Genetically modified silver birch and hybrid aspen:target and non-target effects of introduced traits

Abstract The efforts to improve forest trees could be accelerated by means of genetic engineering. Thus, the performance and effects of genetically modified (GM) trees have been investigated in numerous studies, which have generally concluded that GM trees have similar effects on environment and/or other organisms as do conventionally bred trees. In the present study, GM silver birch (Betula pendula Roth) and hybrid aspen (Populus tremula L. × tremuloides Michx.) lines were utilized to study the influence of transgenes to the transcription of related endogenous genes and to the production of soluble phenolic compounds in relation to ectomycorrhizal symbiosis or herbivory. The GM silver birch lines had altered lignin composition, whereas the hybrid aspen lines produced the hemoglobin of Vitreoscilla sp. (VHb). The Pt4CL1a lines were generated using biolistic transformation and monitored under greenhouse conditions for three growing seasons. The Pt4CL1a and PtCOMT silver birch lines, with altered lignin syringyl/guaiacyl ratio, had also reduced transcript levels of endogenous genes, Bp4CL1 and BpCOMT, respectively. This indicates that these members of the 4CL and COMT multigene families are likely to contribute to the monolignol biosynthesis pathway of silver birch. No unintended effects were detected in the PtCOMT or Pt4CL1a lines in relation to ECM symbiosis or performance of insect larvae. Moreover, in soluble phenolic compounds, alterations were found mainly in cinnamic acid derivatives, a group of compounds involved in the biosynthesis of monolignols. In addition, the responses of the studied hybrid aspen lines that were exposed to herbivory for 24 hours were found to be comparable. Furthermore, the proportional weight gain of lepidopteran larvae was alike when fed with leaves of the VHb and non-transgenic hybrid aspen lines. Taken together, no unintended changes were found in the GM silver birch lines with altered lignin composition or in the VHb hybrid aspen lines. However, it is acknowledged that these short-term studies that were conducted under controlled conditions have certain limitations.Tiivistelmä Puiden ominaisuuksia on mahdollista muuttaa geenitekniikkaa käyttämällä huomattavasti perinteistä jalostusta nopeammin. Geneettisen muuntamisen vaikutuksia puiden ominaisuuksiin ja vuorovaikutussuhteisiin on selvitetty useissa tutkimuksissa geenitekniikkaan liitettyjen riskien arvioimiseksi. Muunnettuja kohdeominaisuuksiaan lukuun ottamatta geneettisesti muunnettujen (GM) puiden ei ole yleisesti ottaen tutkimuksissa havaittu eroavan ympäristövaikutuksiltaan perinteisellä jalostuksella tuotetuista puista. Tässä työssä tutkittiin siirrettyjen geenien vaikutuksia GM-rauduskoivun (Betula pendula Roth) sekä hybridihaavan (Populus tremula L. × tremuloides Michx.) endogeenisten geenituotteiden ja liukoisten fenoliyhdisteiden määriin. Lisäksi työssä tarkasteltiin ligniinirakenteeltaan muunnettujen rauduskoivulinjojen ektomykorritsasymbioosia sekä ligniinimuunnettujen ja Vitreoscilla sp. -bakteerin hemoglobiinia (VHb) tuottavien hybridihaapalinjojen lehtien laatua perhostoukkien ravintona. Biolistisella geeninsiirrolla tuotetuista Amerikan haavan 4-kumaraattikoentsyymi A-ligaasi -geeniä (Pt4CL1) ilmentävistä rauduskoivulinjoista yhdessä havaittiin ligniinin syringyyli- ja guaiasyyliyksikköjen suhteessa muutos. Havaittu muutos aiheutui todennäköisesti koivun Bp4CL1-geenituotteiden määrän vähenemisestä. Myös kaffeaatti/5-hydroksylaatti O-metyylitransferaasi -geeniä (PtCOMT) ilmentävissä, ligniinirakenteeltaan muunnetuissa rauduskoivulinjoissa havaittiin endogeenisen BpCOMT-geenin tuotteiden määrän väheneminen. Tulokset viittaavat siihen, että Bp4CL1- ja BpCOMT-geenien tuottamat entsyymit toimivat rauduskoivun monolignolien biosynteesissä. Ligniiniominaisuuksiltaan muunnettujen rauduskoivujen liukoisista fenoliyhdisteistä todettiin muutoksia ensisijaisesti kanelihappojohdannaisissa, jotka liittyvät läheisesti monolignolien biosynteesireittiin. Ektomykorritsasymbioosissa tai perhostoukkien kasvunopeudessa ei havaittu kasvien geneettisestä muuntamisesta johtuvia eroja. Merkitseviä eroja ei todettu myöskään hybridihaapalinjojen herbivoria-vasteissa. On kuitenkin otettava huomioon, että kaikki tutkimuksen kokeet suoritettiin kasvihuoneissa käyttäen vasta juveniilivaiheessa olevia kasveja. Jotta abioottisten ja bioottisten ympäristötekijöiden sekä GM-puiden vuorovaikutusta olisi mahdollista arvioida kokonaisvaltaisesti, puita pitäisi tutkia pitkäaikaisissa kenttäkokeissa