotteisiin erittämät ihmiselle ja eläimille vaaralliset myrkyt, kuten torajyvien ergotamiini ja Fusarium-homeiden toksiinit viljassa tai aflatoksiini maapähkinöissä (Valkonen ym. 1999). Kasvien taudinaiheuttajat eivät tartu ihmiseen. Sen sijaan eräät ihmisen taudinaiheuttajat pystyvät lisääntymään kasveissa, jos nämä saastuvat vaikkapa likaisen kasteluveden välityksellä (Duffy 2003). Rikkakasvit kilpailevat viljelykasvien kanssa ravinteista ja kasvutilasta sekä pilaavat laatua sekoittuessaan satoon korjuun yhteydessä. Esimerkkiksi kaalikasveihin (Brassica) kuuluvien rikkakasvien siemenet sekoittuvat puinnin yhteydessä niille sukua olevien rypsin ja rapsin siemeniin ja tekevät puristeöljyn laadultaan kelvottomaksi (McMullan ym. 1994). Kasvintuhoojien torjuntaan ryhdytään vain, jos se kannattaa taloudellisesti tai tuotteiden terveellisyys on vaarassa. Torjuntatyön, laitteiden ja torjuntaan mahdollisesti tarvittavien kemikaalien aiheuttamat lisäkustannukset suhteutetaan odotettavissa olevaan taloudelliseen hyötyyn. Torjuntatoimia haluttaisiin tietenkin välttää ja painottaa ehkäisevää torjuntaa. Virus- ja bakteeritartuntoja sekä maassa leviäviä taudinaiheuttajia ja tuholaisia ei voikaan pysäyttää pellolla erityisillä torjuntatoimilla tai -aineilla. On käytettävä tauditonta siementä ja kestäviä lajikkeita sikäli kuin niitä on saatavilla (kuva 2). Torjunta-aineiden viljelijälle tai kuluttajalle aiheuttamat terveysriskit puoltavat nekin muiden torjuntakeinojen käyttöä. Kehitysmaissa nämä ongelmat korostuvat (Ingvarsson 2003). Kasvien oma kestävyys tauteja ja tuholaisia vastaan olisi paras ratkaisu. Kasvien»hardware» ja»software» Molekyylitason kasvibiologinen tieto on syventynyt nopeasti genomitutkimuksen ansiosta. 930 J. Valkonen
Kuva 2. Virukset ovat erityinen ongelma suvuttomasti lisättävissä kasveissa, kuten perunassa, jota kloonataan mukuloista. Perunan Y-viruksen tartuttamasta siemenmukalasta (vas.) saadaan vain kitukasvuisia versoja verrattuna sertifioituun, viruksettomaan siemenmukulaan (oik.). (Kuva: J. Valkonen) Genomitutkimus tähtää perimän rakenteen ja toiminnan selvittämisen, ja lopullisena päämääränä on näiden yhteyden ymmärtäminen. Genomin emäsjärjestyksen määrittämisellä selvitetään geenien määrä ja keskinäinen fyysinen sijainti perintöaineksessa. Emäsjärjestyksestä ennustetaan geenien tuottamien valkuaisaineiden toimintoja. Genomiikalla puolestaan tarkoitetaan perimän toiminnan tutkimista kokonaisuutena lähtien geenien lukutuotteista (transkriptomi) ja proteiinien tuotannosta (proteomiikka) ja päätyen aineenvaihdunnan tutkimiseen (metabolomiikka). Nykyisen käsityksen mukaan useimmissa kasveissa kuten ihmisessäkin on noin 30 000 geeniä. Eri kasvilajien ja -heimojen geenit ovat pikälti samoja (Shimamoto ja Kyozuka 2002, Nishyama ym. 2003). Niistä koostuu kasvin»hardware», kuten kasvien kuivuusstressin bioteknisen tutkimuksen uranuurtaja, yhdysvaltalainen Hans Bohnert, on kuvaillut. Kuitenkin kasvit poikkeavat toisistaan monin tavoin ilmiasultaan ja muilta ominaisuuksiltaan, mikä perustuu eroihin geenien toiminnan säätelyssä. Toisin sanoen kullakin kasvilajilla on sille ominainen»software» (Simon Moffat 2002). Tietotekniikasta tuttua kasvigenetiikkaan