Þrekvirki í erfðafræði íslenskra plantna

Dr. Kesara Margrét Anamthawat-Jónsson hefur unnið stórvirki á sviði erfðafræði íslenskra plöntutegunda. Hún er prófessor emerita í grasafræði og plöntuerfðafræði við líf- og umhverfisvísindadeild Háskóla Íslands og hefur kennt plöntulífeðlisfræði, plöntuerfðafræði og líftækni ásamt greinum sem snerta sameinda- og frumuerfðafræði plantna og líffræði hitabeltisins.

Kesara fæddist í Bangkok, höfuðborg Taílands, árið 1951. Hún fór í grunn- og framhaldsnám í borginni, og þaðan í háskóla 18 ára gömul. Eftir afar strangt inntökuprófi fékk hún inngöngu í raunvísindadeild Chulalongkorn-háskóla, elsta háskóla landsins. Að loknu fjögurra ára námi útskrifaðist Kesara með B.Sc.-gráðu í grasafræði, með hæsta einkunn, og hlaut fyrir gullorðu Taílandskonungs, Bhumibols Adulyadej Rama IX, og drottningarinnar Sirikit, árið 1973.

Í kjölfar útskriftar var hún ráðin lektor í grasafræði við Chulalongkorn og eftir þrjú ár í starfi fékk hún námsleyfi frá háskólanum og fullan námstyrk Fullbright-stofnunar frá bandaríska sendiráðinu í Bangkok til meistaranáms í Bandaríkjunum. Frumuerfðafræðin hafði þá þegar vakið athygli hennar. Ástin átti þó eftir að gjörbreyta lífi hennar.

„Ég valdi mér Kansas-háskóla, einn af Fullbright-tengdu ríkisháskólunum, og stundaði þar grasafræðinám með áherslu á frumuerfðafræði og þróunarfræði plantna. Ég útskrifaðist með MA-gráðu árið 1979. Þá fór ég til baka í stöðu lektors við Chulalongkorn, og fyrir lok þess árs giftist ég Friðriki Jónssyni frá Íslandi í Bangkok. Við kynntumst á námsárunum í Bandaríkjunum en þar stundaði Friðrik flugvélaverkfræðinám við sama skóla,“ útskýrir Kesara.

Hún kvaddi Chulalongkorn árið 1981 og flutti til Íslands með Friðriki. „Ég réð mig við Rannsóknastofnun landbúnaðarins á Keldnaholti þar sem ég fékk einnig tækifæri til að vinna verkefni á mínu sviði, frumuerfðafræði plantna. Eftir átta ár á Íslandi, eða 1988, hóf ég doktorsnám við Cambridge-háskóla í Bretlandi þar sem ég stundaði doktorsrannsókn á nýju sviði sameinda- og frumuerfðafræði (e. molecular cytogenetics). Doktorsnámið var styrkt með Cheveningnámsstyrk breska sendiráðsins í Reykjavík, Overseas-námsstyrk breska ríkisins og sömuleiðis fékk ég rannsóknalaun BP (British Petroleum). Ég útskrifaðist PhD Cantab (Cantabrigensis) árið 1992,“ segir hún.

Heimur undir smásjá

Áhuginn á frumuerfðafræðinni kom snemma til. „Hann kviknaði í grunnskóla þegar ég fékk að nota litla smásjá í líffræðitíma og leika mér með hana utan skólatíma. Ég var skipuð bekkjarstjóri á hverju ári og í tengslum við það var ég verðlaunuð með tækifæri til að gera ýmislegt skemmtilegt utan námskrár. Ég valdi smásjárnotkun, listaverkefni og fleira. Skoðaði allt sem hægt var að sjá í takmarkaðri stækkun þess tíma og segja má að heimur minn hafi verið undir smásjá,“ segir Kesara glettin.

