Eesti Looduse fotovõistlus
2010/3



   Eesti Looduse
   viktoriin


   Eesti Looduse
   fotovõistlus 2012




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
Intervjuu EL 2010/3
Taimede stressi aitavad maandada õhulõhed

Hannes Kollist on sündinud 30. novembril 1970 Tartus. Lõpetas 1989 Tallinna 47. keskkooli (praegune Liivalaia gümnaasium) ja 1994 Tartu ülikooli keemikuna. Töötas 1993–1996 Tartu sanatoorse kooli (praegu Herbert Masingu kool) geograafia- ja keemiaõpetajana, 1994–2001 TÜ molekulaar- ja rakubioloogia instituudis, laborandi ja teadurina. 1995–1996 töötas Taanis keskkonnauuringute instituudis ja Risø teaduskeskuses, 1999–2000 Soome metsauuringute instituudi Suonejoki uurimisjaamas. Praegu TÜ tehnoloogiainstituudi taimebioloogia vanemteadur. 1997 sai Tartu ülikoolis magistrikraadi ja 2001 Ph.D. („Lehe rakuseina askorbaat kui osooni hävitaja ja tema transport läbi plasma membraani”). Uurinud eri taimeliikide antioksüdatiivset kaitsevõimet ja osooni käivitatud rakusurma regulatsioonimehhanisme. Praegu uurib peamiselt taime õhulõhede regulatsiooni. Töötanud ja täiendanud end Taanis, Hispaanias, Itaalias ja Soomes. Sai tänavu riigi teaduspreemia kollektiivi juhina (liikmed Heino Moldau ja Triin Vahisalu) uurimistööde tsükli „Taimede stressitaluvus” eest.

Teaduspreemia saanud uurimuste tsükkel kandis lihtsat pealkirja „Taimede stressitaluvus”. Bioloogiakaugele inimesele jääb see kahtlemata arusaamatuks – no mis stress võib taimedel küll olla? Mida mõeldakse taimede stressi all?

Mõned kümned aastad tagasi võttis sel teemal sõna koguni Ameerika president. Sõnum oli tal midagi sellist: püha taevas, milleks meile veel taimestressi uuringud – inimestel niigi stressi palju ja vahendeid teadustööks napib.
Kui tõsisemates toonides jätkata, siis taimedel tekib stress siis, kui tingimused pole kasvuks optimaalsed. Ja seda juhtub ju kogu aeg. Kas on liiga külm või kuum, on vett või valgust liiga vähe või hoopis liiga palju. Napib toitaineid, ründavad patogeenid. Nagu näha, osa taimedele stressi tekitavaid mõjureid põhjustavad stressi ka inimestel. Kuid erinevalt inimestest puudub taimedel võimalus stressi eest pageda, sest nad on juurtega maas ega pääse liikuma. Seetõttu on taimedest saanud suurepärased stressitalujad.
Preemia pälvimisel oli ilmselt kaalukaim argument see, et meil õnnestus kirjeldada taime õhulõhede plasmamembraani anioonkanal. Juba aastakümneid tagasi selgus, et õhulõhede kiire sulgumise käivitamisel mängib võtmerolli anioonkanali aktiveerumine, kuid polnud teada, milline geen seda kanalit kodeerib ja milline on vastava valgu struktuur.
Tuleb tunnistada, et meie tegelikult sulgrakkude anioonkanalit ei otsinud. Otsisime hoopis geene ja valke, mis reguleerivad taimede osoonitundlikkust. Kasutasime selleks erinevaid osoonitundlikke mutante. Selgus, et ühe mutandi osoonitundlikkuse põhjustajaks oli mutatsioon geenis, mis osutuski sulgrakkude anioonkanaliks. Lähemal uurimisel tuli välja, et see kanal on vajalik õhulõhede sulgumiseks peaaegu kõikide teada-tuntud mõjurite toimel. Seega on tegemist taime jaoks kaunis olulise valguga. Ühtlasi on meil õnnestunud selgitada leitud kanali regulatsioonimehhanisme.

Kas peale anioonkanali on ka muid mehhanisme, mis õhulõhe sulgrakkude liikumist mõjutavad?

