Perimäaines eli DNA

Kasveilla perimäainesta eli DNA:ta (deoksiribonukleiinihappoa) löytyy solun tuman lisäksi mitokondrioista ja viherhiukkasista eli kloroplasteista. Mitokondriot vastaavat solun soluhengityksestä ja kloroplastit yhteyttämisestä. Luultavasti nämä ovat olleet aikaisemmin itsenäisiä soluja, koska ne sisältävät DNA:ta.

DNA:n rakenne muodostuu neljästä erilaisesta emäksestä eli nukleotidista. Näitä emäksiä ovat adeniini (A), tymiini (T), guaniini (G) ja sytosiini (C). Näistä emäksistä koostuvaa DNA-ketjua kutsutaan DNA-sekvenssiksi. DNA on kromosomeissa vastinjuosteina, jolloin tietyt emäkset muodostavat vastinparit: A-T, T-A, G-C, C-G. DNA:ssa olevat perintötekijät eli geenit muodostuvat tietystä osasta DNA-sekvenssiä. Geeni koostuu sekä eksoneista eli koodattavista tietoa eteenpäin vievistä alueista että introneista, jotka poistetaan sekvenssistä tiedon kuljetuksen aikana. Näissä ei -koodattavissa alueissa saattaa olla geenin säätelyyn, ohjaukseen ym. toimintaan liittyvää tietoa. Perimässä olevaa tietoa viedään eteenpäin RNA:n (ribonukleiinihapon) avulla, jolloin RNA muodostuu toisen DNA-vastinjuosteen kopiosta, mutta tymiini on korvattu urasiililla (U). Tietyt RNA:n kolmen nukleotidin muodostelmat (kodonit) vastaavat aina tiettyjä aminohappoja, joista sitten kasvin rakennusaineet eli proteiinit muodostuvat.

DNA-merkit eli DNA-sormenjäljet

DNA-merkki on DNA-jakso, jonka avulla pystytään tunnistamaan perimältään erilaiset kasvit toisistaan. DNA-merkki voi sijaita lähellä jotakin ominaisuuteen vaikuttavaa geeniä tai itse geenissä, jolloin tällaista merkkiä on helppo käyttää ominaisuuden tunnistamiseen eli valintaan esimerkiksi kun jalostetaan uusia lajikkeita.

Pituuteen liittyvän DNA-merkin avulla pystytään tunnistamaan dominoivan (vallitsevan) ominaisuuden eli lyhytkortisuuden suhteen homotsygootit (samaperintäiset, DD) ruiskasvit jo pienestä lehden palasta. Homotsygoottisen kasvin kaikki jälkeläiset tulevat olemaan lyhytkortisia. Sen sijaan jos jalostaja valitsisi lyhytkortisia kasveja ilman DNA-merkkiä, valituiksi tulisivat myös heterotsygoottiset pitkän alleelin sisältävät kasvit (Dd). Tällöin jälkeläistöstä ei saataisi koskaan pituuden suhteen tasalaatuista, vaan pitkiä kasveja ilmaantuisi aika ajoin myöhemmissä sukupolvissa.

Jotta DNA-merkit saadaan näkyviin, ne täytyy monistaa tutkittavasta DNA:sta. Monistaminen tapahtuu ns. PCR-tekniikan (polymerase chain reaction) avulla. Siinä tarvitaan nukleotideja, tiettyyn DNA-sekvenssikohtaan kiinnittyvät DNA-alukkeet, polymeraasi-entsyymi, joka tekee itse työn, ja pH:ltaan sopiva puskuriliuos. Monistuksessa on kolme vaihetta: 1) DNA-juosteet irrotetaan toisistaan eli denaturoidaan, 2) alukkeet kiinnittyvät vastinjuosteisiin ja 3) uutta DNA-juostetta rakennetaan polymeraasi-entsyymin avulla ja lopuksi DNA-juosteet kiinnittyvät takaisin toisiinsa. Tämän jälkeen monistus alkaa taas alusta. Kun tätä on toistettu monta kertaa, alukkeiden rajaaman alueen DNA-ketju lisääntyy. Monistetut eri mittaiset DNA-ketjut voidaan erotella toisistaan ns. agaroosigeelillä, jossa pidempi (emäsparien määrän mukaan) DNA-ketju liikkuu hitaammin kuin lyhempi. DNA-ketjut näkyvät geelillä ns. bändeinä. Nykyään ei aina välttämättä tarvitse käyttää agaroosigeeliä, vaan DNA-merkit pystytään tunnistamaan sekvensointilaitteessa alukkeessa kiinni olevan fluoresoivan leiman avulla.
Kuvassa PCR-reaktiossa tarvittavat ainesosat näyte-DNA:n lisäksi.







