Incompatibility classes and fruit set in natural populations of arctic bramble (Rubus arcticus L.) in Finland

• Published in: Agricultural and Food Science
• Main Author: Tammisola, Jussi
• Format: Article in Journal/Newspaper
• Language: English
• Published: The Scientific Agricultural Society of Finland 1988
• Subjects: Arctic; Laaja; Risto
• Online Access: https://journal.fi/afs/article/view/72299; https://doi.org/10.23986/afsci.72299

In Finnish natural populations, arctic bramble proved uniformly self-incompatible. In vigorous and richly flowering populations, the intensity of fruit set is governed by the number of incompatibility classes present. Most non-fruiting populations contain only one incompatibility class (and most likely only one clone) and therefore totally lack compatible pollen. Richly fruiting populations usually contain at least three incompatibility classes. A clone with an estimated size of 80 metres and age of 160 years was found. This supports the vegetative burst explanation for the “sudden appearance” of arctic bramble populations. For the purposes of plant breeding, a large genetic collection is required. In cultivation, a thorough mixture of at least three varieties is recommended. The study was dynamically optimized. A computerized guidance system was constructed, which analyzed the accumulating results and yielded recommendations for forthcoming crosses. For the analysis into equivalence classes of incompatibility, a stepwise clustering algorithm of the single move type, based on the maximum likelihood principle, was introduced. This partitioning was based on the number of seeds in a cross, considering it as a stochastic variable. Seed number probability distributions in intraclass and interclass pollinations were acquired utilizing non-parametric density estimation. Finally, both incompatibility class and seed probability estimates were adjusted together iteratively. A recommendation algorithm was produced, based on a partially heuristic principle of maximum lability maximum stability. With the aid of the guidance system, incompatibility classes could be resolved using about one tenth of the number of crosses required in a conventional system. Mesimarja tiedetään heikoksi kilpailijaksi. Se kukoistaa yleensä muutaman vuoden kerrallaan alueilla joissa sopiva ympäristön häiriö esim. hakkuu, kaskeaminen, laiduntaminen on varustanut sille suotuisat kasvuolot. Kun voimakkaammat kasvilajit ja erityisesti varjostava puusto ehtivät kilpailuun mukaan, mesimarjaesiintymän kunto huononee: kasvusto harvenee, kukkiminen ja marjonta vähenee. Mesimarjan vuotuinen satotaso maassamme vaihtelee suuresti, ilmeisesti lähinnä säätekijöiden mukaan. Pitemmällä aikajaksolla tarkasteltuna maamme luontaiset mesimarjasadot ovat jatkuvasti vähentyneet. Pääsyynä tähän lienee mesimarjalle sopivien kasvupaikkojen häviäminen. Nykyaikainen tehomaatalous ei enää juuri jätä tälle kaskikulttuurin seuralaislajille elintilaa. Säännöllinen ja syvälle ulottuva maanmuokkaus hävittää mesimarjan juurakot. Salaojituksen myötä avo-ojat ovat hävinneet pelloilta. Niitytkin ovat katoamassa. Voimakkaasta lannoituksesta hyötyvät mesimarjan kilpailijat, rikkakasvit. Laji on myös kovin arka rikkakasvimyrkyille. Mesimarjan marjonta vaihtelee kuitenkin näennäisen epäsäännöllisesti myös hyväkuntoisesta esiintymästä loiseen. Kunnollista selitystä tällaiselle alueelliselle ja paikalliselle vaihtelulle ei ole löydetty, vaikka vuosikymmenien aikana onkin ehditty tarjota lukuisia ratkaisuehdotuksia. Yleensä nämä pohjautuvat ulkoisiin tekijöihin; valaistus, kosteus, lämpötila, lumipeite, pölyttäjät, halla jne. On myös arveltu, että parhaiten marjovilla alueilla vallitsisivat itsefertiilit ja siksi runsastuottoiset mesimarjakannat, kun taas muualla maassa esiintyisi