„Geneetiliselt muundamata organisme pole olemas,“ ütleb molekulaarse taimebioloogia professor Hannes Kollist, kes pälvis tänavu koos taimebioloogia kaasprofessori Ebe Meriloga riigi teaduspreemia töö eest, milles uuriti taimede kohanemist muutuvas kliimas.

Kliima muutub ja kestev põud on üle maailma aina suurem probleem. Üks viis kliimamuutusega seotud saagikadusid vähendada on aretada põuale paremini vastupidavaid, väiksema veetarbimisega taimi.

„Taimed kohanevad keskkonnamuutustega lehtede ja varte pinnal asuvate õhulõhede avanemise ja sulgemise kaudu. Näiteks põuaperioodil õhulõhed sulguvad, et kaitsta taime niiskusekao ja närbumise eest. Süsihappegaas on aga taimedele toit, mille omastamiseks õhulõhed avanevad,“ seletab professor Kollist. „Teaduspreemia pälvisime ilmselt selle eest, et suutsime õhupilude sulgumise mehhanisme kaunis detailselt kirjeldada. Näitasime, millised valgud ja mil moel neid protsesse käivitavad.“

Taimedes toimuv gaasivahetus äratas teadlase huvi juba doktorandina: tema 2001. aastal kaitstud doktoritöö, mille juhendaja taimefüsioloogia õppetoolis oli Heino Moldau, uuris, kuidas taimed kaitsevad ennast troposfääris oleva kahjuliku osooni eest.

Alates 2007. aastast on professor Hannes Kollist Tartu Ülikooli tehnoloogiainstituudi taimebioloogia teadusrühma juht. Parasjagu on tal juhendamisel üheksa doktoritööd. Veidi isiklikku ka: professor armastab maailmas ringi rändamist ja võistluspurjetamist ning peab suviti oma maakodus lambaid.

Mis teid taimede uurimise juures köidab?

Uurimisobjektina on taimed atraktiivsed, sest teadlane saab oma hüpoteese testida alates molekulaarsetest nüanssidest kuni terve organismi toimimiseni. Võrdlemisi lihtne on viia sisse muudatusi taime genoomis ja testida selle mõju taimele kui tervikule – inimese, ka paljude loomade puhul pole see võimalik või on oluliselt keerukam.

Taimeteadus on tulevikueriala. See on inimkonna ees seisvate globaalsete probleemide lahendamisel tähtis, sest taimed annavad meile nii toidulaua, väärt materjale kui ka taastuvad energiaressursid. Võime näiteks mõtiskleda: kas olukorras, kus on selge, et samal viisil jätkates tabab meid kliimakatastroof, suuname napid teadusressursid uuringutesse, mille eesmärgiks on inimese eluea pikendamine, või hoopis kliimakindlate ja vähem väetisi vajavate taimede arendamisse? (Muheleb.) Eks see oli muidugi naljaga pooleks öeldud – vaja on nii meedikuid kui ka taimeteadlasi.

Milline on taimede õhulõhede avanemise ja sulgumise mehhanism, mille uurimise eest teaduspreemia saite?

Keskeltläbi 90% taimest on ju vesi, nii et taimi saab vaadelda kui mullavee sambaid kuivas õhus. Neid sambaid hoiavad püsti rakukestadest moodustuvad struktuurid. Et kuivas õhus hakkama saada ja mitte närbuda, peab taim vett endas kinni hoidma: lehed on kaetud vett mitte läbilaskva „nahaga“ ehk kutiikulaga.

Kutiikulas on õhulõhed, mille avanemisel hakkab vesi taimes liikuma, ikka mullast läbi juurte ja varte lehtedesse, ning see tõmbab üles ka mullas leiduvaid toitaineid. Õhulõhesid on vaja avada ka süsihappegaasi sissepääsuks, et saaks toimuda fotosüntees, mille käigus sünteesitakse orgaanilist ainet ja vabaneb hapnik, mida loomad, kaasa arvatud me ise, sisse hingavad. Aga kui taim õhulõhesid liiga kaua lahti hoiab, eriti olukorras, kus mulla veevarud on kahanemas, võib ta närbuda.

Seda mõjutab ka õhu niiskusesisaldus: mida kuivem on õhk, seda kiiremini õhulõhede kaudu taimest niiskust välja sikutatakse. Kui aga õhulõhed päris kinni panna, siis ei pääse süsihappegaas sisse ja fotosünteesi ei toimu.

