Tartu ülikooli taimesignaalide uurimisrühm on ligi kümme aastat töötanud selle kallal, et saada teada, kuidas täpsemalt taimede õhulõhed toimivad ja missugused geenid mängivad selles protsessis olulist rolli. Kolme varem teadaoleva geeni kohta teavad teadlased nüüd rohkem kui enne.

Kuid nagu ütleb taimebioloogia nooremteadur ja taimegeneetika doktorant Hanna Hõrak, siis teadus on nagu võitlus lohega: kui üks pea on maha raiutud, siis kasvab kohe kolm asemele. «Igast küsimusest, mille kohta saad vastuse, hargneb omakorda jälle palju uusi küsimusi. Üheseid vastuseid tihti polegi, aga küsimusi tekib see-eest alati juurde,» ütles Hõrak.

Doktorandi sõnul ei ole taimed üldse nii igavad, kui inimesed arvata võivad, ja nad käituvad väga huvitavalt ning suhtlevad ümbritseva keskkonnaga. «Taimed on olulised organismid, milles toimub fotosüntees. Süsihappegaasist ja veest tehakse suhkruid ja selleks, et süsihappegaas saaks taime sisse, on tarvis seda kuidagi õhust võtta.» Selleks ongi taimede lehtedel ja varte pinnal väikesed avaused ehk õhulõhed, mille kaudu liigub süsihappegaas taime ning sealt omakorda liiguvad välja veeaur ja fotosünteesi käigus tekkinud hapnik. 

Õhulõhed koosnevad kahest rakust. Kaks rakku saavad oma­vahel olla kas hästi lähestikku, nii et nende vahelt midagi läbi ei mahu, või on nad teineteisest kaugemal ja tekib avaus, mille kaudu liiguvadki molekulid taime sisse ning sealt välja. «See on väga oluline, sest see on taime peamine veetasakaalu kontrollpunkt, kust saab määrata, kui palju veeauru läheb taimest parajasti välja ja kui palju pääseb süsihappegaasi sisse.» 

Bakterid ründavad õhulõhede kaudu

Õhulõhedel on ka oluline kaitsefunktsioon. Kui õhus on näiteks mingisugused saasteained või on osooni sisaldus kõrge, sulgeb taim õhulõhed. Mitmed seened ja bakteridki sisenevad taime õhelõhede kaudu. «Need on põhimõtteliselt augud lehe pinnal, kust saab mugavalt sisse minna. Taimed on võimelised reageerima ja kui saadakse aru, et bakter või seen tuleb õhulõhede kaudu sisse, siis pannakse need kinni.» 

Õhulõhede peamine ülesanne on aga siiski süsihappegaasi ja vee tasakaalu reguleerimine. Näiteks soojema kliimaga piirkondades, kus taimi ohustab veepuudus, on taime jaoks tähtis vett kokku hoida. Õhulõhesid sulgedes saabki seda teha. Kui need on kinni, pääseb vett taimest välja väga vähe. «Taim ei närtsi nii kiiresti, sest ta saab märguande, et mullas on vähe niiskust. Kui õhulõhed oleksid kogu aeg lahti, närtsiks taim palju kiiremini ja sureks rutem.»

Küsimusele, mis juhtub näiteks siis, kui kodus mõnda taime õigel ajal ei kasta, vastas Hõrak, et siis saab taim mullast signaali, et muld on liiga kuiv. «Kui märguanne jõuab õhulõhedeni, pannakse need kinni. See tähendab muidugi ka seda, et siis ei liigu taimest enam vett välja ja seda hoitakse nii palju kinni kui võimalik.» Kui õhulõhed on kinni, ei toimu omakorda ka fotosünteesi. «Sellises olukorras surutakse taime elutegevus alla, ta ei kasva ning katsub lihtsalt vastu pidada, kuni n-ö põuaperiood läbi saab.» Kui inimesel tuleb õigel ajal meelde taime kasta, siis on taim võimeline taastuma. 

Doktorandi sõnul uuritakse õhulõhesid eelkõige seetõttu, et tulevikus oleks võimalik aretamise või geneetilise muundamise teel saada taimi, kes saaksid väga soojades ja kuivades kliimatingimustes või üleujutuste piirkondades hästi hakkama. 

