TÜ taimebioloogid pakuvad Eesti põuastele põldudele lahendusi
Süsihappegaas (CO2) on taimedele elutähtis ja need omastavad seda lehtedel paiknevate õhupilude kaudu. Sõltuvalt CO2 hulgast õhus, hoiab taim pilusid lahti rohkem või vähem. Tartu Ülikooli teadlased said jälile mehhanismile, mis paneb taimi õhupilusid sulgema ja avama. Avastus võimaldab aretada põuakindlamaid taimesorte.
"Esimesed inimühiskonnad tekkisid Niiluse orus ning Mesopotaamias Tigrise ja Eufrati ümbruses – kohtades, kus sai põllumajandust viljeleda tänu sellele, et vesi ei olnud seal reeglina piirav tegur," ütleb Tartu Ülikooli molekulaarse taimebioloogia professor Hannes Kollist. Hiljemgi on põllumajandus õilmitsenud piirkondades, kus vett on piisavalt või toovad selle kohale niisutussüsteemid.
"Aastatuhandete jooksul on taimi aretatud pigem võimalikult hea saagi, maitse või mingite muude omaduste põhjal, aga mitte optimaalse veekasutuse suunas," jätkab Kollist. Nüüd on aga maailma rahvaarv väga kiiresti kasvanud ja looduslikud ressursid aina piiratumad. Pealekauba on kliimamuutuse mõjul mitmed traditsioonilised põllumajanduspiirkonnad Hispaanias ja Itaalias Kollisti sõnul sisuliselt kõrbestumas.
"Niisiis on taimebioloogia üks peamisi eesmärke leida viise, kuidas aretada kultuurtaimi, mis oleksid looduslike ressursse, sealhulgas vett kasutades võimalikult säästlikud," märgib ta. Järelikult tuleb professori sõnul edaspidi aretada põllukultuure, mis taluksid põuda paremini.
"Üks viis vett võimalikult optimaalselt kasutavate taimede aretamiseks on uurida õhulõhede avanemise ja sulgumise mehhanisme," sõnab ta. Kollisti töörühm saigi juba 2016. aastal jälile, millised valgud taimes õhulõhede asendit reguleerivad. Nüüd valmisid neil aga uued uuringud, mis avavad nende valkude koostoime mehhanismi.
Kahe valgu saatuslik kohtumine
Taimede õhulõhede liikumise eest vastutavad kaks ühendit: HT1 ja MPK12. Täpsemalt on need proteiinikinaasid ehk ensüümid, mis teise valguga kohtudes lisavad neile uue jupi ehk ortofosfaatrühma. "Näitasime 2016. aastal, et need kaks kinaasi, MPK12 ja HT1, satuvad omavahel vastastikmõjusse ja see on taimes süsihappegaasi tajumisel oluline," meenutab Hannes Kollist.
Toona jäi õhku küsimus, kuidas on kahe kinaasi kohtumine seotud taimi ümbritseva õhu süsihappegaasi-sisaldusega. "Nüüd näitame kahes artiklis, et nende kahe valgu vastastikmõju vahendab süsihappegaas," osutab professor.
Esimene, ajakirjas Science Advanes ilmunud artikkel, näitas Kollisti sõnul, et keskkonnast tulev süsihappegaas paneb kaks kinaasi omavahel seonduma. "Selle seondumise toimel HT1 valgu töövõime ehk biokeemiline aktiivsus peatub," kirjeldab ta.
Rakud aga mängivad taimelehes justkui telefonimängu ja ütlevad omavahel edasi, millised olud ümbritsevas õhus parasjagu valitsevad. Tavaliselt annaks HT1 fosfaatrühma näol oma sõnumi edasi kahele järgmisele valgule CBC1 ja CBC-2-le. Need liigutavad siis omakorda õhulõhesid kinni- või lahtiasendisse. "Kui süsihappegaasi sisaldus kasvab, siis MPK12 seondub HT1-ga. HT1 ei ole seepeale enam aktiivne ja edasine protsess pidurdub," võtab Kollist toimuva kokku.
Teine, ajakirjas New Phytologist avaldatud artikkel näitas professori sõnul sisuliselt sama. "Meie artikkel näitas, et kogu see mehhanism põhineb puhtalt kahe valgu vahelisel seondumisel," täpsustab ta. See tähendab, et MPK12 ensüümi tegevus fosfaatrühma lisajana ei mängi selle juures rolli. Samas toimib CO2 justkui molekulaarne liim, mis seob kaks valku omavahel kokku.
Uus teerada
Hannes Kollisti töörühmas arendas Taiwanist pärit, kuid nüüdseks juba 15 aastat Tartus töötav kaasprofessor Yuh-Shuh Wang valkude seondumise uurimiseks välja uue tööriistakasti. "Yuh-Shuh tegi MPK12 valgust neli erinevat mutanti," kirjeldab ta. Kaks mutatsiooni olid sellised, mis muutsid valgu eriti aktiivseks. Teised kaks mutatsiooni rikkusid valgu aktiivsuse aga täielikult ära. "Selgus, et kaks neist sulgesid taimedele rakendatuna õhulõhesid ja kaks mitte," osutab ta.
