Eesti Looduse fotovõistlus
09/2003



   Eesti Looduse
   viktoriin


   Eesti Looduse
   fotovõistlus 2012




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
intervjuu EL 09/2003
Taimede ja kahjurite võidujooksus seis viigiline

Erkki Truve on sündinud 1965. aastal Tallinnas. Lõpetanud 1988. aastal Tartu ülikooli bioloogina. Täiendanud end Soomes, Šveitsis, Belgias, Norras ja Kreekas. Töötab alates 1988 keemilise ja bioloogilise füüsika instituudis (KBFI), ühtlasi alates 1997. aastast TTÜ geenitehnoloogia instituudi direktor ja geenitehnoloogia professor. Uurimusi taimeviroloogia, taimede molekulaarbioloogia ja loomade viirusvastaste kaitsemehhanismide alalt.

Millised olendirühmad võiksid üldse taimi kahjustada?


Fütopatoloogias jaotatakse taimi ründavad organismid viide suurde klassi: viirused, bakterid, seened, nematoodid ja herbivoorid. Peaaegu kõik patogeenide rühmad on õppinud ründama nii taimi kui ka loomi. Siiski, näiteks fütopatoloogilisi algloomi pole eriti leitud, samas on see inimesel väga oluline patogeenide rühm. Selgroogsetel pole jällegi nematoodid nii aktuaalsed.

Kuidas taimed end kahjurite vastu kaitsevad?


Nad teevad seda kõikvõimalike patogeenide vastu hämmastavalt ühtemoodi. Kui loomadel on immuunsüsteem ükskõik missuguste patogeenide vastu, siis taimedel küll niisugust pole, kuid toimivad siiski sama laadi mehhanismid.

Esimene, mehhaaniline kaitse on taimerakku ümbritsev kest. Kes kestast läbi närib, seda ründab juba biokeemiline kaitse raku seest. Oluline erinevus loomadest on taimedel ringeelundite, vereringe puudumine. Loomarakud saavad kaitse usaldada eriomastele rakkudele, kuid taimedel peab peaaegu igal rakul olema kaitsemehhanismid suvalise patogeeni vastu.

Ühe raku piires on tegemist üsna universaalse protsessiga nii loomadel kui ka taimedel. Rakk tunneb retseptorite või muude molekulide abil patogeeni ära, käivitatakse signaal, mis tekitab biokeemilisi muutusi, pannakse uued geenid tööle ja hakatakse ennast kaitsma.


Taimed on sageli üsna suured. Kas enamik taime kehast saabki üldse teada, et patogeen teda ühest otsast ründab?


See on põnev teema, millest kirjutatakse praegu palju artikleid. Lühike vastus – saab küll ja seda hoolimata ringeelundkonna puudumisest. Kui patogeen ründab mingit üksikut rakku, siis käivitatakse seal niinimetatud süsteemsed signaalid, mis on praegu veel üsna halvasti uuritud. Need liiguvad mööda juhtkudesid üle taime laiali ja kutsuvad esile süsteemse resistentsuse. Kui nakatad üht lehte patogeeniga, ootad nädal aega ja nakatad seejärel sama taime teist lehte, siis selgub, et terve taim on muutunud selle patogeeni suhtes resistentseks. Kõikjal taimes on käivitunud biokeemilised rajad ja nüüd pole patogeenil enam midagi loota, sest rakud on võitlusvalmis.

Kõige hämmastavam on see, et kui nakatada teist lehte sellise patogeeniga, mida taim pole kunagi kogenud, siis on ta ka selle vastu muutunud resistentseks. Kaitsemehhanismid on niivõrd sarnased, et kui resistentsus tekib, siis tekib sisuliselt kõikide patogeenide suhtes korraga.


Oma teiste osade teavitamiseks võiks taim ju kasutada märksa kiiremini levivaid gaase?


Nii ongi. Kõik katteseemnetaimed teavitavad patogeeni rünnakust ühtede ja samade lenduvate gaasiliste ühenditega, metüülsalitsülaadi ja metüüljasmonaadiga. Teine taim oskab signaali vastu võtta ja käivitab needsamad resistentsusreaktsioonid. Signaal võib sõltuvalt tuule suunast ja tugevusest levida isegi poole kuni ühe meetri kaugusele, kui mitte kaugemale.