Oo jaa. Eks peamine liikumapanev jõud on ikka vesi. Kui vesi liigub õhulõhe sulgrakkudesse, siis nad punduvad, tõmbuvad kõveraks ja õhulõhed on avatud; kui vesi liigub välja, siis õhulõhed sulguvad. Vee paneb liikuma osmootselt aktiivsete ainete kontsentratsiooni muutumine sulgrakus.
Et vesi sulgrakku saada, tuleb teha tööd. Selleks on sulgrakkude plasmamembraanis H+-ATPaas, mis kasutab rakusisest energiakandjat, ATP-d ja pumpab prootoneid rakust välja, seetõttu membraan polariseerub ja tekitab raku sisemuse ja välise ruumi vahel elektrokeemilise gradiendi, mida kasutatakse kaaliumioonide sulgrakku saamiseks. Viimane toimub kaaliumi kanalite kaudu.
Raku sees sünteesitakse fotosünteesi produktidest vastukaaluks negatiivseid orgaanilisi anioone, näiteks malaati. Õhulõhede sulgumisel inhibeeritakse H+-ATPaas, aktiveerub meie leitud anioonkanal, hiljem ka kaaliumi väljavoolu kanal, ioonid liiguvad rakust välja, sulgraku turgorrõhk langeb ja õhulõhe sulgub.
Peamised õhulõhesid avavad tõukejõud on valgus, suurenev õhuniiskus ja vähenev süsihappegaasi kontsentratsioon. Õhulõhede sulgumise käivitab pimedus, õhuniiskuse vähenemine, süsihappegaasi ja osooni kontsentratsiooni kasv. Tuntud mõjur õhulõhede sulgumisel on ka hormoon abtsiishape.

Kuidas taim anioonkanali talitlust reguleerib?

Ega seda veel päris täpselt ei teata. Kui vaadata anioonkanali oletatavat molekulaarset struktuuri, siis sel valgul on kümme transmembraanset domeeni, mis moodustavad struktuuri, mille kaudu anioonid liikuma pääsevad. Lisaks on valgu N-terminaalses osas nn. hüdrofiilne saba.
Kanali avamise ja sulgumise täpseid mehhanisme veel ei teata, aga üks võimalus on selline, et hüdrofiilne saba toimib nagu kork. Juhul, kui saba keemiliselt modifitseeritakse, näiteks lisades sinna fosfaatrühmi, siis ta keerdub kanalist välja ja kanal on avatud. Juhul, kui fosfaatrühmad eemaldatakse, tõmbub saba taas kanalisse ja kanal on kinni. Meil on ilmumas artikkel, kus näitame, et anioonkanali aktiveerib kanali N-terminaalse saba fosforüülimine proteiin kinaasiga OST1. Arvatavasti reguleeritakse anioonkanali talitlust just selle kinaasi aktiivsuse kontrolli kaudu.
2009. aastat võib nimetada õhulõhede regulatsiooni mõistmisel murranguliseks, kuna pärast pikaajalisi jõupingutusi ja korduvaid läbikukkumisi leiti lõpuks abtsiishappe (ABA) retseptorvalgud. Sel teemal ilmus ajakirjades Nature ja Science möödunud aastal kokku kuus artiklit ja avastuse valis Science’i toimetus üheks 2009. aasta tähtsündmuseks. Nende teadustööde tulemused õhulõhede regulatsiooni kohta võib võtta kokku nii, et leitud ABA-retseptorid kontrollivad nimetatud OST1 kinaasi aktiivsust. Selle täpsemat toimemehhanismi veel ei teata.

Õhulõhesid on päris mitut tüüpi, nii sulgrakkude paigutuse kui ka kaasrakkude hulga järgi. Kas avastatud anioonkanali valgud on eri tüüpi taimedel universaalsed?

Aus vastus on, et ei tea. Oletan, et anioonkanal on siiski universaalne. Vähemalt oleme väga analoogse järjestusega geeni leidnud süstemaatiliselt kaugetest taimedest, riisist ja paplist.

Miks on oluline taimede õhulõhesid uurida?