lähinnä vain itsesteriilejä kantoja. Kirjallisuudesta ei kuitenkaan löydy riittävää näyttöä yhdestäkään itsefertiilistä mesimarjakannasta. Tässä väitöskirjatyössä ryhdyttiin selvittämään, voisiko populaation rakenne selittää marjontaerot ja erityisesti marjomattomuuden hyväkuntoisissa, ts. voimakaskasvuisissa ja runsaasti kukkivissa mesimarjan luonnonesiintymissä. Marjoja ei nimittäin pitäisi ollenkaan muodostua, jos populaatiossa olisi vain yhtä inkompatibiliteettiluokkaa. Runsaan marjonnan taas ajateltiin edellyttävän tavallisesti useaa inkompatibiliteettiluokkaa. Mesimarjalla itsesteriilisyyden aiheuttaa ruusukasveilla yleinen ns. gametofyyttinen itse-inkompatibiliteetti. Kaksi yksilöä, joilla on inkompatibiliteettigeenin s osalta täsmälleen sama genotyyppi, eivät voi hedelmöittää toisiaan. Mesimarjakannat voidaan siten ryhmitellä vastaavuusluokiksi (inkompatibiliteettiluokat), jolloin vain luokkien välinen pölytys tuottaa (kunnollisen) marjan, ei luokan sisäinen pölytys. Työssä tutkittiin 22 eri puolilta Suomea otostettua marjomatonta, heikosti tai runsaasti marjovaa mesimarjapopulaatiota. Kustakin arvottiin 30 näyteyksilöä, jotka istutettiin koekentälle Viikkiin. Populaatioiden sisäisten risteytysten perusteella näyteyksilöt sitten ryhmiteltiin inkompatibiliteettiluokiksi. Itsepölytysten avulla em. populaatioista ja lisäksi kymmenistä yksittäisnäytteistä eri puolilta Suomea etsittiin itsefertiilejä mesimarjakamoja. Yhtään sellaista ei löytynyt. Mesimarja osoittautui siis Suomessa varsin vallitsevasti itsesteriiliksi lajiksi. Sikäli kuin itsefertiilejä kantoja lainkaan esiintyy, ne ainakin olisivat harvinaisia poikkeuksia. Tutkimuksessa osoitettiin, että inkompatibiliteettiluokkien lukumäärällä on yleensä ratkaiseva merkitys mesimarjan hyväkuntoisien luonnonesiintymien marjonnalle. Lähes aina tällaisen mesimarjapopulaation marjomattomuus johtui siitä, että siinä esiintyi vain yhtä inkompatibiliteettiluokkaa olevia versoja. Seitsemässä tapauksessa kahdeksasta marjomattomasta esiintymästä löytyi vain yhtä inkompatibiliteettiluokkaa. Vain yksi marjomaton populaatio oli useampiluokkainen; sen marjomattomuuden lienee aiheuttanut jokin luonnonkasvupaikan ympäristötekijä (esim. pölyttäjien puute), sillä koekentällä tämäkin populaatio marjoi normaalisti. Yksi populaatio osoittautui triploidiseksi eikä kyennyt tuottamaan marjoja minkäänlaisissa risteytyksissä. Runsaasti marjovissa populaatioissa esiintyi yleensä kolmesta seitsemään inkompatibiliteettiluokkaa. Vieraiden kukkien osuus nousikin näissä yleensä varsin korkeaksi (välille .42—.86), joten hedelmöittämiskelpoisen siitepölyn saatavuus oli hyvä. Heikosti marjovissa esiintymissä oli kahdesta kuuteen inkompatibiliteettiluokkaa. Eräissä esiintymissä vieraiden kukkien osuus jäi pieneksi, eräissä taas populaation alueellinen rakenne ei suosinut luokkien välistä pölytystä. Usein myös jokin ympäristötekijä (esim. muiden lajien kilpailu) oli jo epäedullinen heikosti marjovia populaatioita ei yleensä voitukaan pitää täysin hyväkuntoisina. Uskottavimman tulkinnan mukaan yksiluokkaiset esiintymät ovat kokonaan yhtä yksilöä, joka yhdestä siemenestä alunperin lähteneenä on juurakon avulla levittäytynyt laajallekin alueelle. Tosin vielä kaksi- tai kolmisiemeninenkin alkuperä olisivat melko uskottavia selityksiä. Suurin tutkimuksessa löytynyt mesimarjaklooni olisi siis halkaisijaltaan noin 80 metriä, mikä vastannee ainakin noin 160 vuoden ikää. Tällainen pitkäikäisyys antaisi tukea kasvullisen ryöpsähdyksen käsitykselle. Sen mukaan mesimarjakasvustoa säilyisi joskin huonokuntoisena ja huomaamattomana varsin pitkään entisillä esiintymispaikoillaan. Kun olot jälleen muuttuvat suotuisammiksi, mesimarja pystyisi tällöin tehokkaan juurakostansa avulla parissa-kolmessa vuodessa taas täyttämään alueen tiheällä