Lisaks aitab transpiratsioon (vee aurumine taimedest – toim.) ka taimelehti jahutada. Huvitaval kombel toimub see inimestega sarnaselt: palavaga me higistame, et vee aurustumissoojusega nahka jahutada. 2021. aasta suvi oli väga kuum ja põuane, meie tudengid mõõtsid siis Jõgeval Eesti Taimekasvatuse Instituudi nisupõllul taimede gaasivahetust. Selgus, et nisulehtede temperatuur oli õhutemperatuurist kuni kuus kraadi madalam!

Tundub, nagu oleks taimel aju, millel puudub eneseteadvus – aju, mis analüüsib pidevalt nii välis- kui ka sisetingimusi ja reageerib vastavalt.

(Naerab.) Jah, võib nii öelda küll. Õhupilusid moodustavates sulgrakkudes käib pidev informatsiooni töötlemine, võetakse vastu signaale nii väliskeskkonnast kui ka taimede sisemusest. Saadud informatsiooni kasutatakse taime gaasivahetuse optimeerimiseks, et oleks piisavalt toitu fotosünteesiks. Samas vältides olukorda, mille kohta rahvasuu ütleb teravmeelselt „Suu kinni, süda jahtub ära“ – et vee liigne aurumine ei viiks närbumiseni.

Kuidas on teie töö aga seotud põuakindlate taimede aretamisega?

Intervjuu Kollist_Taim.jpeg

Tehnoloogiainstituudis aretatud vettsäästvad GM-tomatid, mis tarvitavad vett poole vähem kui tavalised tomatitaimed. FOTO: Kaspar Koolmeister

Kui küsida, millised on saagikaod esinevate stresside tõttu, siis kõige enam on juttu taimehaigustega seotud kadudest ehk neist, mis on põhjustatud biootilisest stressist. Globaalses arvestuses moodustavad need 20–30% saagist.

Kui räägime aga abiootilisest stressist – külm, põud, liigne soolsus, üleujutused –, siis võivad saagikaod ulatuda 60–70%-ni. Eesmärk aretada taimi, mis põua käes paremini hakkama saaksid, on seega väga põhjendatud.

Põllumajandus tekkis ju Niiluse orus ja Mesopotaamias – Tigrise ja Eufrati jõgede vahel elik piirkonnas, kus veepuudust ei olnud. See tähendab, et aastatuhandeid ei olnud põllumajanduslikele taimedele vähene veetarbimine oluline. Nüüd on olukord muutunud, veepuudus on kasvava rahvastiku ja kliimamuutuste tõttu aina teravam probleem.

Uurisime mudeltaime Arabidopsis’e ehk hariliku müürlooga eri kasvukohtadest pärit ökotüüpide veekasutust ja kasvu. Selgus, et näiteks Cape Verde saarelt pärit taimeökotüübi veekasutus oli võrreldes Portugalist pärit ökotüübiga enam kui kümme korda suurem. Samas oli kasvuperioodi lõpuks mõlema ökotüübi biomass väga sarnane. Seega kulutas üks ökotüüp antud tingimustes kasvamiseks kümme korda rohkem vett kui teine, ehk eksisteerib märkimisväärne ressurss taimede veekasutuse optimeerimiseks.

Eelmisel aastal oli ka Eestis väga suur põud ja doktorant Egon Meigas, meie välimõõtmiste parim ekspert, uuris nisusorte. Tulemused näitasid, et need nisutaimed, millel oli parem veekasutus, andsid ka paremat saaki. Kui me neid mehhanisme mõistame, siis saame aretada sorte, mis saavad põua käes paremini hakkama.

Kuidas taimegeneetika abil taimi põuakindlamaks muudetakse?

Näiteks oleme kirjeldanud üht taime geeni, mis kodeerib regulaatorvalku proteiinkinaasi. Teame, et kui viime sellesse geeni teatud tüüpi mutatsiooni, on õhulõhed umbes kolm korda rohkem lahti. Kui viime sisse teistsuguse mutatsiooni, siis on õhulõhed kaks korda rohkem kinni. Seega saame punktmutatsioonidega ühe ja sama geeni piires kas suurendada või vähendada taime veekasutuse efektiivsust. Sellised muudatused saame taime rakkudesse viia, kasutades näiteks bakterite immuunsüsteemi mehhanismi, mida nüüd nimetatakse CRISPR-Cas-tehnoloogiaks. Rakendame seda parasjagu odra puhul, et luua vett säästlikult tarbiv odrasort.

Kas sel juhul ongi tegemist juba geneetiliselt muundatud taimedega?

Definitsiooni kohaselt jah. Samas, muundamata organisme pole tegelikult olemas, kõikide organismide genoomid on pidevas muutumises. Ma olen kasutanud näidet aasta tagasi ilmunud teadusartiklist: juba vastsündinud lapsel on 50–60 uut mutatsiooni ehk muudatust genoomis, mida polnud ei emal ega isal. Elu jooksul koguneb neid mutatsioone aina juurde. DNA replitseerimise mehhanism on küll kaunis veakindel, aga ikkagi tekib ka looduslikult mutatsioone kogu aeg.