DNA-merkkejä on hyvin monenlaisia. Näitä merkkejä ovat esimerkiksi mikrosatelliitteihin liittyvät DNA-merkit. Mikrosatelliitti sisältää yleensä 2-4 nukleotidin toistojakson moninkertaisena. Retrotransposoni-merkit perustuvat perimässä liikkuviin DNA-elementteihin. Jo hieman vanhanaikaisina pidettäviä merkkejä ovat RAPD-merkit (random amplified polymorphic DNA) , jotka monistavat satunnaisia DNA-alueita, mutta ne ovat käyttökelpoisia varsinkin tutkittaessa uusia kasvilajeja. SNP-merkit (single nucleotide polymorphism) perustuvat ainoastaan yhden nukleotidin eroon DNA-sekvenssissä. Ohessa kerrotaan raparperitutkimukseen liittyvistä ISSR-merkeistä.

Tässä kuvassa on geelillä ajettu RAPD - DNA-merkkejä. Nuolella on merkitty yksi RAPD-merkki, jonka suhteen ruisvanhemmat eroavat toisistaan eli toisella vanhemmalla DNA-juoste näkyy ja toisella ei. Tätä merkkiä pystytään hyödyntämään risteytysjälkeläistön analysoimisessa etsittäessä yksilöiden välistä vaihtelua.


Tekniikan koko ajan kehittyessä tulee uusia tapoja tutkia DNA-sormenjälkiä. Yksi uusi tällä hetkellä käytetty menetelmä on genotyping by sequencing (GBS) liittyen uuden sukupolven sekvensointimenetelmään (next generation sequencing). Tässä menetelmässä käytetään DNA-sekvenssiä pilkkovia entsyymejä (restriktioentsyymit), jolloin kasvinäytteistä muodostuu erikokoisia DNA-pätkiä riippuen siitä, onko pilkkoutumiskohtaa näytteessä olemassa vai ei. Tämä DNA-merkkitieto koodataan '1/0' tai '+/-' -tiedostoksi (kyseessä on tällöin dominoiva DNA-merkki). Pilkkoutunut alue monistetaan ja sekvensoidaan. Saatujen sekvenssitietojen avulla voidaan kasvinäytteistä analysoida esimerkiksi SNP-merkit monimuotoisuuden kartoittamiseksi ja tuloksia voidaan hyödyntää mm. kasvinjalostuksessa.

DNA-sormenjälkitekniikka

DNA-sormenjälkitekniikka nimenä on tullut yleisesti tutuksi isyystutkimusten yhteydessä. Kun tiedämme äidin ja lapsen DNA:n sormenjäljet, voimme verrata niitä isän DNA:n sormenjälkiin, joista täytyy löytyä yhtäläisyyksiä lapsen sormenjälkiin, jotta isyys voidaan todeta. Näitä DNA-sormenjälkiä voidaan käyttää monenlaisiin tutkimuksiin, kuten sukulaisuussuhteiden ja geneettisen monimuotoisuuden tutkimukseen. Esimerkiksi voidaan tutkia, miten eri kasvilajikkeet ovat sukua toisilleen eli tehdään ns. sukupuu eli dendrogrammi (kts. geneettisen monimuotoisuuden tutkiminen). Lisäksi DNA-merkeillä voidaan todentaa lajin aitous, kuten onko kaupasta ostetussa tuotteessa vain omenaa eikä lisättynä myös päärynää. Lisäksi DNA-merkkien avulla voidaan löytää tietyn kasvilajin tärkeisiin ominaisuuksiin liittyviä geenejä (esimerkiksi tauteihin liittyviä geenejä) ja luoda näistä tiedoista geenikarttoja. Geenikartta kertoo DNA-merkkien paikan ja suhteelliset geneettiset välimatkat kromosomeissa. DNA-merkkitietojen käsittelyyn käytetään tutkittavasta kasvilajista ja tarkoituksesta riippuen erilaisia näiden tietojen käsittelyihin kehitettyjä tietokoneohjelmia. Osa ohjelmista saadaan ilmaiseksi tutkimuskäyttöön (esim. GenAlEx), kun taas osa niistä on maksullisia tiettyyn tutkimukseen tarkoitettuja ohjelmia (esim. JoinMap).