Õhulõhede avatus reguleerib taimede gaasivahetust. Nende kaudu pääseb taime tähtis toitaine – süsihappegaas – ja väljub loomse elu alus – hapnik. Kuna lehe sees on õhuniiskus 100%, väliskeskkonnas aga enamasti tunduvalt väiksem, siis kaotab taim õhulõhede avanedes paratamatult ka vett. Seda nimetatakse transpiratsiooniks. Transpiratsioon on muidugi ka vajalik protsess, sest see on jõud, mis tõmbab vee puude latvadesse. Ühtlasi pääsevad õhulõhede kaudu taime sisekeskkonda saasteained ja patogeenid.
Õhulõhesid sulgedes saab taim ennast keskkonnast isoleerida. Seega: õhulõhed on taime jaoks üsna olulised organid ja õhulõhede regulatsiooni mehhanismide tundmine on üks eeldusi stressi paremini taluvate sortide molekulaarseks aretuseks.

Teaduspreemia sai ka piimhappebakter, millel on otsene väljund inimese toidulauale. Kuidas taimede stressiuuringud inimese heaolu parandavad?

Meie uuringutel nii selget väljundit eestimaalaste toidulauale ei ole ja karta on, et ei tulegi. Kui käsitleda küsimust globaalsest vaatenurgast, siis piimhappebakter mängib rolli inimeste tervislikul toitumisel, mis on kahtlemata väga oluline, kuid sisuliselt saab seda hüve endale lubada vaid rikkam osa inimkonnast. Näljahäda pole maailmast kuhugi kadunud. Väidetakse, et alatoitumise käes kannatab kuni miljard inimest.
Taimede stressiuuringute eesmärk on mõista taimede stressiga kohastumise mehhanisme ja luua eeldused stressi taluvamate, samas vähenõudlike sortide aretuseks.
Näiteks, taimede puhul varieerub looduslik stressitaluvus enamasti tohutult. On ju selge, et põhja pool kasvavad isendid ei karda külma ja lõunapoolsed saavad ilmselt põua ajal hästi hakkama, kuigi tegu on sama liigiga. Kui me mõistame, millised on need geenid ja valgud, mis seda erinevust põhjustavad, siis on meil potentsiaalne võimalus vajalikke tunnuseid võrdlemisi kiirelt vajalikele põllukultuuridele üle kanda. Eks klassikaline sordiaretus ongi seda aastatuhandeid teinud, ristates eri sorte. Ainus vahe on selles, et nüüdisaegne tehnoloogia võimaldab seda teha kiiremini ja täpsemalt.

Kas kunagi võib jõuda ka sinnamaale, et inimene saaks mingit moodi taime õhulõhede avanemist-sulgumist omatahtsi kontrollida?

Üldiselt suhtun inimese kõikvõimsasse kontrolli looduse üle ettevaatlikult. Ega see nii lihtne ei ole.
Looduses on evolutsioon asju aastatuhandeid silunud ja sättinud. Need, kes on leidnud endale niši, on ellu jäänud, ja loota, et inimene siin midagi kiirelt ja targalt paremini seada suudab, on pisut naiivne. Kuid teatud juhtudel võib see siiski võimalik olla.
Toon näite meie teadusest. Uurides müürlooga maailma eri paigust pärit ökotüüpide õhulõhede avatust samadel tingimustel, selgus, et see tunnus varieerus enam kui viis korda. Isegi neil ökotüüpidel, kelle õhulõhed olid väga kinni, jätkus õhuvahetusest piisavalt süsihappegaasi fotosünteesiks. Kuigi õhulõhede juhtivus varieerus mitu korda, oli fotosünteesi aktiivsus ja taime kasv peaaegu sama. See tähendab, et osal ökotüüpidel olid õhulõhed selgelt liiga lahti ja sisuliselt nad raiskasid vett.
Kui nüüd selgub, et mõnel põllukultuuril on samad nn. vett raiskavad kalduvused, aga põllumehel on plaan kasvatada taimi piirkonnas, kus veevarud on piiratud, siis on ju selge, et kasulik oleks püüda leida või luua taimesort, mille õhulõhede avatus oleks pisut koomale reguleeritud. Arvatavasti oleme selleks varsti suutelised, võib-olla juba praegu. Iseasi, kas me seda tehes taime jaoks mingeid teisi probleeme ei tekita. Seega konkreetne ja lühike vastus sinu küsimusele on jah: ilmselt suudame küll, iseasi, kas sellest on ka kasu. Kuid ega enne teada ei saa, kui järele ei proovi.