Seejärel võttis Yuh-Shuh taimed, kus MPK12 valk puudus – sellistes taimedes on õhulõhed pigem lahti. "Yuh-Shuh lisas neile neli valguversiooni ja vaatasime, milline versioon taastas süsihappegaasi-reaktsiooni ja milline mitte," meenutab ta. Selline katse ei andnud aga mitte mingit tulemust.
"Kui aga vaatasime, et milline MPK12 seondus taimes leiduva HT1 valguga ja milline ei seondunud, läks kõik paika," märgib professor. Siis ilmneski, et HT1-ga seondus üks taime aktiivseks muutvatest ja üks taime aktiivust pärssivatest mutantidest. Nii oli selge, milliseid mutatsioone tuleks taimes õhupilude avamiseks või sulgemiseks teha.
Lahendustele avatud õhupilud
Lugejal võib Hannes Kollisti sõnul tekkida küsimus, miks on vaja sellist mehhanismi nii täpselt uurida. "Selleks, et aretada põuakindlamaid taimi, tuleb meil muu hulgas üksikasjalikult mõista taime veevahetuse regulatsiooni. Viimase üks oluline osa on õhupilude lahti-kinni käimine," annab ta vastuse.
Õhupilud ise on väikesed avaused taime katvas väliskihis ehk epidermises, mis on kaetud vettpidava vahakihi ehk kutiikulaga. Kollisti sõnul arenesid need ürgajaloos välja siis, kui taimne elu levis oma merelisest hällist maismaale. "Taim pidi siis lahendama tohutult keerulise ülesande: järsku oli vaja hakkama saama täiesti kuivas atmosfääris, olles ise seest märg. Rakuline elu saab ju teatavasti toimida ainult vesikeskkonnas, aga kuidagi oli samas vaja väljastpoolt süsihappegaasi sisse lasta," kirjeldab professor.
Kutiikula ja õhupilud olidki tema sõnul taime uuenduslik lahendus. Taim saab pilusid avada, et fotosünteesiks vajalik süsihappegaas sisse pääseks. Samas peab taim jälgima, et pilu poleks liiga avali: muidu aurab liiga palju vett välja. "Taim püüab leida tasakaalupunkti, et õhupilud oleks gaasivahetuseks piisavalt lahti, aga samal ajal piisavalt kinni, et taim kuivas pinnases liigselt vett ei kaotaks ja patogeenid või saasteained sisse ei pääseks," täpsustab Kollist.
"Enamasti piirab taimekasvatust kõige rohkem vee kättesaadavus – temperatuur muidugi ka, aga vesi siiski kõige rohkem," tõdeb Kollist. Kuna toitu on tänapäeval vaja kasvatada üha veevaesemates oludes, kulubki professori sõnul marjaks ära oskus aretada võimalikult vettsäästvaid taimi.
Muutuva kliimaga on uuel avastusel süsihappegaasi näol teinegi seos. "Inimtegevusega igal aastal õhku paisatav CO2 hulk on suurusjärgu võrra väiksem võrreldes CO2 hulgaga, mida taimed samal ajal fotosünteesi käigus atmmosfäärist omastavad," võrdleb ta. Teisisõnu globaalsele CO2 probleemile lahendust otsides on taimed tõelised Kollisti sõnul tõsised tegijad. Siingi tuleb tema sõnul kasuks, kui mõistame paremini taimede süsihappegaasi omastamise viisi – eriti olukorras kus CO2 kontsentratsioon kliimamuutuste tõttu kasvab.
Kui CO2 hulk tõuseb, siis taime õhupilud tajuvad seda ja sulguvad. "Meie töö tulemusel oskame nüüd kasutada mutatsioone ühes või teises valgus, et valgu töö tõkestada. Sel juhul õhupilud kas on kinni või ei lähegi süsihappegaasi tõttu kinni," kirjeldab professor. Nii avanebki teadlastel võimalus aretada kinnisemate piludega veesäästlikke ja lahtisemate piludega ohtralt süsinikku siduvaid taimi.
"Meil on samal põhimõttel juba olemas tomatitaimed, kus on kaks HT1 ühendit ära rikutud," ütleb ta. Ehkki tomati veevahetuse uurimine on näidanud, et taimede veekasutus sõltub väga palju sellest kui palju seda parasjagu mullast võtta on, näitavad professori sõnul nende tulemused, et HT1-tomat kasutab vett oluliselt vähem ja peab põua tingimustes oluliselt kauem vastu. "Samas saaki annavad HT1- tomatid sama palju nagu tavatomatid," võrdleb Kollist. Nüüd käib tema sõnul töö muundatud genoomiga ja loodetavasti põuakindlama HT1-odra aretamisega.
Hannes Kollist ja kolleegid kirjutavad oma avastustest ajakirjades Science Advances ja New Phytologist.