kasvustolla. Mikäli maassa on hautautuneena mesimarjan siemeniä entisillä kukoistuskausilta ehkä vuosikymmenienkin takaa täytynee kuitenkin myös siementen itämisellä olla toisinaan osuutensa ryöpsähdyksissä. Tämän tutkimuksen läpiviemiseksi jouduttiin kehittämään joitakin menetelmällisiä uutuuksia. Risteytystyön vähentämiseksi laadittiin tietokoneistettu risteytysten ohjausjärjestelmä RISTO. Työ järjestettiin tapahtuvaksi kierroksittain. Kullakin kierroksella järjestelmä analysoi aina kaikki siihen asti luetut tulokset ja antoi suosituksia uusiksi risteytyksiksi, joiden avulla todennäköisesti saataisiin eniten lisätietoa. Populaation yksilöiden ryhmitys inkompatibiliteettiluokiksi arvioitiin kertyneiden risteytystulosten pohjalta soveltaen suurimman uskottavuuden periaatetta. Uskottavimman luokkajaon löytämiseksi 8.47 • 1023 mahdollisesta, laadittiin laajennettu yksittäissiirtomenetelmä, jossa ryhmityksestä toiseen edettiin kerrallaan vain yhden yksilön ryhmitystä muuttamalla tai tarvittaessa kaksi ryhmää yhdistämällä. Ryhmittelyn perustana oli risteytyksen tulos: siemenlukumäärä (joka käsitettiin satunnaismuuttujaksi). Vastaavuusluokitus oli mahdollista, koska inkompatibiliteettiluokan sisäisissä risteytyksissä siemenlukumäärän todennäköisyysjakautuma oli erilainen kuin luokkien välisissä. Siemenlukumäärien todennäköisyysjakautumat estimoitiin ei-parametrisesti, käyttäen sopivasti muunnettua Parzenin kernel-menetelmää. Todennäköisyysjakautumia ja inkompatibiliteettiluokkajakoa tarkennettiin lopuksi yhdessä iteroimalla. Iteraatio suppeni aina nopeasti: jo 4.—7.kierroksella. Risteytyssuositusten laatimiseksi kehitettiin menetelmä, joka nojasi suurin labiilisuus —suurin stabiilisuus-periaatteeksi nimeämääni strategiaan. Täydellistä todistusta sille, että tällainen strategia välttämättä johta mahdollisimman tehokkaisiin risteytyksiin, ei voitu esittää ei myöskään luotettavaa arviota saavutettavan säästön suuruudesta. Menetelmän teoreettinen perustelu jäi siis osaksi heuristiselle tasolle. Käytännön tulosten perusteella suositukset kuitenkin osoittautuivat ilmeisen tehokkaiksi. Risteytysten ohjaussysteemin(RISTO) avulla selvittiin noin 10 prosentilla siitä risteytysten määrästä, joka olisi vaadittu tavanomaista(puolidialleliristeytys) menetelmää sovellettaessa yksinkertaisempaan (deterministisen muuttujan) tapaukseen. Väitöskirjatyössä tarvittiin siten kaikkiaan vain noin 1200 (netto) risteytystä. Yksiluokkainen, marjomaton luonnonesiintymä alkanee yleensä marjoa, jos vain järjestetään vieraan, hedelmöittämiskelpoisen siitepölyn saanti. Eri puolille esiintymää voidaan esim. istuttaa jotain toista, muualta löydettyä tai vaikkapa ostettua mesimarjakantaa. Myös jalomaarain käy periaatteessa pölyttäjäksi. Istukkaille on varattava myös kasvutilaa, jotta vieraiden kukkien osuus voi nousta riittäväksi. Mesimarjaviljelmälläkin tulisi marjonnan varmistamiseksi kasvattaa mieluiten vähintään kolmea eri mesimarjakantaa. Mitä useampaa kantaa viljelmällä esiintyy, sitä suurempi on vieraiden, hedelmöittämiskelpoisten kukkien osuus. Lisäksi pölyn tehokas kulkeutuminen kannasta toiseen on syytä turvata istuttamalla kantoja hyvin sekaisin kuhunkin riviin ei siis vuororiveiksi kuten ennen suositeltiin. Tällaisella viljelmällä satotaso ei heti romahtaisi, jos yhdessä mesimarjakannassa esiintyy vaikeuksia (esim. kasvu on heikkoa tai kukinta tärväytyy tautien, loisten tai muiden satunnaisten tekijöiden vuoksi). Lähdettäessä jalostamaan luonnonkasvia, on ensimmäisenä tehtävänä laajan geneettisen kokoelman perustaminen. Tämä on tarpeen jo siksi, että jalostustavoitteiden joukkoon laaja ja epämääräinen. Viljelymenetelmät ja sadon käyttötavatkin ovat nimittäin vielä käymistilassa (esim. vapaassa rivissä, muovikatteen rajaamana vai riippusäkeissä viljely mesimarjalla), ja