Õhu CO2 kontsentratsioon on viimase saja aasta jooksul järjepidevalt kasvanud, mõjutades kliimat ja taimestikku. Siiski ei ole praeguseni selge, mil moel see mõjutab taimede eluvõimet ja saagikust – tunnuseid, mis on jätkusuutliku toidutoomise alustalad.

Tartu ülikooli tehnoloogiainstituudi teadlaste juhtimisel avastati taimsete valkude koostöömehhanism, mida taimed rakendavad oma veekasutuse ja kasvu reguleerimiseks õhu süsihappegaasi ehk CO2 taseme muutudes. Tulemused avaldati hiljuti kahe mahuka artiklina mainekates tippajakirjades PLOS Biology ja Plant Cell. Täna valis Plant Cell selle ka enda aasta märkmimisväärseimate publikatsioonide sekka.

Doktorant Hanna Hõraku sõnul hingavad ja higistavad taimed lehtede ja varte pinnal asuvate mikroskoopiliste avade kaudu, mida nimetatakse õhulõhedeks.

“Hommikuti õhulõhed avanevad, süsihappegaas pääseb taime ja fotosüntees võib alata. See on protsess, mille käigus CO2-st toodetakse suhkruid ja vabaneb loomse elu alus hapnik,” kirjeldas Hõrak.

“Samas kaasneb õhulõhede avanemisega alati ka vee aurumine lehe seest atmosfääri. Sealjuures pääseb lõviosa vihmana maha sadavast veest atmosfääri just sel teel. Põuatingimustes võivad taimed aga närbuda ja hukkuda. Selle vältimiseks toimub õhulõhede sulgumine. Õhulõhede avatust mõjutab ka õhu süsihappegaasi sisaldus.”

Õhulõhed ja süsihappegaas

Juba varem on professor Hannes Kollisti juhitaval laboril õnnestunud näidata, et kõrge CO2 taseme mõjul aktiveeritakse taimedes teatud tüüpi ioonkanal ja käivitub ioonide väljavool õhulõhesid moodustavatest sulgrakkudest.

“Sellega kaasneb õhulõhede sulgumine. Aga see, kuidas toimub CO2 mõjul signaaliülekanne, mis viib ioonkanalite aktiveerimiseni, ei olnud selge,” sõnas Kollist.

Eesti teadlaste juhtimisel läbi viidud uurimistöö, kus osalesid ka Soome, USA ja Hiina teadlased, tegi antud valdkonnas murrangulise edasimineku. Nimelt avastati, et mitmetel õhulõhede regulatsioonis osalevatel valkudel on CO2 tajumisel väga olulised ja seni teadmata olnud ülesanded.

Töö läbiviimisel biokeemiliste eksperimentide eest vastutanud doktorandi Kadri Tõldsepa sõnul näidati esmakordselt teatavat tüüpi regulaatorvalkude (MAP kinaasid - mitogeen-aktiveeritud proteiinkinaasid) olulisust õhulõhede reageerimisel CO2-le. Avastati, et need regulaatorid on võimelised takistama õhulõhede CO2 tajumises keskse tähtsusega valgu (HT1) tööd.

“Selline tõkestusmehhanism võimaldab regulaatorvalkudel aktiveerida ioonkanalid ja kutsuda esile õhulõhede sulgumise kõrge CO2 mõjul,” sõnas Tõldsepp.

Avastuseni näitas teed müürlook

Uudse mehhanismi iseloomustamiseni jõuti mitmete erinevatest kasvukohtadest pärit hariliku müürlooga (Arabidopsis thaliana) taimede CO2-tajumise uurimise käigus.

Näiteks, artiklis, mille esimeseks autoriks oli doktorant Liina Jakobson uuriti, miks on Roheneemesaartelt (Cape Verde) pärit müürlooga õhulõhed enam lahti ja reageerivad CO2 taseme muutustele vähem, kui Euroopast pärit müürlooga õhulõhed.

Uudse mehhanismi avastuseni viis neli erinevates laborites sõltumatult alguse saanud projekti. Olulist rolli mängis Eesti teadlaste juhtimisel toimunud Soome, USA ja Hiina uurimisrühmade vaheline koostöö. See võimaldas kontrollida tekkinud hüpoteese erinevate meetoditega ning saada aru, kuidas uuritavad regulaatorvalgud omavahel suhtlevad.

Professor Hannes Kollist lisas, et kasvava süsihappegaasi taseme ja muutuva kliima tingimustes on väga oluline mõista eluslooduses toimivaid molekulaarseid mehhanisme. “Eriti oluline on selgitada neid protsesse taimedes – organismides, mis annavad meile lisaks toidule ja hapnikule ka paljude kemikaalide, nagu näiteks ravimite, maitse- ja lõhnaainete ning ehitusmaterjalide lähteprodukte.”

Eesti teadlaste avastused aitavad aru saada, kuidas mõjutab CO2 taimede kasvu. Saadud teave aitab kaasa teadmistepõhise põllumajanduse arengule ja võimaldab aretada vettsäästvaid toidutaimi, mis on saagikad ka kõrge CO2 tasemega keskkonnas.

Tartu teadlaste eestvõttel on juba algatatud jätku-uuringud, kus kontrollitakse avastatud mehhanismi toidutaimedes, näiteks tomatis ja riisis. Jätkatakse ka uuritud valkude struktuuri kirjeldamist. Töö praktiline eesmärk on aretada efektiivsemaid taimi ning töötada välja ühendeid, mis võimaldavad suurendada taimede veekasutuse efektiivsust.