Tutkimusprojekti: Kuusen solukkoviljely – tulevaisuuden taimituotantoa

Spruce's cell tissue.

Case - Published 15.2.2016

Puu on yksi Suomen tärkeimmistä biotalouden raaka-aineista. On arvioitu, että puun kulutus teollisuudessa tulee kasvamaan tulevaisuudessa. Koristepuiden sekä joulupuiden tuotanto on myös kasvava ala. Jos pystyisimme kasvattamaan kasvu- ja laatuominaisuuksiltaan tai ulkomuodoltaan halutunlaisia puita voisimme vastata suoraan kysyntään ja tehostaa puuraaka-aineen tuotantoa. Solukkoviljely antaa meille tämän mahdollisuuden. 

Pohjoinen ilmasto asettaa erityisvaatimuksia kasvi- ja puulajeille jotta ne voivat menestyä Suomen luonnossa. Suurin osa ulkomaisista puulajeista ei menesty näissä vaativissa olosuhteissa. Kansainvälinen kasvikauppa myös altistaa kotimaiset kasvimme monille riskeille, kuten uusille taudeille ja tuholaisille, mikä antaa syyn suosia kotimaista materiaalia niin metsänviljelyssä kuin viherrakentamisessakin.

Kuusi on männyn ohella tärkein puulajimme metsänviljelyssä. Tällä hetkellä suurin osa metsänviljelyn tarpeisiin tarvittavista siemenistä tuotetaan siemenviljelyksillä. Kuusen epäsäännöllinen kukinta, patogeenit sekä tuholaiset siemenviljelmillä ovat johtaneet tilanteeseen, jossa hyvänlaatuisista kuusen siemenistä on pula.

Solukkoviljelyn avulla voidaan tuottaa ominaisuuksiltaan tunnettua ja tasalaatuista taimiaineistoa erilaisiin metsäbiomassan käyttötarkoituksiin. Haluttuja ominaisuuksia voivat olla esimerkiksi nopea kasvu, taudinkestävyys, jokin haluttu laatuominaisuus tai koristeellinen ulkomuoto. Koriste- ja viherrakentamispuiksi sopivat esimerkiksi punaneulasiset, kapealatvaiset tai pallomaiset kuuset.

Alkionmonistus eli somaattinen embryogeneesi

Solukkoviljely perustuu totipotenssiin eli kasvisolun kykyyn kehittyä ja erilaistua miksi tahansa kasvin soluksi. Alkionmonistus (somaattinen embryogeneesi) on yksi solukkoviljelyn menetelmistä, joka matkii siemenen sisässä tapahtuvaa siemenalkion kehitystä. Menetelmällä saadaan tuotettua suuri määrä perinnöllisesti samanlaisia alkioita. Alkionmonistuksessa lähtömateriaalina käytetään tällä hetkellä kehittyviä tai kypsiä siemenalkioita, jotka kasvin kasvusäätelijöitä sisältävällä kasvatusalustalla saadaan tuottamaan embryogeenista solukkoa. Solukkoa voidaan siirrostaa uudelle alustalle eli monistaa rajattomasti, mutta vanhetessaan solukon alkiontuotantokyky laskee.

Solukkoa voidaan säilyttää pidempiä aikoja syväjäädytettynä nestetypessä eli kryopreservoituna silloin kun solukkolinja ei ole viljelyssä, ja sulattaa se tarvittaessa käyttöön. Vaihtamalla kasvatusalustan kasvihormoneita embryogeenisen solukon sisältämät esialkiot saadaan kehittymään kypsiksi alkioiksi, jotka voidaan idättää sirkkataimiksi siihen sopivalla kasvatusalustalla. Menetelmän avulla syntyneet solukkoviljellyt taimet ovat monistettavan yksilön kopioita.

Embryogeeninen solukko, esialkioita ja kypsiä alkioita.
Värjäämällä embryogeenista solukkoa (vasemmanpuoleinen kuva) saadaan solukon sisältämät esialkiot (keskimmäinen kuva) näkyviin mikroskoopin avulla. Esialkiot kehittyvät kypsiksi alkioiksi (oikeanpuoleinen kuva) oikeanlaisella kasvatusalustalla.

Kohti alkiomonistettujen kuusentaimien massatuotantoa

Tämän hetkinen kuusella käytössä oleva solukkolisäysmenetelmä on työläs ja kallis: solukkoja kasvatetaan ja alkioita tuotetaan petrimaljoilla, jolloin jokainen solukon siirto ja alkion poiminta tehdään käsityönä. Menetelmän kehittäminen massatuotantoon soveltuvaksi parantaisi kustannustehokkuutta ja laskisi yksittäisen taimen hintaa huomattavasti. Bioreaktorit solukkomassan ja alkioiden kasvatukseen, automatisoitu alkioiden laskenta ja -erottelujärjestelmä sekä valo-olosuhteiden optimointi solukkoviljelyn eri vaiheisiin ovat menetelmiä, joilla kustannustehokkuutta voidaan lisätä.

Parhaimmillaan yhdestä grammasta solukkoa on saatu monistumaan alkioita noin 700kpl. Maljakasvatuksessa solukon määrä alkioiden kypsytysvaiheessa on vain 200 mg verran kun taas bioreaktorissa solukon määrä voi mallista riippuen olla monikymmenkertainen maljaan verrattuna, jolloin yhdestä bioreaktorista voitaisiin optimaalisissa oloissa saada useita tuhansia alkiota.

Jos solukkoviljely pystyttäisiin aloittamaan vanhoista puista, joiden ominaisuudet jo tunnettaisiin, olisi se merkittävä etu. Tällöin jäisivät pois pitkät kenttäkokeet, joita tällä hetkellä tarvitaan siemenalkiosta monistettujen solukkotaimien ominaisuuksien testaukseen. Tutkimus aikuisten kuusien monistamiseksi solukkolisäyksellä on aloitettu, ja siinä on onnistuttu tuottamaan ensimmäiset solukkotaimet käyttäen kuusentaimien silmuja aloitusmateriaalina.

Luonnonvarakeskuksen (Luke) Punkaharjun toimipaikassa on tehty tutkimusta kuusen alkionmonistuksen parissa vuodesta 2011 lähtien. Tutkimuksen tuloksena on kehitetty laboratoriomittakaavaan soveltuva solukkoviljelymenetelmä. Parhaillaan meneillään olevassa hankkeessa Kuusen kasvullinen lisäys – kohti tulevaisuuden taimituotantoa tutkitaan mm. bioreaktoreiden hyödyntämistä solukon ja alkioiden kasvatuksessa sekä erilaisten valo-olosuhteiden vaikutusta solukkoviljelyn eri vaiheisiin.

 

Artikkelin kirjoittaja Frida Lappalainen työskentelee tutkijana Luonnonvarakeskuksessa Kuusen kasvullinen lisäys – kohti tulevaisuuden taimituotantoa hankkeessa kehittäen bioreaktori- ja LED-valaisusovelluksia kuusen solukkoviljelyn eri vaiheisiin.

Yhteystiedot: Puh. 02 953 24281, sähköposti frida.lappalainen(ät)luke.fi

 

Linkkejä:

Kasvullinen lisäys – osaamista ja teknologiaa biotalouden tueksi

Kuusen solukkolisäys, Metlan työraportteja 310, pdf

Julkaistu 15.2.2016

 


Read next article: Recommendations for the Finnish forest-based bioeconomy R&D »