Elixir logo
11.8.2017

Parempaa satoa luvassa? Myös data kerätään jatkossa talteen

Kasvien kasvua ja fysiologiaa analysoidaan kuvantamismenetelmillä, mikä tuottaa valtavasti dataa kasvien genomi- ja ympäristövasteista. Tällä pyritään kasvien satoisuuden parantamiseen, jolloin voidaan tuottaa ekologisesti kestävällä tavalla ruokaa ja raaka-aineita kasvavalle ihmiskunnalle.

Helsingin ja Itä-Suomen yliopistojen yhteisessä NaPPI- infrastuktuurissa kasvit mitataan ja analysoidaan automaattisesti. Infrastruktuurin toiminta ja sen tuottama data voidaan järjestää alusta lähtien niin, että se on yhteensopivaa myös muiden eurooppalaisten tutkimusorganisaatioiden käyttöön. Tavoite on hyvä, sillä näihin päiviin asti jokainen laboratorio ympäri maailmaa on kerännyt kasvien perimästä, ilmiasuista eli fenotyypeistä ja ympäristötekijöistä saatua dataa omalla tavallaan.

Helsingin yliopiston Viikki Plant Science Center (ViPS) on tutkimuskeskittymä, jossa 36 ryhmää tutkii kasveja. Tutkimusaiheet vaihtelevat tiettyyn elinympäristöön ja ilmastonmuutokseen sopeutumisesta, kasvien stressinsietoon ja kasvinjalostukseen.

NaPPI-infrastruktuurin (National Plant Phenotyping Infrastructure) toiminta keskittyy kasvitutkimukseen, ja -jalostukseen. Tavoitteena on kattavan fenotyyppitiedon tuottaminen suuresta määrästä kasveja. NaPPI antaa tekniset mahdollisuudet yhdistää kasvien perimästä saatu tieto fenotyyppidataan.

Kasvin fenotyyppi on geenien ja ympäristön yhteisesti tuottama ilmiasu. Fenotyyppi voi muokkautua hyvinkin erilaiseksi ympäristön vaikutuksesta. Kasveilla onkin paljon laajempi kyky periytymättömään muunteluun kuin eläimillä. Esimerkiksi kasvin kasvuun voidaan vaikuttaa tehokkaasti eri tavoin, kuten ravinteilla ja valolla.

Ihmiset ovat jalostaneet kasveja tuhansia vuosia, koska on haluttu parempaa ruokaa. Tätä on tehty paikallisesti eikä kasveista kerättyä tietoa ole systemaattisesti tallennettu. Hyvänä esimerkkinä on viinirypäleen lukuisat lajikkeet, joita pelkästään Euroopassa on yli tuhat. Kaikkien lajikkeiden alkuperää ei enää tiedetä ja siksi alkuperää selvitetään geenitekniiikan avulla.

”Kasvien fenotyypeistä saatua dataa ei ole vielä standardisoitu. Eri tutkimusryhmät ovat tuottaneet ja luokitelleet sitä omissa laboratorioissaan”, sanoo NaPPI-infrastruktuurin tutkimuskoordinattori Kristiina Himanen Helsingin yliopistosta.

Kristiina Himasen edessä olevat kasvit menossa fytoskooppiin. Fytoskooppi on kuvantamislaite, joka analysoi kasvien kasvua ja fysiologiaa. Kasvit mitataan ja kuvataan automaattisesti, jonka jälkeen tietokone laskee kuvien perusteella kasvien korkeuden, leveyden ja esimerkiksi lehtiruusukkeen pinta-alan ja muodon.

Kasvin arkkitehtuurin tutkiminen tärkeää

NaPPi-infrastruktuurin tavoitteena on tehostaa ja tarkentaa kasveista saadun tiedon keruuta ja analysointia uusien kuvantamistekniikoiden avulla. Infrastruktuurilla on käytössä kuvantamislaitteita, jotka analysoivat kasvien kasvua ja fysiologiaa. Kasvit mitataan ja kuvataan automaattisesti, jonka jälkeen tietokone laskee kuvien perusteella kasvien korkeuden, leveyden ja esimerkiksi lehtiruusukkeen pinta-alan ja muodon.

”Kasvin koko, kasvu, ja muoto eli kasvin arkkitehtuuri ovat tärkeitä maataloustuotannossa”, Himanen korostaa.

”Kasvin arkkitehtuuri voi vaikuttaa sadon määrään tai viljelyominaisuuksiin. Kun riisistä on tehty kääpiölajikkeita ne eivät lakoonnu enää helposti, ja tämä vaikuttaa satoon. Geenit voivat vaikuttaa kasvin arkkitehtuuriin ja sitä kautta sadon määrään ja laatuun.”

Viikissä tutkitaan, mitä tapahtuu kun rypsin perimään eli genomiin syötetään kääpiögeeni. MMT Tarja Niemelä ja yhteistyökumppanit selvittävät, voiko kääpiögeeni lisätä rypsin satoisuutta vähentämällä varren biomassaa suhteessa kasvin tuottamaan siemensatoon.