Við raunvísindadeild Chulalongkorn-háskóla var grasafræðin eina deildin sem bauð upp á frumuerfðafræði (cytogenetics) og smásjárnotkun. „Á síðasta ári í grasafræðináminu (1972) var ég ein nemenda valin til að prófa fyrstu rafeindasmásjá landsins sem var í eigu Chulalongkorn-ríkisspítalans. Þá var ég að vinna verkefni um veirusjúkdóm í brönugrösum. Þessi smásjá gaf mér fyrstu mynd af veirunni CymMV (Cymbidium mosaic virus). Til viðbótar lærði ég mikið um plöntulífeðlisfræði, en tilgangurinn þá var að einangra veiruna fyrir smásjárskoðun. Eftir BSc-námið stundaði ég svo viðbótarnám í frumuerfðafræði við grasafræðideild sem var góður undirbúningur fyrir mig í að taka að mér kennslu á þessu sviði við deildina,“ lýsir Kesara.

Í meistaranáminu í Bandaríkjunum kom ekkert annað til greina en frumuerfðafræði og þróunarfræði plantna sem sérgrein. „Þegar ég var tilbúin að fara í doktorsnám, árið 1988, fékk ég inngöngu í þrjá háskóla í Bretlandi; Imperial College London (fyrir nám í líftækni örvera), King‘s College í London (doktorsverkefni um frumulíffræði brjóstakrabbameins með fullum námsstyrk) og Cambridge-háskóla (frumulíffræði plantna). Ég valdi Cambridge. Forsagan er sú að áður hafði ég óvænt séð BBC-sjónvarpsþátt um rannsóknarhóp sem var að vinna með þrívíddaruppbyggingu plöntukjarna, og fann strax að þetta var fyrir mig,“ útskýrir hún.

Kesara starfaði á Rannsóknastofnun landbúnaðarins (RALA), nú rannsóknasetur Landbúnaðarháskólans í Keldnaholti, frá ársbyrjun 1982, uns hún söðlaði um og tók kennarastöðu við HÍ 1996. „Ég tók þó hlé frá RALA árabilið 1988–1991, fyrir doktorsnámið í Bretlandi. Ég varð svo lektor við HÍ, fékk framgang í stöðu dósents ári síðar og varð prófessor þar 1999.“

Kesara hefur nýtt smásjártækni í rannsóknum sínum, sérstaklega ljós-, flúr- og rafeindasmásjátækni (Mynd 1). Hún veitti einnig aðstoð við notkun rafeindasmásjár í rannsóknum á öðrum fræðasviðum hérlendis og erlendis, eins og vistfræði og fornleifafræði. Árið 2007 fékk Kesara boð um að gera Ísland að meðlimi í SCANDEM Nordic Microscopy Society, fagfélagi á Norðurlöndum um smásjártækni, bæði á sviði líf- og eðlisvísinda. SCANDEM var stofnað árið 1948 í Stokkhólmi, við Manne Siegbahnlaboratoriet (Nobelinstitutet för Fysik). Kesara gegndi embætti forseta SCANDEM í ellefu ár samfellt, frá 2014 til 2024. Eitt stærsta viðfangsefni hennar þar var að sigra samkeppni fyrir hönd SCANDEM um að verða gestgjafi samevrópskrar ráðstefnu um smásjártækni; EMC24 (European Microscopy Conference) sem haldin var í Kaupmannahöfn í ágúst 2024.

SCANDEM heldur árlega ráðstefnu og hefur hún tvisvar farið fram á Íslandi, árin 2009 og 2017, bæði skiptin í HÍ.

Birkið og melgresið

Kesara hefur unnið að mjög fjölbreyttum rannsóknarverkefnum hérlendis um 40 ára skeið. Sjálf telur hún nýja þekkingu á sviði erfðafræði plantna standa upp úr í rannsóknum sínum gegnum tíðina.