Mida on uut taimede osoonitaluvuse uuringutes?

Vahepeal kiputi arvama, et taime osoonitundlikkus oleneb peamiselt sellest, kuivõrd taim suudab osooni toimel indutseeruvate hormoonide ning geenide õige avaldumise kaudu muuta osooni mõju lehe sees vähem toksiliseks. Aga meie viimased uurimused näitavad, et peamine tegur on palju lihtsam – õhulõhede avatus. Mida avatumad on õhulõhed, seda enam osooni pääseb lehe sisse ja seda ulatuslikumad on taime kahjustused. Näiteks taimeliinid, kus mainitud anioonkanal ei toimi, on osoonitundlikud, kuna õhulõhed ei sulgu osooni toimel, nii nagu see toimub looduslikel taimedel.
Kui rääkida veel meie tulemustest selles vallas, siis meil on ilmumas teadustöö müürlooga (Arabidopsis thaliana) maailma eri paikadest pärit ökotüüpide osoonitundlikkuse kohta. Selgus, et looduslike ökotüüpide osoonitundlikkus varieerub väga suurel määral. Tegime kindlaks, et selle variatsiooni peamine põhjustaja on erinev õhulõhede avatus.
Eriti huvitav oli see, et ökotüüpide osoonitundlikkuse variatsioon oli tunduvalt suurem kui varem kirjeldatud osoonitundlikel mutantidel. See näitab, et pelgalt laborimutantide aeg hakkab ilmselt otsa saama ja mõistlik on olulisi tunnuseid kirjeldavate mehhanismide avastamiseks uuesti laborist välja minna ja uurida vastuste saamiseks looduslikku variatsiooni.

Mainisid põhilise katsealusena müürlooka. Mis taimi te veel katsetes kasutate? Kas uurite samu nähtusi ka looduslikus koosluses?

Praegu on peamine uurimisobjekt tõesti müürlook, kuid paistab, et tasapisi hakkab laborisse tagasi tulema ka tubakas. Praegu me looduslikes kooslustes katseid ei tee, kuid võib-olla alustame eksperimenti, et saada teada, milline geenikomplekt on oluline müürlooga kohastumiseks meie kliimaga. Plaanime selleks kasutada Portugalist ja Lõuna-Soomest pärit müürlooga ökotüüpide ristandite populatsiooni. Kui asi peaks õnnestuma, siis oskame ehk öelda, millised geenid ja valgud teevad Lõuna-Soome müürlooga külmataluvaks ja vastupidi, millised geenid ja valgud suurendavad Portugali ökotüübi põuakindlust.

Mida näitas rakuseina askorbaadi antioksüdatiivse tugevuse uurimine? Mispoolest on tähelepanuväärne müürlooga osooni- ja valgustundlik mutant rcd2?

1990. aastate alguses püstitati hüpotees, et taime osoonitundlikkust mõjutab oluliselt taime rakuseina askorbaat ehk C-vitamiin. Askorbaat on teatavasti antioksüdant, mis hävitab vabu radikaale ja ka osooni. Pakuti, et taime rakuseina askorbaadist piisab lehte sisenenud osooni hävitamiseks.
Siiski, katsetega oli seda hüpoteesi kontrollitud võrdlemisi pealiskaudselt. Hüpoteesi kontrollimine sai minu doktoritöö teemaks. Selgus, et rakuseina askorbaadist on osooni detoksifitseerimisel siiski üsna vähe abi, kuna taime rakusein on õhuke: osooni ja askorbaadi reaktsiooni jaoks ei jätku lihtsalt aega ja enamik osoonimolekule difundeerub läbi rakuseina ja jõuab tundliku plasmamembraanini.
Osooni- ja valgustundliku mutandi rcd2 iseloomustamine oli minu esimene töö Helsingi ülikoolis. Mul õnnestus küll välja selgitada, millises geenis osooni- ja valgustundlikkust põhjustav mutatsioon paikneb, kuid tuleb tunnistada, et ma ei saanudki selgust, milline on selle geeni ja vastava valgu bioloogiline roll. Tegu oli kloroplasti membraanvalguga, aga milles seisneb tema biokeemiline funktsioon, pole aimu siiani. Lohutuseks võib vast lisada, et kuigi paljude taimede genoomid on sekveneeritud, müürlooga genoom juba aastal 2000, on nende geenide ja valkude hulk, mille biokeemilist funktsiooni mõistame, endiselt selges vähemuses.