Tekib huvitav küsimus: kas taimed on tõesti nii altruistlikud, et annavad patogeenidest märku ka teisest liigist taimedele, kelle hulgas võib olla ka konkurente? Siiani on lahendamata küsimus, kas sellel on sügavam ökoloogiline mõte või on nii kujunenud kogemata.

Kas taim ei suuda patogeene üldse eristada: ükspuha, kas ründab viirus või seen?


Viirused on sarnased nii või teisiti. Üldise sarnasuse taustal on olemas ka hämmastav spetsiifilisus. Kuid biokeemilised rajad on viiruste, bakterite, seente, nematoodide puhul peaaegu ühesugused. Tundub, et taimed jagavad kõik ründajad kaheks: herbivoorid liblikavastsest lehmani ning kõik muu, need viirused, seened jne. Tal on nagu kaht tüüpi resistentsusreaktsioone.


Enamasti on siiski ühel taimeliigil ühed haigused ja teisel teised. Kas see oleneb eeskätt patogeenist, millist taime ta ründab?


See sõltub mõlemast. Ajaloolise kõrvalepõikena – Ameerika fütopatoloog Harald Flor püstitas 1940. aastatel geen-geen-interaktsiooni hüpoteesi. Tollal ei teadnud inimesed geenidest veel midagi, hüpotees kujunes põllul katseid tehes. Peab olema üks patogeeni geen ja taime geen, mis mõlemad toodavad mingeid produkte. Kui mõlemal on samad geenid olemas, siis need produktid interakteeruvad ja tekib resistentsus. Kui emba-kumba neist pole, siis on haigustekitaja nakkusohtlik. Kui 1990ndatel hakati uurima taimede resistentsusgeene ja patogeenide avirulentsusgeene ning neid esimest korda kloonima, siis selgus, et Floril oli viiskümmend aastat tagasi õigus ja täpselt nii see süsteem toimib.

Siit tekib filosoofiline küsimus: miks peab patogeenil olema geen, mis võimaldab taimel tekitada resistentsust? Ta peaks ju vastupidi sellest hoiduma. Tegelikult pole see patogeeni jaoks avirulentsusgeen, vaid tavaline, midagi eluks vajalikku tootev geen. Taim õpib spetsiifiliselt tundma patogeeni mingisugust valku ja selle põhjal käivitatakse biokeemiline vastureaktsioon.

Resistentsusvalke on taimedes sadu. Arvatakse, et müürloogal (Arabidopsis) on umbes 150 resistentsusvalgu geeni. Kõigil neil on omad eripärad, kuid ükskõik milline neist patogeeni ka ära tunneb, käivituv biokeemiline rada on ikka sama. Siit tuleneb taimede väga sarnane reaktsioon patogeenidele. Kuid sellele eelneb väga spetsiifiline äratundmine.

Mõnes mõttes käituvad resistentsusvalgud samamoodi nagu immunoglobuliinid loomadel. Nad on väga muutlikud: eri indiviidides, tõenäoliselt isegi sama taime piires eri rakkudes toodetakse pisut erinevaid resistentsusvalkude isovorme. Sellest tekib tohutu spetsiifilisuste spekter. Kuid järgnev reaktsioon on ikkagi ühesugune.


Kui kaua taimel selline resistentsus kestab?


See pole jääv nähtus ning sõltub natukene taime liigist, bioloogilisest seisundist jne., kuid tavaliselt 3–5 nädalat. Tegelikult võiks küsida, mispärast ei võiks resistentsusseisund taimedes kogu aeg püsida? See oleks ju eriti hea.

Ökoloogid ja füsioloogid on püüdnud seda nii modelleerida kui ka eksperimentaalselt uurida. Tundub, et see on ökoloogiliselt lihtsalt väga kulukas. Resistentsusseisund võtab niipalju energiat, et paljud teised talitlused kannatavad selle arvel. Taim peab mingisuguse tasakaalu leidma: kui resistentsus kestab liiga vähe, siis patogeenid või kahjurite parv on veel ümbruskonnas ja pääseb uuesti ründama. Kui resistentsus kestab liiga kaua, siis võib-olla tuleb sügis enne peale, kui jõuab õitsema hakata.


Kultuurtaimedel on teada palju sorte, millest osa on haiguskindlad ja teised mitte. Milles see haiguskindlus seisneb?