Hún segir megináherslu alltaf hafa verið frumuerfðafræði, hvort heldur er plantna, dýra eða mannsins. Tvö stærstu rannsóknasvið hennar tengist þó tveimur plöntuhópum, annars vegar birki og hins vegar melgresi.

„Með hóp birkis á ég við ættkvísl bjarkartegunda (genus Betula). Á Íslandi eru tvær tegundir til, s.s. Betula pubescens (birki, ilmbjörk, skógviður) og Betula nana (fjalldrapi, hrís) sem er jarðlægur smárunni. Blendingur þeirra er kallaður skógviðarbróðir (Mynd 1). Ég hef rannsakað erfðafræðilega eiginleika þessara tegunda á Íslandi,“ útskýrir Kesara.

Íslenskt birki sé oftast kræklótt, vegna kynblöndunar við fjalldrapa. „Genaflæði á milli birkis og fjalldrapa í gegnum tegundablöndun er talið vera þróunarfræðilegur kostur fyrir tegundirnar til að geta lifað af umhverfisbreytingar. Rannsóknin byrjaði þannig að í upphafi vinnu minnar við RALA hófum við Þorsteinn Tómasson samstarf að því að finna leið til að sanna tilgátu um erfðablöndun birkis og fjalldrapa. Þorsteinn stundaði víxltilraunir á meðan ég þróaði aðferðir í einangrun birkilitninga (birkilitþráða).

Við birtum fyrstu myndir birkilitninga í tímaritinu Hereditas (1986, 104. bindi) og síðan fyrstu grein um frumuerfðafræðilega sönnun á erfðablönduninni í sama tímariti (1990, 112. bindi). Í framhaldi af því fórum við Þorsteinn hvort sína leið. Hann hefur eftir það unnið við kynbætur birkis með það að markmiði að fá beinvaxið birkitré. Aftur á móti hef ég farið djúpt inn í að skilja erfðafræðilegan grunn fyrir erfðablöndun birkis og fjalldrapa í náttúrulegum skóglöndum. Þá var ég komin til starfa við Háskóla Íslands,“ segir hún jafnframt. Því ber að halda til haga að Kesara varð fyrst allra til að mynda umrædda birkilitþræði, með því að lita þræðina svo unnt væri að telja þá.

Hrinur tegundablöndunar

Fyrstu skrefin í þessa veru voru að kortleggja náttúrublendinga um land allt. Þar sem birki er fjórlitna tegund (tetraploid) og fjalldrapi tvílitna tegund (diploid), verður blendingur þeirra þrílitna (triploid) (Mynd 2).

„Þekking mín í frumuerfðafræði kom hér aftur að gagni. Þrílitna birki (skógviðarbróðir) finnst víða um landið, er að meðaltali um 10% af hverjum 500 birkiplöntum. Áhugavert er að flest kræklótt birki er ekki skógviðarbróðir en er birki sem hefur fengið eiginleika fjalldrapa í sig með genaflæði við tegundablöndun (fyrirbæri sem kallast „introgressive hybridisation“). Á hinn bóginn hefur fjalldrapinn líka fengið eiginleika birkis, þótt það sé ekki eins algengt,“ útskýrir Kesara.

Sameindaerfðafræðilegar rannsóknir (doktorsverkefni Ægis Þórs Þórssonar) hafi staðfest genaflæðið og leitt í ljós að íslenskt birki hafi mismunandi uppruna. „Frjókornarannsóknir, sem er doktorsverkefni Lilju Karlsdóttur, leiddu í ljós að tegundablöndun birkis og fjalldrapa hefur átt sér stað allt frá byrjun nútíma (Holocene). En tíðni blöndunarinnar er breytileg yfir þennan tíma. Merki um hrinur tegundablöndunar fundust í tengslum við hlýnandi veðráttu og útbreiðslu birkis nálægt hlýjasta skeiði nútíma,“ segir Kesara enn fremur.