Osoonitundlikkuse uurimisel on mul tekkinud tihti küsimus: miks just osoon?

Osoon on väga agressiivne. Teatud materjalidega ta ei reageeri, kuid taimes on ta võimeline reageerima peaaegu kõigega, mis talle ette jääb.
Teiseks, osooni „populaarsus” tuleneb ilmselt ka sellest, et biosfääri jaoks on ju tegu huvitavalt kahepalgelise molekuliga. Tunneme ju n.-ö. head ja halba osooni. Hea on üleval stratosfääris ja filtreerib seal osa päikeselt langevast UV-kiirgusest. Halb osoon on siin all meid ümbritsevas troposfääris. Nagu teada, on inimesel õnnestunud mõjutada nii hea osooni kahanemist kui ka halva osooni kasvu.
Lisaks on hinnatud, et troposfääri osooni kontsentratsioon on tööstusrevolutsiooni algusest alates suurenenud koguni kolm kuni viis korda. See on kaunis märkimisväärne tulemus.
Räägitakse palju CO2 kontsentratsiooni kasvust, kuid sama ajavahemiku jooksul on tema kontsentratsioon hinnanguliselt suurenenud 35 protsenti.

Kas peale osoonitaluvuse ja õhulõhede liikumise oled viimasel ajal tegelenud ka teiste probleemidega?

Minu temaatika seostub peamiselt just nende teemadega, viimasel ajal rohkem õhulõhedega. Kui tehnoloogiainstituudi taimedega tegelevat seltskonda laiemalt vaadata, siis on meil vaatluse all ka lipiidsete signaalmolekulide (N-atsüületanoolamiinide) signaaliülekanne. Seda tööd juhib dr. Sue Wang. „Mobilitase” tippteadlase programmi raames on meiega liitumas dr. Mikael Brosche Helsingist. Tema temaatika on seotud müürlooga ökotüüpide kohastumise molekulaarsete mehhanismidega.

Millisena paistab kodumaine taimefüsioloogia teiste maade taustal? Kus ja kuidas tegeletakse samade uurimissuundadega?

Arvestades Eesti väiksust ja heitlikku ajalugu, ei ole põhjust kurta. Meil on mitu tugevat laborit. Eesti eripära seisneb selles, et taimebioloogiaga on sattunud tegelema hulk füüsikuid. Pean silmas Agu Laiska ja minu juhendajat Heino Moldaud. Füüsikud on teatavasti tublid konstruktorid ja aparatuuri ehitajad. Tänu sellele on Eestis üsna unikaalne aparatuur ja oskusteave taimede elutegevuse jälgimiseks mitmesugustes stressitingimustes. See on loonud meile oma niši ja võimaldab jõudumööda tipptasemel kaasa lüüa. Meie peamised koostööpartnerid on Helsingi, California San Diego ja Würzburgi ülikoolis.

Kas sul peale teaduse jääb aega ka muudeks harrastusteks? Kuidas puhkad?

Meil on peres kolm last: kaheteistkümne-, kümne- ja viieaastane. Seega on nii neid, kel juba murdelised ajad, kui ka neid, kes on veel lihtsalt väikesed ja vajavad palju hoolt. Nendega tegelemine võtab kaunis palju aega ja mulle see meeldib. Seda võib praegu lausa harrastuseks pidada.
Lisaks tegeleme hobikorras lambakasvatusega: see on suurepärane viis argielust välja lülituda. Muidu olen üsna kehv puhkaja. Niisama kodus puhkamine ja tööelust väljalülitumine ei kipu õnnestuma. Pean selleks ikka millegi muuga tegelema või kuhugi ära sõitma. Pisut meeldib mulle ennast ka füüsiliselt liigutada: jooksen, mängin sõpradega korp! Ugalast jalgpalli ja suusatan. Iga-aastane sportlik tippsündmus minu jaoks on Tartu maraton. Endiselt meeldib ka reisida.



Taimefüsioloog Hannes Kollistit küsitlenud Toomas Kukk
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012

Loe Uudistajat
E-posti aadress:
Liitun:Lahkun: 
Serverit teenindab EENet