Lahendades suuri proovikive, nagu tõstmaks taimede põuakindlust või saagikust, uudistavad teadlased taime juures õige väikest osa: õhulõhesid. Tegu on mikroskoopiliste avadega taime lehtede ning teiste elundite, nagu varte, õite tupplehtede ja mõnede viljade, epidermis ehk kattekoes. 

Õhulõhesid on oluline uurida, sest nende kaudu toimub taime gaasivahetus: fotosünteesiks kasutatav CO₂ pääseb sisse ja veeaur välja. Õhulõhede avanemist ja sulgumist reguleerivad neid ümbritsevad sulgrakud. Sulgrakupaarides töötavad keerulised signaalrajad tagavad aga õhulõhede avatuse vastavalt keskkonnatingimustele. 

Stressita keskkonnas võimaldavad avatud õhulõhed taimel rohkem süsihappegaasi siduda ja saaki anda. Samas on oluline kuiva mulla või suhtelise õhuniiskuse vähenedes sulgeda, sest muidu võib taim ära kuivada. 

Õhulõhede sulgumisprotsessis on suur osa täita taime stressihormoonil ehk abstsiishappel (ABA): see paneb tööle sulgrakkudes sulgumisele suunatud signaalraja. ABA signaalrada on seni väga põhjalikult uuritud müürloogas kui mudeltaimes. Praeguseks on teada kõik selle raja põhikomponendid alates ABA-ga seonduvatest retseptoritest ja lõpetades sulgrakkude plasmamembraanis paiknevate anioonkanalitega, mis sulgumise lõpule viivad. 

Müürloogast on teada ka ABA signaalraja valk OST1. Sulgrakkude ABA sisalduse tõustes vabaneb see oma piirajatest, hakkab tööle ja tagab õhulõhede sulgumise. Geneetiliselt muudetud müürlooga taimedel, millel OST1 valk on puudu, on õhulõhed väga lahti ja need ei suuda sulguda ka vastavate stressisignaalide korral. Samas on puuduva OST1-ga müürloogad heades niiskustingimustes metsiktüübiga võrreldes suuremad. 

Mis toimub põlluviljas?

Taimebioloogias on oluline küsimus, kas müürlooka uurides saadud teadmised on üks-ühele üle kantavad teistele taimedele. Kas sarnastest valkudest moodustuv ABA signaalrada tagab õhulõhede sulgumise ka näiteks üheidulistes taimedes, mille hulka kuuluvad põllumajanduslikult olulised teraviljad?

Uurisime Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi eestvedamisel koos maaelu teadmuskeskuse teadlastega seda küsimust odra näitel. Meie äsja ilmunud artikkel on esimene eesti teadlaste avaldatud tulemus geneetiliselt muudetud odrast. 

Tegime andmebaaside abil kindlaks kaks odra valku, mis olid aminohapete järjestuste poolest väga sarnased müürlooga OST1-ga. Seejärel lõime ilma OST1 valguta müürloogad, millesse viisime emma-kumma neist odra geenidest. Nii oli näha, kas need suudavad müürloogas puuduvat OST1 funktsiooni asendada. 

Selgus, et üks odra geenivariantidest, HvSnRK2.7, oli edukas – see tegi häiritud õhulõhede käitumisega müürloogast normaalselt käituva ehk siis metsiktüübiga sarnase müürlooga. Teine mainitud odra geenivariant, HvSnRK2.9, nii tõhus ei olnud, kuid mingid OST1 funktsioonid suutis ka tema müürlooka sisse viiduna osaliselt taastada.

Seetõttu tellisime Suurbritanniast, John Innese keskusest geneetiliselt muudetud odrad, milles HvSnRK2.7 ja HvSnrk2.9 geenid ning seega ka vastavad valgud olid puudu. 

Niisuguste odra kaksikmutantide lehtede mikroskoopilisel uurimisel selgus, et nende õhulõhed on võrreldes metsiktüübiga rohkem avatud. Samas polnud õhulõhede tiheduses ehk õhulõhede arvus lehe pinnaühiku kohta kaksikmutantide ja metsiktüübi vahel suurt erinevust. 

Gaasivahetusmõõtmised kinnitasid õhulõhe laiemat avatust. Kaksikmutantide õhulõhede juhtivus oli oluliselt suurem ning tundlikkus ABA ja madala õhuniiskuse suhtes võrreldes metsiktüübiga oluliselt väiksem. 

Suurema õhulõhede juhtivusega peaks kaasnema kiirem fotosüntees, kuna rohkem CO₂ pääseb lehte sisse. Meie mõõtmised näitasid, et kaksikmutantide fotosüntees oli tõepoolest kiirem kui metsiktüübil. Siiski jäi fotosünteesi tõus oodatust tagasihoidlikumaks. Määrasime ka terasaagi, millest selgus, et see oli taime kohta kaksikmutantidel ja metsiktüübil statistiliselt sarnane. 

Suurem saagikus vajab veel uurimist

Teadlased peavad fotosünteesi hoogustamist üheks päriselt kasutatavaks viisiks, kuidas tulevikus põllumajanduslike taimede saaki tõsta. Kui üle kogu lehestiku ja terve taime kasvuperioodi jooksul toimub isegi tagasihoidlik fotosünteesi tõus, võiks see kokkuvõttes anda olulise saagitõusu. 

Meie artikli tulemused näitasid, et asi ei ole siiski nii lihtne. Statistiliselt olulist terasaagi kasvu suurema õhulõhede avatuse ja fotosünteesiga kaksikmutantidel ei tuvastatud. Seega võib oletada, et meie katse otradel piirasid fotosünteesi pigem mingid õhulõhedest mittesõltuvad tunnused – need määravad juba lehte sisenenud CO₂ edasise liikumise ja fotosünteesis sidumise kiiruse. Taimede kasvatamine kasvuhoones, kus valgus oli madalam kui päikeselisel päeval põllul, ei võimaldanud üsna tõenäoliselt neil oma täit saagipotentsiaali saavutada. 

Uuringud, mis mõõdavad geneetiliselt muudetud põllumajanduslike taimede tunnuseid erinevates arengustaadiumites kuni terasaagini välja, võimaldavad hinnata väljapakutud aretusstrateegiate potentsiaali. Samas peaks selge pildi saamiseks saagikust mõõtma võimalikult elulähedastes tingimustes, ent praegu pole geneetiliselt muudetud põllukultuuride kasvatamine nende kasvukeskkonnas, st põllul, võimalik.

Uuring avaldati ajakirjas Journal of Experimental Botany.