”Genomidataa on hurjasti saatavilla, mutta se pitää pystyä yhdistämään muuhun dataan. Haluamme liittää kuvantamislaitteilla tuottamaamme fenotyyppidatan genomidataan. Lopulta, meitä tietenkin kiinnostaa, miten genomeista ja fenotyypeistä saatu tieto saadaan siirrettyä kasvinjalostukseen.”

Himasen mukaan uusien kuvantamismenetelmien ansiosta kasvintutkimuksen volyymi kasvaa.

Spektri- ja fluoresenssikuvantaminen tuottaa paljon dataa

Rypsiviljelmiä Viikissä. Tutkijat selvittävät, voiko kääpiögeeni lisätä rypsin satoisuutta vähentämällä varren biomassaa suhteessa kasvin tuottamaan siemensatoon.

NaPPI-infrastruktuurin laitteilla analysoidaan kasvin muotojen lisäksi kasvien fysiologista tilaa. Itä-Suomen yliopiston Joensuun kampuksella oleva spektromiikkalaboratorio on Suomen ensimmäinen kasvien ja muiden biologisten näytteiden spektrikuvantamiseen keskittynyt tutkimusympäristö. Spektrikuvantaminen koostuu useista valon eri aallonpituuksilla otetuista kuvista, joilla on oma värikanavansa.   Spektromiikkalaboratoriossa kehitetään optisia menetelmiä erityisesti kasvien stressivasteiden tutkimukseen.

Ihmissilmä tai tavanomainen kamera näkee värit kolmen aallonpituuskaistan (punainen, vihreä ja sininen) yhdistelminä. Spektrikameralla voidaan kuitenkin havaita jopa satoja eri aallonpituuskaistoja. Se ei ole myöskään rajoittunut vain näkyvään valoon, vaan kykenee kuvaamaan ultravioletti- ja infrapunasäteilyn alueilla. Kustakin kaistasta voidaan muodostaa erillinen kuva ja kukin pikseli sisältää täydellisen spektrin.

”Spektrikuvaus mahdollistaa värien erittäin tarkan erottelun, mutta samalla moninkertaistaa tuotetun datan määrän”, toteaa professori Markku Keinänen Itä-Suomen yliopistosta.

”Tämä taas edellyttää monimutkaisia laskennallisia lähestymistapoja kuva-analyysissä. Spektrikuvaus onkin suurelta osalta laskentaa ja tuloksia havainnollistavat kuvat tuotetaan vasta analyysin loppuvaiheissa.”.

Kun kasveja lisäksi analysoidaan lämpö- ja fluoresenssikameroilla, päästään näkemään asioita, joita ei tavallisessa valossa näe. Fluoresenssi on näkyvää, tietyn väristä valoa, joka syntyy kasvin atomien virittyessä esimerkiksi näkymättömän ultraviolettisäteilyn johdosta. Lämpö- ja fluoresenssikameroilla voidaan laskea pikseli kerrallaan kasvissa olevan erivärisen alueen koko ja tutkia esimerkiksi infektioita kasvissa.

Datan standardointi vähentää päällekkäistä työtä

Suomen ELIXIR-keskus tarjoaa datan käsittelyyn ja tallentamiseen tehokasta kapasiteettia. Koska fenotyyppien datankeruu on automatisoitu ja digitalisoitu, nyt on Kristiina Himasen mukaan mahdollista aloittaa myös datan standardointi.

”Datalla pitää olla sama formaatti. Excelerate-hanke kehittää standardit fenotyyppidatalle ja metadatalle. Mukana on 22 maata. Vaikka kaikilla on omat infrastruktuurit, niin nyt niiden toimintaa yhdenmukaistetaan.”

Käytännössä tutkijoilla on käytössään tieto kasvin perimästä sekä fenotyyppidataa kasvuolosuhteista ja muista ympäristötekijöistä. Kun molemmat datalähteet on yhdistetty saadaan luotua kattavia tietokantoja ja laboratoriot eri puolilla Eurooppaa voivat välttää päällekkäisen työn tekemistä ja jakaa datankeruuta järkevästi.

”Yksittäisen geenin käyttöönotto kasvijalostuksessa helpottuu, koska yksittäisen kasvin analyysiin liittyvän työn määrä kohtuullistuu.”

Jatkossa Viikin tutkimusryhmät siis tuottavat kuvapohjaista dataa, johon liitetään genomidata. Suomen Elixir-keskuksessa puolestaan mietitetään, miten data analyoidaan ja standardisoidaan ja miten metadatat luovutetaan ELIXIRrille pilvitietokantaa varten. NaPPI-infrastruktuurin ja Suomen ELIXIR-keskuksen CSC:n työnjako on hyvä esimerkki siitä, miten kasvien geno- ja fenotyyppidataa kannattaa tuottaa tutkimukseen.

Ari Turunen

Artikkeli PDF-muodossa

NaPPI

NaPPI on osa yhteistyöverkostoa Itä-Suomen yliopiston Spektromiikan yksikön (www.spectromics.org) sekä useiden muiden suomalaisten kasvitutkimuslaitosten kanssa. Mukana on yhteistyökumppaneita lisäksi Turun ja Oulun yliopistoista sekä Luonnonvarakeskuksesta.

Viikki Plant Science Center

https://www.helsinki.fi/en/researchgroups/viikki-plant-science-centre/about-vips

 

 

 

 

 

CSC
Elixir europe
Biomedinfra