uudet menetelmät saattavat edellyttää kasvilta aivan erilaisia ominaisuuksia kuin aiemmat. Lisäksi valinta suoraan luonnosta on jalostuksen kannalta suhteellisen tehotonta, koska a) vaihtelevassa luonnonympäristössä ominaisuuksien periytyvyys on pieni ja b) viljely-ympäristö on toinen kuin valintaympäristö. Jalostuksellista valintaa päästään todenteolla harjoittamaan vasta sellaisessa laajassa kokoelmassa, joka on perustettu riittävän tasalaatuisiin ja todellista viljelymenetelmää oleellisesti vastaaviin oloihin. Tämän tutkimuksen perusteella yhdessä mesimarjapopulaatiossa yleensä kasvanee enintään muutamaa genotyyppiä. Jalostuskokoelmaa kerättäessä lienee siis voimavarat tehokkainta suunnata siten, että näytteitä saataisiin mahdollisimman monesta eri populaatiosta muutama näyte kustakin taas riittänee. Kauas vaeltava, harvahko ja helposti limittyvä juurakon kasvutapa soveltui hyvin mesimarjan luonnonpopulaatioihin. Viljelyoloja ajatellen sitä kannattanee pyrkiä jalostuksella lyhentämään ainakin jos mesimarjaa ryhdytään viljelemään muovikate- tai riippusäkkimenetelmällä. Kun sekä ravinteiden, valon että pölyttäjäkantojen saanti on ihmisen toimin turvattu, juurakoitten kasvattaminen kauas olisi kasvin resurssien tuhlausta. Viljelytekniseltä kannalta myös ilsefertiilisyys olisi tärkeä jalostustavoite silloin mesimarjaviljelmällä tultaisiin toimeen yhdellä lajikkeella. Polyploidia- tai mutaatiojalostuksella tavoitteeseen saatettaisiin päästä. Itsefertiilin mesimarjakannan etsimistä luonnostakaan ei kannattane vielä lopettaa. Onhan viljellyllä vadelmallakin itsefertiilisyys yleistä, viljelyn kuluessa tapahtuneen tiedostamattoman valinnan tuloksena. Itsesiitoksen seurauksena esiintyisi tällaisella luonnostaan tiukasti ristisiittoisella kasvilajilla voimakas sisäsiitostaantuma. Jos itsesiitosta alettaisiin jossain muodossa ryhtyä käyttämään hyväksi mesimarjan jalostusohjelmissa, kannattaisi siis uuden jalostustekniikan keinoin (haploidiviljely ja kromosomiston kaksinkertaistaminen) heti alussa massamitassa tuottaa täydellisesti homotsygoottisia mesimarjakantoja. Näin saataisiin jalostuspopulaatioista karsituiksi pois haitalliset (letaalit ja subvitaalit) alleelit: homotsygoottisuuden ansiosta sellaisia sisältävät yksilöt kuolisivat tai ne olisi huonokasvuisina helppokarsia jo varhaisessa vaiheessa. Homotsygootteja täytyisi valmistaa paljon, sillä elinvoimaisiksi niistä saattaisi alkuvaiheessa osoittautua ehkä vain aniharva kanta. Haitallisten alleelien karsiuduttua kuten “vanhoilla” itsesiittoisilla lajeilla on evoluution kuluessa tapahtunut sisäsiitostaantuma ei jatkossa enää olisi kiusana. Eräät tutkimuksen kuluessa esiin nousseet kysymykset ansaitsisivat vielä jatkotutkimuksia. Mesimarjankloonien kokoa luonnonesiintymissä tulisi tutkia esim, DNA-sormenjälkimenetelmällä (Jeffreys ym. 1985a, b). Mesimarjan siementen mahdollinen säilyminen itämiskelpoisina maassa vuosien ja vuosikymmenten ajan kaipaisi kokeellista selvitystä. Esiintymispaikan maaperän siemenflooran tutkiminen voisi valaista erityisesti yksiluokkaisten mesimarjapopulaatioiden taustaa: onko paikalla aiemmin esiintynyt marjova populaatio? Mesimarjan inkompatibiliteettialleelien kokonaismäärä Suomessa tulisi arvioida. Samoin kannattaisi selvittää eri inkompatibiliteettialleelien ja -genotyyppien alueellista jakautumaa maassamme; esiintyykö kenties vyöhyke-eroja? Risteytystyön ohjauksella saavutettavan säästön arvioimiseksi tarvittaisiin teoreettista jatkotutkimusta. Ohjaussysteemin yleisen luotettavuusasteen arvioimiseksi tulisi tehdä vielä lisäkokeita uusilla aineistoilla. Itse asiassa RISTO on periaatteessa yleinen menetelmä: sen pitäisi soveltua erilaisten vastaavuusluokitteluun tähtäävien kokeiden optimaaliseen ohjaamiseen. Sitä voitaisiin siis kokeilla myös muilla tieteenaloilla.