Taimedel räägitakse umbes 150–500 resistentsusvalgu geenist. Patogeene või nende tüvesid on kümneid või sadu tuhandeid. Igal sordil on olemas teatav resistentsusvalgu geenide spekter. Nii saabki öelda, et näiteks üks sort on resistentne selle jahukaste isolaadi suhtes, aga see on resistentne juuremädaniku suhtes. Sõltub, milline konkreetne resistentsusgeen on selles sordis.


Geenmuundatud taim on tavaliselt haiguskindel ühe või mõne haiguse vastu, kuid võib tulla uus ja hullem kahjustaja. Kas põllumajanduses on näiteid selliste uute kahjustajate kohta?


Selliseid näiteid on rohkesti. Haiguskindlus põhineb ühel geenil ja seetõttu polegi tarvis uut patogeeni, vaid tarvitseb patogeeni avirulentsusgeenis toimuda väike mutatsioon ja patogeen võib resistentsusest läbi murda. Sordiaretajad väidavad, et resistentsus püsib põllul olenevalt sordist ja patogeenist 5–10 aastat. Siis tuleb uus sort võtta, kellel on muteerunud patogeeni suhtes uus geen olemas. Selles mõttes ei anna geenitehnoloogia midagi uut, välja arvatud see, et uue geeni viimine sorti läheb kiiremini kui ristamiste ja tagasiristamistega jännates.


Kas taimedel on ka midagi samalaadset nagu selgroogsetel autoimmuunhaigused, kus immuunsüsteem pöördub organismi enda vastu?


Looduslike taimede osas jään vastuse võlgu. Laboris on saadud müürlooga mutante, kellel on resistentsusvalkude geenid pidevalt aktiveeritud. Need taimed on kõikidele patogeenidele äärmiselt resistentsed. Samal ajal on nad kas kasvus kängunud või on morfoloogilised tunnused muutunud. Nende lehtedel on nekrootilised laigud, nad õitsevad vähem, annavad vähem seemneid jne. Kaudselt võiks sellist seisundit tõesti autoimmuunhaigusega võrrelda.

Aga kui autoimmuunhaigus tähendab seda, et mingisuguseid kehaomaseid valke tuntakse ära kui võõraid, siis neis mutantides on reaktsioonid aktiivsed, ilma et üldse midagi ära tuntaks. Pole kuulnud, et keegi oleks leidnud sellise juhtumi, kus resistentsusvalk hakkaks ära tundma taime oma komponenti, pidades seda patogeeniks. See oleks autoimmuunhaiguse korrektne taimne analoog.


Kas resistentsusvalkudel põhinev kaitse on sarnane eri taimerühmades: sammaldel, okaspuudel, õistaimedel jne.?


Okaspuudel ja sammaldel võib tõesti genoomist leida geene, mis järjestuse poolest on väga sarnased resistentsusvalke tootvate geenidega. Tõelisest resistentsuse bioloogiast ei teata neil organismidel seni suurt midagi. Vetikatega on asi veel hullem, need on nii divergeerunud. Üherakulistel rohevetikatel igatahes niisuguseid resistentsusgeene ei leidu.


Imetajaid saab vaktsineerida. Kas taimede puhul saaks mingit sama laadi meetodit kasutada, et resistentsusvalgud oleksid juba enne patogeeni päralejõudmist olemas?


Resistentsusvalke pole tarvis juurde anda, vaid nende tootmist tuleb aktiveerida. See näide, mis ma enne tõin – nakatudes ühe patogeeniga, tekib resistentsus ka teiste suhtes – on mõnes mõttes väga sarnane poolsurnud patogeeniga vaktsineerimisele.

Taimedes on tegelikult veel teinegi immuniseerimise viis, mis puudutab eelkõige viirusi. On avastatud väga huvitav biokeemiline mehhanism, mis tundub olevat iseloomulik kõigile tuumaga rakkudele. Seda kutsutakse RNA-interferentsiks: rakkude sees hakatakse spetsiifiliselt teatud järjestusega RNA-sid degradeerima. Taimedes saab seda mehhanismi kasutada ka viirusresistentsuses. Viirus ründab taime ja viiruse RNA-d hakatakse spetsiifiliselt degradeerima.