sovellettua käsiteparia havainnollistaa muutama esimerkki, jotka konkretisoivat samalla biotekniikan sovellettavuutta kasvien muuntamiseen. Kasvitautien ja tuholaisten torjunnassa on kasvin oma kestävyys aina paras, taloudellisin, tehokkain ja ympäristöä säästävä vaihtoehto. Monet kestävyysgeenit tunnistavat ainoastaan yhden taudinaiheuttajan mutta laukaisevat silti tehokkaasti kasvin koko puolustusvastearsenaalin (kuva 3). Kestävyysgeenien paikannus viljelykasvien kromosomeissa tuottaa geenimerkkejä, joiden käyttö nopeuttaa kestävien yksilöiden seulontaa lajikkeita jalostettaessa (Gebhardt ja Valkonen 2001). Paikannuksesta voidaan jatkaa geenin eristämiseen, jotta geenin siirto taudille alttiiseen lajikkeeseen voitaisiin tehdä nopeasti geenitekniikan menetelmin (Slater ym. 2003). Yli 40 kestävyysgeeniä on jo eristetty. On kuitenkin havaittu, että kestävyysgeenit toimivat odotetulla tavalla vain saman kasvilajin yksilöissä (esim. eri lajikkeissa) tai siirrettäessä ne lähisukuiseen kasviin, kuten perunasta tomaattiin. Toimintaa rajoittaa kasvilajien erilainen»software», jolla kestävyysgeenit signaloivat puolustusvasteiden käynnistämisen (kuva 3). Siten muutokset»hardwaressa» auttavat ainoastaan, jos»software» on yhteensopiva. Tomaatilla on kuivuuden siedossa tarpeellisia COR-geenejä mutta ei kykyä aktivoida niitä riittävästi kuivuusstressin uhatessa. Kyky sietää kuivuutta ja kylmyyttä kasvoi, kun tomaattiin lisättiin geeninsiirrolla COR-geenin transkription säätelytekijä lituruohosta (Arabidopsis thaliana), kasvigenomiikan mallikasvista, ja lisäksi kuivuuteen reagoiva säätelytekijä ohrasta (Lee ym. 2003). Kasvin»hardwareen» sopiva uusi, tehokas»software» saatiin siten aikaan ottamalla puuttuvat osat muista kasveista. Biotekniikka ruoan tuotannossa 931
Soluväli Soluseinä ja solukalvo Patogeenin avirulenssituote (Avr) Kestävyysgeenin tuote (R) A Tunnistus! B Solulima Fosforylaatio! D C Puolustusgeenien aktivoituminen Signaalinvälitys! Ohjelmoitunut solukuolema Indusoituva kestävyys (LAR, SAR) Biokemialliset vasteet Soluseinien paksuuntuminen Tuma Kuva 3. Geeni geeniä vastaan -periaatteella toimiva taudinaiheuttajien tunnistus kasvissa ja puolustusvasteiden käynnistyminen (Valkonen 2001). A) Kasvin kromosomissa sijaitseva kestävyysgeeni tuottaa tumassa pieniä määriä lähetti-rna:ta. Siitä solulimassa syntetisoitunut proteiini (R) on valmiina tunnistamaan taudinaiheuttajan tietyn tuotteen (Avr) tartunnan alkaessa. B) Tunnistuksen seurauksena käynnistyy signaalinvälitys puolustusgeenien aktivoimiseksi tumassa. C) Signaalinvälitys tapahtunee proteiinien fosforylaation avulla. R-proteiineissa on kinaasialue, mikä viittaa tähän. D) Puolustusgeenit aktivoituvat ja kestävyysvasteiden muodostuminen alkaa. Näitä vasteita ovat tartunnan saaneen solukon tuhoaminen ohjelmoidun solukuoleman avulla (yliherkkyysvaste), tartuntakohdassa (LAR) ja muissa kasvinosissa (SAR) virittyvä yleinen kestävyys monia erilaisia taudinaiheuttajia vastaan, mikrobeille haitallisten yhdisteiden tuotto soluissa sekä soluseinien vahvistuminen kestämään bakteerien ja sienten tuottamia, selluloosaa yms. soluseinäaineita hajottavia entsyymejä. Siten tiettyyn taudinaiheuttajaan tarkoin