Taimede praegust veekasutust on võimalik muuta tõhusamaks ja säästlikumaks. Taimesignaalide uurimisrühmas on Ebe Merilo teinud katseid, kus taimedele on antud korraga vastandlikud signaalid. Üks märguanne kutsub esile õhulõhede sulgumise ja teine nende avanemise. «Selgub, et mõned taimed ei tee sellises olukorras üldse mõistlikke valikuid. Signaalirajad ei ole soodsamad ja alati ei tehta pealtnäha parimat valikut. Üks märguanne lihtsalt valitseb teise üle,» selgitas Hõrak.

Isetehtud ja eriline seadeldis

Uurimisrühm kasutab õhulõhede uurimiseks TÜ tehnoloogiainstituudi vanemteaduri Bakhtier Rasulovi ehitatud seadeldist, mis annab Hõraku sõnul nende laborile ka maailmas konkurentsieelise. «Sellist teist ei ole olemas ja see võimaldab uurida tervet taime korraga. Tavaliselt uuritakse õhulõhesid nii, et kuna õhulõhed asuvad taime pealmises rakukihis ehk epidermises, siis see kistakse taime pealt lihtsalt ära ja pannakse pealmine rakukiht koos õhulõhede rakkudega kusagile lahusesse ulpima.» 

Seejärel lisatakse eri aineid, näiteks süsihappegaasi, ja vaadatakse mikroskoobi all, mida õhulõhed teevad. Selleks on aga tarvis jälgida väga suurt arvu õhulõhesid, sest tegemist on üsna robustse meetodiga. «Peale selle tekib alati küsimus, et kui taimele on tekitatud selline stress, siis kui tõepärased need tulemused üldse on.»

Isetehtud seadeldis võimaldab aga panna terve taime ühte kambrisse, kus taime maapealne osa on väliskeskkonnast hermeetiliselt eraldatud. Seejärel mõõdetakse eri ainete sisaldust nii kambrisse sisenevas kui ka väljuvas õhuvoolus. «Sellest erinevusest, kui palju süsihappegaasi sisaldus väheneb ja kui palju veeauru oma suureneb, saamegi välja arvutada, kui lahti on taime õhulõhed.» 

Laboris kasutatakse eelkõige harilikku müürlooka (Arabidopsis thaliana). «Kasutame harilikku müürlooka just seepärast, et see kasvab väga kiiresti. On oluline, et saaksime uurida eri põlvkondi ja hariliku müürlooga puhul saame ühest seemnest järgmise seemneni heal juhul kahe kuuga.» 

Hõrak on nüüdseks õhulõhede uurimisega tegelenud kuus aastat. Kolme erineva projekti raames uuritigi kolme eri geeni ja saadi teada, et need kõik on õhulõhede toimimisel olulised. Kolm geeni – MPK12, HT1 ja GHR1 – on kõik olulised süsihappegaasi mõjul toimuvas õhulõhede regulatsioonis. Varem küll teati, et need geenid on olemas ja olulised, kuid ei teatud, et need on omavahel seotud ja üks osa süsihappegaasi mõjul õhulõhe sulgrakkude liikumist korraldavast märguanderajast. 

Teadlased saavad nüüd oluliselt paremini aru, kuidas teave taimes ühelt valgult teisele liigub ja kuidas täpsemalt tegutseb taim näiteks siis, kui süsihappegaasi sisaldus õhus suureneb.  «Suutsime geenid teiste geenidega kokku viia ja näha kuidas vastavad valgud käituvad ning anda sellele tähendus. Nii saime näidata hoopis teistsuguse ja uue rolli olemasolu.» Näiteks GHR1 valgu puhul arvati varem, et see on oluline õhulõhede reageerimisel teistele teguritele, kuid ei teatud, et sel on seos ka süsihappegaasiga. 

«Nüüd on meil rohkem teavet, kuidas need valgud, millest me nii palju ei teadnud, ja need, mida varem tundsime, omavahel suhtlevad ja kas üldse suhtlevad.» Tekkinud on aga järgmised küsimused. Näiteks, missugune on uuritavate valkude roll õhulõhede avanemisel? Mis juhtub, kui viia uuritavad valgud kokku tuntud õhulõhede avanemisel osalevate valkudega, kas nad suhtlevad või ei? «Oluline väärtus on see, et saame nüüd palju paremini aru, mis juhtub taime õhulõhedes, kui süsihappegaasi märguanne tuleb ja ütleb: «Pane õhulõhed kinni!»»