Tegelikult on põllumajanduses juba umbes 80 aastat kasutatud – Hiinas ja Brasiilias näiteks ka praegu – agrotehnikat, mida kutsutakse ristkaitseks. Võetakse selline viiruse isolaat, mis taime küll nakatab, kuid ei tekita peaaegu mingeid haigustunnuseid. Kogu põld nakatatakse selle viirusega, taim hakkab ennast selle vastu kaitsma. Kui nüüd peaks ründama sama viiruse eriti kuri tüvi, siis RNA-interferents degradeerib kohe ka selle tüve.


Seda peaks siis tegema üsna tihti, kui resistentsus kestab kuni kuu. Ning kas saak ei tule väiksem?


Siin on kaks eri asja, mis pole omavahel seotud. Klassikaline on resistentsusvalkudel põhinev kaitse, kus tekib niinimetatud oksüdatiivne purse, rakkudesse tekib palju vabaradikaalseid ühendeid ja kujuneb patogeeni jaoks väga ebasõbralik biokeemiline keskkond. Klassikaline tähendab siin, et seda on osatud kirjeldada umbes viimased kümmekond aastat.

RNA-interferents, mida on korralikult uuritud alles viimased kolm aastat, on sellest hoopis erinev mehhanism. Seda leebet viiruse isolaati ei hävitata taimes täielikult. Ta replitseerub vähehaaval ja hoiab RNA-interferentsi kogu aeg üleval. Seda kaitset kasutatakse üheaastastes taimedes, kuid põhimõtteliselt saaks niiviisi ka aastaid seda üleval hoida.


Kas taimeviiruste varieeruvus ja evolutsioon erineb imetajate viiruste omast: taimed on pealtnäha ju üsna staatilised ning võib-olla pole ka taimeviirustel tarvis taimega nii väga võidu evolutsioneeruda?


Tegelikult ei ole aeglasemad. Viiruse muutlikkus sõltub eelkõige sellest, kui palju vigu tehakse ta enda genoomi replitseerimisel. Taimeviirused on mõnes mõttes muutlikumad kui loomaviirused, sest enamik loomaviirusi on DNA-viirused, mille replikatsioonil tehakse märksa vähem vigu kui RNA replikatsioonil. Taimedel on asi vastupidi, enamik on üheahelalised RNA-viirused ning nende viiruste populatsioonid on geneetilises mõttes kohutavalt heterogeensed. Hoolimata vereringe puudumisest on taimedel ka eeliseid. Põhimõtteliselt võib igas taimerakus tekkida uus resistentsusvalkude kombinatsioon ja ühe indiviidi piires on eri variante väga palju.

Taimed käituvad immunoloogiliselt teistmoodi kui loomad, kes püüavad kaitsta eelkõige indiviidi: oluline, et igal isendil oleksid olemas kõik vajalikud immunoglobuliinid, mis ründajad ära tunnevad. Taimedel käib asi populatsiooni tasemel: resistentsusvalgud mingi patogeeni suhtes peavad olema vähemalt osal selle populatsiooni taimedel. Populatsiooni peale on eri variante niisama palju kui loomadel erisuguseid immunoglobuliine ning patogeeni jaoks on olukord seetõttu samasugune. Tuleb muutuda enam-vähem samasuguse kiirusega kui taimed.


Millega taimeviroloogid siin KBFIs ise tegelevad?


Ennekõike oleme viroloogid selle sõna klassikalises mõttes, uurime taimeviiruste geenide funktsioone ja avaldumist. Oleme eri aegadel ka fütopatoloogilist tööd teinud. Kunagi püüdsime loomageenide abil taimi viirusresistentsemaks muuta. See ka tõesti õnnestus, iseküsimus on tänapäevane poliitiline olustik, kus GMO meetod on üsna ebapopulaarne, et seda tegelikus põllumajanduses kasutada.

Üsna aktiivselt uurime eelnimetatud RNA interferentsi ja selle molekulaarseid mehhanisme. Igale asjale leiab patogeen oma vastukäigu. Taimeviirustel on leitud valke, mis seda RNA interferentsi alla suruvad ja võimaldavad viirusel levida. Kõige rohkem huvitab meid nende valkude olemus, kuidas nad töötavad ja seda kaitsemehhanismi rikuvad.



Molekulaarbioloog Erkki Truvet 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