kohdistuvan tunnistuksen perusteella kasvissa virittyy yleispuolustus monia erilaisia taudinaiheuttajia vastaan. Kestävyys pysyy hyvänä useita päiviä. Maavarren päässä kehitystään aloittavan perunanmukulan, varastoidun mukulan ja itävän mukulan geenien ilmentymiserot on selvitetty (Ronning ym. 2003). Ne kertovat kullekin kasvun ja kehityksen vaiheelle ominaisista prosesseista. Kun nämä prosessit tunnetaan, voidaan selvittää niihin vaikuttavat tekijät. Perunan kasvatus- ja varastointiolosuhteet ovat varmastikin sellaisia. Tavallisesti kasvun ja säilyvyyden parannuksiin pyritään olosuhteita ja tekniikoita muuttamalla sikäli kuin se on mahdollista. Biotekniikan keinoin, perunan geenien toimintaan vaikuttamalla tai uusia»software-sovelluksia» rakentamalla, voidaan puolestaan perunaa säätää ja optimoida olosuhteita vastaavaksi (kuva 4). Biotekniikalla lisää tehoa kasvien tuottavuuteen Genomien emäsjärjestyksen määrittäminen ja genomiikan uusimmat tekniikat ovat mahdollistaneet kasvi- ja ihmissolujen ja solukoiden toiminnan kokonaisvaltaisen analysoinnin. Lisäksi ihmisen ja kasvien geenitoimintojen vertaileva tutkimus on paljastanut monia yhtenevyyksiä. Kasvintutkimuksessa löydettyä, vahingolliseen RNA:han kohdistuvaa hajotusta soluissa (RNA silencing) käytetään geenien ilmentymisen säätelyyn ja virustorjuntaan niin kasvi- kuin ihmissoluissakin (Hannon 2003, Yelina ym. 2002). Geneettisesti ohjelmoitunut solukuolema eli 932 J. Valkonen
A B Kuva 4. Kasvien solut ovat totipotentteja: alkuperäisen kaltainen yksilö saadaan tuotettua mistä tahansa solusta. A) Versoja muodostuu pienistä (n. 5 mm) perunan varren palasista. Varrenpalat on käsitelty ensin agrobakteerilla, joka on siirtänyt haavakohtien soluihin viruksesta peräisin olevan geenin sekä antibioottiresistenssigeenin. Kasvatusalustaan on lisätty vastaavaa antibioottia, jolloin vain transformoituneet solut pystyvät jakautumaan ja erilaistumaan versoiksi. B) Versot leikataan ja juurrutetaan tavalliselle kasvatusalustalle, jolloin on saatu siirtogeeninen, virusta kestävä perunalajike. (Kuva: J. Valkonen) apoptoosi ja immuunivaste ovat ihmiselle ominaisia torjuntamekanismeja taudinaiheuttajia vastaan, mutta varsin samankaltaisia mekanismeja on hiljattain löydetty kasveistakin (Bilgin ym. 2003, Holt ym. 2003). Näiden ja monien muiden tulosten perusteella on mahdollista suunnitella ja tuottaa bioteknisiä sovelluksia, joilla on suuri merkitys pyrittäessä lisäämään viljelykasvien tuottavuutta. Kasvien stressaantuminen oli se sitten elollisten tai elottomien tekijöiden aiheuttamaa vähentää tuottavuutta. Kasvintuotannon onnistuminen perustuu tautien, tuholaisten ja rikkakasvien torjuntaan, ravinteiden tasapainoiseen saantiin, veden ja valon riittävään saantiin sekä kasville sopiviin lämpöoloihin. Mitä sopeutuvampi ja sietokykyisempi kasvi on näiden vaihtelevien tekijöiden suhteen, sitä suurempi on sen satovarmuus. Biotekniikan suuriin haasteisiin sisältyy viljelykasvien satovarmuuden lisääminen. Lisäksi yhteyttämisen hyötysuhdetta (Slater ym. 2003) ja satoisuutta on parannettava. Ihmiskunnan ravitsemus perustuu muutamiin viljelykasveihin. Riisi, maissi, vehnä ja peruna ovat listan kärjessä. On luonnollista, että