Flúrljómun litninga og ný ættkvísl

Annar hópur plantna sem hún hefur unnið við í áratugi, samhliða birkirannsóknunum, er melgresi.

„Um er að ræða ættkvíslina Leymus, ættkvísl meltegunda sem er ein af mörgum ættkvíslum í undirætt hveitis (Triticeae). Ættkvíslin Leymus inniheldur um 30 fjölærar og fjöllitna meltegundir en þær hafa útbreiðslu víða um norðurhvel jarðar. Ein þeirra tegunda sem vex víða á Íslandi er Leymus arenarius og er hún oft kölluð „íslenskt melgresi“ þrátt fyrir að hafa útbreiðslu víða um Norður-Evrópu. Tveir meistaranemendur í minni umsjón; Sigríður Klara Böðvarsdóttir og Sæmundur Sveinsson, og þrír doktorsnemendur; Pernilla EllneskogStaam, Víctor Lucía og G. Benjamin Leduc, og aðrir nemendur eða rannsakendur við HÍ, svo sem Birkir Bragason, hafa frá 1994 til þessa dags unnið mismunandi verkefni um melgresi og skyldar tegundir og ættkvíslir í undirætt hveitis,“ segir hún.

Með notkun sameindaerfðafræðilegra aðferða hafa þau greint erfðabreytileika meðal melgresisstofna á landinu og eru nú að skrifa handrit til birtingar um erfðauppruna melgresis í Surtsey (Mynd 3). „Melgresi í Surtsey, sem óvænt reyndist upprunnið frá suðurströnd Íslands en ekki Heimaey, hefur til viðbótar blandast og þróast mjög hratt í eynni,“ hnýtir hún við.

Flest verkefni Kesöru eru þó á sviði frumuerfðafræðinnar, sérstaklega með notkun litningaaðferða og flúrsmásjártækninnar sem hún lærði í doktorsnáminu í Bretlandi. „Eftir að ég kom aftur til Íslands eftir doktorsnámið höfum við unnið að greiningu erfðamengja í fjöllitna Triticeae-tegundum, m.t.t. íslensks melgresis, og höfum birt u.þ.b. 20 greinar um niðurstöður rannsókna okkar í Web-of-Sciencegagnagrunninum (WoS), allt frá 1995 og þar til nú,“ segir hún og bætir við að stór hluti þessarar vinnu sé unninn í samstarfi við evrópska háskóla.

„Skemmtilegast að mínu mati er þegar við notuðum aðferðina flúrljómun litninga, ásamt grasafræðilegri greiningu, til að uppgötva nýja ættkvísl og nýja tegund í undirætt hveitis, Triticeae, frá Miðjarðarhafssvæðinu (doktorsrannsóknir Victor Lucía frá Spáni),“ segir hún jafnframt. Nýja Triticeae-ættkvíslin sé „PAUNEROA V.Lucía, E.Rico, K.Anamth.-Jon. & M.M.Mart.Ort., gen. nov.“ (Lucía et al. 2019, Bot J Linn Soc 191: 523-546).

Kesara segist luma á óbirtum verkefnum, m.a. um tegundablöndun íslensks melgresis (Leymus arenarius) og amerískrar meltegundar (Leymus mollis) í suðvesturhluta Grænlands.

Ný korntegund til brauðgerðar

Frá árinu 1994, þegar hún starfaði á Keldnaholti, hefur Kesara unnið að þróun nýrrar korntegundar til brauðgerðar sem hún nefnir „melhveiti“ (Triticoleymus). „Það er manngerð blendingstegund sem mynduð er með víxlfrjóvgun milli melgresis og hveitis og er talin henta í ræktun á Íslandi. Útkoman er breytileg blöndun af melgresisog hveitilitningum í erfðamengi blendingsins (Mynd 4).

