Interactions between transgenic trees and mycorrhizal and pathogenic fungi

The development of biotechnology techniques in plant breeding and the new commercial applications have raised public and scientific concerns about the safety of genetically modified (GM) crops and trees. To find out the feasibility of these new technologies in the breeding of commercially important Finnish hardwood species and to estimate the ecological risks of the produced transgenic plants, the experiments of this study have been conducted as a part of a larger project focusing on the risk assessment of GM-trees. Transgenic Betula pendula and Populus trees were produced via Agrobacterium mediated transformation. Stilbene synthase (STS) gene from pine (Pinus sylvestris) and chitinase gene from sugar beet (Beta vulgaris) were transferred to (hybrid) aspen and birch, respectively, to improve disease resistance against fungal pathogens. To modify lignin biosynthesis, a 4-coumarate:coenzyme A ligase (4CL) gene fragment in antisense orientation was introduced into two birch clones. In in vitro test, one transgenic aspen line expressing pine STS gene showed increased resistance to decay fungus Phellinus tremulae. In the field, chitinase transgenic birch lines were more susceptible to leaf spot (Pyrenopeziza betulicola) than the non-transgenic control clone while the resistance against birch rust (Melampsoridium betulinum) was improved. No changes in the content or composition of lignin were detected in the 4CL antisense birch lines. In order to evaluate the ecological effects of the produced GM trees on non-target organisms, an in vitro mycorrhiza experiment with Paxillus involutus and a decomposition experiment in the field were performed. The expression of a transgenic chitinase did not disturb the establishment of mycorrhizal symbiosis between birch and P. involutus in vitro. 4CL antisense transformed birch lines showed retarded root growth but were able to form normal ectomycorrhizal associations with the mycorrhizal fungus in vitro. 4CL lines also showed normal litter decomposition. Unexpected growth reductions resulting from the gene transformation were observed in chitinase transgenic and 4CL antisense birch lines. These results indicate that genetic engineering can provide a tool in increasing disease resistance in Finnish tree species. More extensive data with several ectomycorrhizal species is needed to evaluate the consequences of transgene expression on beneficial plant-fungus symbioses. The potential pleiotropic effects of the transgene should also be taken into account when considering the safety of transgenic trees.

Geneettisesti muunneltujen puiden vuorovaikutukset taudinaiheuttaja- ja symbionttisienten kanssa Väitöskirjatyöllä, joka on luonteeltaan perustutkimuksellinen, oli kaksi päätavoitetta. Tutkimuksissa haluttiin selvittää voidaanko kotimaisten lehtipuulajien koivun ja haavan taudinkestävyyteen ja puuaineksen kemiallisiin ominaisuuksiin vaikuttaa siirtogeenitekniikan avulla. Toisena tavoitteena oli arvioida tuotettujen geneettisesti muunneltujen metsäpuiden aiheuttamia mahdollisia ekologisia riskejä tutkimalla biologisia vuorovaikutuksia siirtogeenisten puiden ja sienisymbionttien sekä maaperän hajottajien välillä. Geneettisesti muunneltujen puiden reaktiot taudinaiheuttajasienille olivat vaihtelevia, mutta tulokset antavat viitteitä siitä, että siirtogeenitekniikan avulla on mahdollista vaikuttaa koivun ja haavan taudinkestävyyteen, vaikkakaan kaupallisia sovelluksia ei ole odotettavissa lähivuosien aikana. Puuaines geenimuunnelluissa koivuissa oli samanlaista kuin ei-siirtogeenisissä puissa. Siirtogeenisyys ei näyttänyt vaikuttavan koivujen kykyyn muodostaa hyödyllisiä sienijuuria eikä lehtiaineksen hajoamiseen maassa. Sen sijaan osassa geneettisesti muunneltujen koivujen aineistoa havaittiin odottamattomia kasvuun liittyviä muutoksia. Taudinkestävyyteen liittyvä männyn stilbeenisyntaasi -geeni siirrettiin haapaan ja sokerijuurikkaan kitinaasi -geeni koivuun Agrobakteeri -välitteisesti. Puun kemiallisia ominaisuuksia pyrittiin muuttamaan siirtämällä koivuun ligniinin biosynteesiin vaikuttava geeni. Haavalla taudinkestävyyttä tutkittiin mittaamalla puukiekkojen lahoamista haavankäävän (Phellinus tremulae) vaikutuksesta. Siirtogeenisten kitinaasikoivujen alttiutta koivun lehtilaikkutaudille (Pyrenopeziza betulicola) ja koivunruosteelle (Melampsoridium betulinum) havainnoitiin kenttäkokeella kolmen vuoden ajan. In vitro -laboratoriomenetelmän avulla tutkittiin sienijuurten muodostumista pulkkosienen (Paxillus involutus) ja geenimuunneltujen koivujen välillä. Kasvumittauksia tehtiin sekä laboratorio-olosuhteissa että kasvihuonekasvatuksessa, hajotuskoe luonnossa kenttäkokeella toteutettiin kasvihuoneesta kerätyllä lehtimateriaalilla.