niin pian kuin biotekniikkaa voitiin soveltaa kasvei- hin, haluttiin ratkaista ongelmia, joihin ei ollut muuta keinoa. Viljelykasvien kuten perunan muuntaminen viruksia kestäviksi geenitekniikalla käyttämällä viruksesta itsestään poimittuja geenejä ei ole enää suuri tieteellinen haaste. Keksintö syntyi alun perin oikeastaan sattumalta tutkittaessa viruksien kuljetusta kasvissa (Powell-Abel ym. 1986). Bakteerin geeniä käytettiin puolestaan tuottamaan vain joillekin hyönteisille myrkyllistä yhdistettä (Bt-toksiini), jolla voidaan estää esimerkiksi maissin korteen kaivautuvien perhostoukkien kasvu. Torakat ovat näet elinpaikassaan torjunta-aineruiskutuksien ulottumattomissa (Slater ym. 2003). Rypsin ja rapsin muuttaminen rikkakasvihävitettä kestäväksi oli perusteltua, koska tällöin kasvustosta voitiin torjua terveellisen öljyn pilaavat lähisukuiset rikkakasvit tehokkaalla aineella, joka olisi muutoin tappanut rypsin ja rapsinkin. Tähänkin sovellukseen käytettiin bakteerin geeniä (McMullan ym. 1994). Lopuksi Siirtogeenisistä kasveista käydään Suomessa ja muualla Euroopassa yhä keskustelua niiden so- Biotekniikka ruoan tuotannossa 933
vellusten pohjalta, jotka tuotiin ensimmäisinä markkinoille, sillä uusia ei ole saanut kaupallistaa viiteen vuoteen. Keskustelu on siten jäänyt tieteen kehityksestä pahasti jälkeen ja koskee sovelluksia, jotka ovat monessa mielessä raakileita, prototyyppejä, vaikkakin aikanaan tärkeitä tekniikan testaamisen ja jatkokehittelyn kannalta. Tiedotusvälineissä käytävä keskustelu siirtogeenisistä kasveista ei vastaa tutkimuksen nykytilannetta, toisin kuin tutkijoiden ja viranomaistenkin piirissä, jossa nykyaikaisen geenitekniikan hyötyjä on puntaroitu (Maa- ja metsätalousministeriö 2003). Uuden polven siirtogeeniset kasvit poikkeavat aiemmista ennen kaikkea siinä suhteessa, että geenitekniikalla on säädetty kasvin omien geenien ilmentymistä eikä niinkään pyritty lainaamaan jotakin ominaisuutta muista eliöistä. Geenien ja säätelytekijöiden vaihtoa ja täydentämistä harjoitetaan kohdennetusti kasvien kesken. Sovellukset tukeutuvat kaiken aikaa tarkentuvaan tietoon kasvien toiminnasta. Biotekniikka samaistetaan liiaksi geenitekniikkaan ja siirtogeenisiin kasveihin, joilla on ruoan tuotannon yhteydessä varauksellinen leima, vaikka geeniterapia hyväksytäänkin lääketieteessä. Biotekniikalla on kuitenkin suurempaa merkitystä, koska sen keinoin saadaan tietoa kasvien fysiologiasta ja biologiasta. Yhdistämällä kaikki menetelmät, niin biotekniset kuin viljelyteknisetkin, voidaan ravintokasvien energiahyötysuhdetta ja satovarmuutta parantaa entisestään edistäen ruoantuotantoa ja ympäristönsuojelua. Kirjallisuutta Bilgin DD, Liu Y, Schiff M, Dinesh-Kumar SP. P58(IPK), a plant ortholog of double-stranded RNA-dependent protein kinase PKR inhibitor, functions in viral pathogenesis. Devel Cell 2003;4:651 61. Chappell J. Glacial cycles: Jive talking. Nature 1998;294:130 1. Duffy B. Tomato hybrid differences as hosts for human pathogenic Escherichia coli 0157:H7 and Salmonella Thompson. Tests of Agrochemicals and Cultivars, 2003;24:16 7. Finney BP, Gregory-Eaves I, Douglas MSV, Smol, JP. Fisheries productivity in the northeastern Pacific Ocean over