Uppskera verður líklega ekki mjög mikil en ræktunin gefur okkur fjölbreytilegri úrval af korntegundum. Hingað til hef ég nýtt nokkra einæra stofna melhveitis sem tilbúnir eru til tilraunaræktunar (Mynd 5). Vonir standa til að melhveitismjöl geti bætt bragð, áferð og næringargildi hveitibrauðs,“ segir Kesara enn fremur.

Fullnægjandi grunnþekkingar þörf

Aðspurð hvað hún vilji sjá gerast næst hér á Íslandi tengt plöntuerfðafræði segir hún mikilvægt að tryggja að nemendur, bæði í menntaskólum og háskólum, fái fullnægjandi grunnþekkingu á sviði grasafræði, plöntulífeðlis- og erfðafræði, til að geta byggt frekari rannsóknir á. „Plöntulífeðlis- og erfðafræði er grunnur að þróun á ýmsum hagnýtum sviðum, svo sem í plöntulíftækni, lyfjaþróun, landbúnaði o.fl.,“ bætir hún við.

Kesara hefur vissulega lagt mikilvæg lóð á þær vogarskálar og hefur sem aðalleiðbeinandi útskrifað tvo doktora við HÍ, á sviði erfðafræði birkis, en einn á eftir að verja doktorsritgerð sína um erfðafræði melgresis. Sem meðleiðbeinandi hefur hún útskrifað sjö doktorsnemendur: einn við HÍ, annan frá SLU í Svíþjóð, þriðja frá Universidad de Salamanca á Spáni og fjóra í tveimur háskólum í Bangkok í Taílandi, öll á sviði frumuerfðafræði.

Fram til þessa hefur Kesara birt 338 vísindagreinar, bókakafla og ráðstefnurit, en þar af er helmingur ritrýndar greinar í WoSvísindatímaritum. Dæmi um slík vísindatímarit eru BMC Plant Biology, eLife, New Forests, Heredity, Annals of Botany, Journal of Systematics and Evolution, Journal of Biogeography, Molecular Ecology, American Journal of Botany, Theoretical and Applied Genetics, Hereditas, Genome, Botanical Journal of the Linnean Society, Grana, Genetics, Chromosome Research, Plant Molecular Biology, Journal of Cell Science o.fl.

Auk áðurnefndrar gullorðu hlaut Kesara árið 1980 heiðursorðu (The Most Exalted Order of the White Elephant, Companion, Fourth Class) fyrir framlag sitt til menntamála í Taílandi. Árið 1999 hlaut hún heiðursviðurkenningu Háskóla Íslands fyrir lofsvert framlag til rannsókna við háskólann. Árið 2019 var Kesara sæmd nafnbótinni Fellow of the Royal Microscopical Society of UK (RMS), og leyfi til að nota titilinn FRMS. Þá veitti hennar konunglega hátign, prinsessa Maha Chakri Sirindhorn, Kesöru viðurkenningarverðlaun árið 2023 fyrir framlag sitt til Vísindafélags Taílands í konunglegum bústað sínum, Sa Pathum Palace í Pathum Wan-hverfinu í Bangkok. Þá hlaut hún nýverið heiðursviðurkenningu frá Landi og skógi fyrir starf að erfðafræði birkis.

Umsjón með rannsóknaverkefnum

Kesara er nú komin á eftirlaun. Hún hefur þó enn umsjón með rannsóknaverkefnum, einkum hvað varðar erfðafræði melgresis og situr ekki auðum höndum. Þó að hún segi ekkert eitt eiga hug sinn í frístundum þessa dagana reyni hún þó að mæta á alla sinfóníutónleika sem fram fari í Hörpu.

Þess má og geta að Kesara var ötul í svepparækt árabilið 1985–1988. „Ég stofnaði þá og byggði upp sveppabú í Reykjavík, á borgarlóðinni Lambhagalandi, í samstarfi við Dagbjörtu Kristínu Ágústsdóttur. Það var ævintýralegur tími fyrir mig,“ segir Kesara að endingu.