the past 2200 years. Nature 2002;416,729 33. Gebhardt C, Valkonen JPT. Organization of disease resistance genes in potato genome. Ann Rev Phytopathol 2001;39:79 102. Hannon GJ. RNA interference. Nature 2003;418:244 51. Holt BF, Hubert DA, Dangl JL. Resistance gene signaling in plants - complex similarities to animal innate immunity. Curr Opin Immunol 2003;15:20 5. Ingvarsson A. Gift skapar ond cirkel. Teknik & Vetenskap 2003;5:38 9. Lee JT, Prasad V, Yang PT, ym. Expression of Arabidopsis CBF1 regulated by an ABA/stress inducible promoter in transgenic tomato confers stress tolerance without affecting yield. Plant Cell Environ 2003; 26:1181 90. Leek R. Development in Nordic agriculture: Intensification and climatic change environmental scenario. Copenhagen: Nordiska Ministerrådet, 2002. Lindstedt R. Leivän juuressa. Suomen Kuvalehti 2003;(51-52):50 7. Maa- ja metsätalousministeriö. Geenitekniikkastrategia ja toimenpideohjelma vuosille 2003-2007. Helsinki: Maa- ja metsätalousministeriö, työryhmämuistio 2003;18:53. McMullan PM, Daun JK, DeClercq DR. Effect of wild mustard (Brassica kaber) competition on yield and quality of triazine-tolerant and triazine-susceptible canola (Brassica napus and Brassica rapa). Can J Plant Sci 1994;74:369 74. Mukula J, Rantanen O. Climatic risks to the yield and quality of field crops in Finland. I. Basic facts about Finnish field crop production. Ann Agric Fenn 1987;26:1 18. Nishiyama T, Fujita T, Shin-I T, ym. Comparative genomics of Physcomitrella patens gametophytic transcriptome and Arabidopsis thaliana: implication for land plant evolution. Proc Natl Acad Sci USA 2003;100:8007 12. Powell-Abel P, Nelson RS, De B, ym. Delay of disease development in transgenic plants that express the tobacco mosaic coat protein gene. Science 1986;232:738 43. Pöntinen P. Pahan päivän varalle. Suomen Kuvalehti 2003;(8):29 33. Ronning CM, Stegalkina SS, Ascenzi RA, ym. Comparative analysis of potato expressed sequence tag libraries. Plant Physiol 2003; 131:419 29. Rosegrant MW, Cline SA. Global food security: challenges and policies. Science 2003;302:1917 9. Shimamoto K, Kyozuka J. Rice as a model for comparative genomics of plants. Ann Rev Plant Biol 2002;53:399 419. Simon Moffat A. Finding new ways to protect drought-stricken plants. Science 2002;296:1226 9. Slater A, Scott NW, Fowler MR. Plant biotechnology: The genetic manipulation of plants. Oxford: Oxford University Press, 2003, s. 368. Valkonen JPT. Plant resistance to infection with viruses. Elektronisessa hakuteoksessa: Encyclopaedia of Life Sciences (www.els.net). Basingstoke, UK: Macmillan Reference Limited / Nature Scientific American, 2001. Valkonen J, Bremer K, Tapio E. Kasvi sairastaa oppi kasvitaudeista. 2. painos. Helsinki: Yliopistopaino, 1999, s. 179. Yelina NE, Savenkov EI, Solovyev AG, Morozov SY, Valkonen JPT. Longdistance movement, virulence, and RNA silencing suppression controlled by a single protein in hordei- and potyviruses: complementary functions between virus families. J Virol 2002;76:12981 91. JARI VALKONEN, professori jari.valkonen@helsinki.fi Helsingin yliopisto, soveltavan biologian laitos, kasvipatologian laboratorio PL 27, 00014 Helsingin yliopisto 934