Teine näide: professor Detlef Weigel näitas hiljuti, et kui arvestada ühes generatsioonis tekkivate mutatsioonide hulka ja hektaris nisus kasvavaid seemneid, siis me jõuame selleni, et tõenäosus on ühe hektari nisu saagis mutatsioon igas aluspaaris. Kui vaadelda hektarisuurust nisupõldu, mille saak on 10 tonni, ja 1 grammis on umbes 20 seemet, siis tekib seal 4 × 10¹⁰ mutatsiooni. See omakorda tähendab, et ühes hektaris nisus on meil tõenäosuslikult mutatsioon igas aluspaaris. Need näited peaksid illustreerima, et tegelikult ei ole mõtet rääkida muundatud ja muundamata organismidest.

Euroopa Kohus otsustas, et ka täppisaretustehnoloogiate nagu CRISPR abil tehtud muudatustega, n-ö geeniparandusega organismid tuleb siiski GMO-ks liigitada. See otsus tekitas teadlastes pahameelt, väideti isegi, et otsus pidurdab biotehnoloogia arengut terve põlvkonna võrra.

No Euroopa Liit on juba kaotanud väga suuri taimearetusse suunatavaid summasid. Sellealane arendustöö toimub mujal: USA-s, Kanadas, Lõuna-Ameerikas ja aina kiiremas tempos Hiinas, kus luuakse ka kiirelt kasvavaid iduettevõtteid. Veel kord, sellist asja nagu geneetiliselt püsiv, ilma geneetiliste muudatusteta organism ei ole olemas.

Hirm GMO-de ees on ilmselt tekkinud seetõttu, et meie teadmised selles valdkonnas on väga kiiresti arenenud. Geenijärjestuse kindlakstegemise hind on viimase 20 aastaga kukkunud ligi sada tuhat korda. Tänu sellele on meie teadmised genoomides toimuvatest muutustest ja nende seostest organismi fenotüübiga hüppeliselt kasvanud. Kui need teadmised laiemalt levivad, küll siis kaob ka põhjendamatu hirm geenmuundatud organismide ees.

Kuidas teie teadlasena praegu kliimaga toimuvaid protsesse hindate?

Inimkonna tekitatud kliimamuutused on kindlasti väga tõsine probleem. CO₂ ja teiste kasvuhoonegaaside kontsentratsioon kasvab ja paraku kasvab ka nende lisandumise kiirus. Kihutame justkui kiirenevas tempos kuristiku suunas.

Oleme suutnud luua masinad, mis meie eest palju töid ära teevad ja meid loetud tundidega kuhu iganes transpordivad, aga nende masinate töös hoidmine nõuab fotosünteesi käigus loodud ja maapõue talletatud energia ehk fossiilsete kütuste kasutamist. Esiteks hakkavad need varud lõppema ja teiseks, nende ärakasutamine väga lühike aja jooksul on tekitanud ülemäära palju kasvuhoonegaase ning saastanud loodust.

Meil tuleb ära hoida loodusressursside kahanemine ja investeerida mõistlikesse ja realistlikesse lahendustesse. Ses mõttes on globaalne rohepööre hädavajalik. Teisalt, seda ei saa teha läbimõtlemata ja forsseeritult. Euroopa majandust ja lõpuks ka lihtsaid inimesi ei saa panna ülemäära suure surve alla. Küsimus on tasakaalu leidmises.

Mind teeb väga murelikuks, et Euroopa Liit on otsustanud suure osa arendusressurssi kulutada mahepõllumajandusele. Vähem keemiat põllul, vähem taimemürkide jääke toidus – siin ei ole midagi arutada, selle poolt oleme kõik! Aga ilma taimegeneetikata, ilma eesmärgita parandada kultuurtaimede geneetilist ressurssi on mahemajanduse edendamine kaheldava väärtusega.

Parim, kindlasti ka kõige puhtam ja rohelisem tee põllumajanduse saastekoormuse vähendamiseks on kaasaegne sordiaretus, mille loomulik osa on taimegenoomide parendamine, uute taimeliikide kultuuristamine, vajadusel ka uute taimede loomine, kasutades selleks sünteetilist bioloogiat. Mahetootmise edendamine viib aga toidutootmise kahanemiseni ning nii kasvab EL-i sõltuvus teistest riikidest. Mahepõllumajanduse poolehoidjad on vastu kaasaegse biotehnoloogia rakendamisele. See ei ole mõistlik; vähe sellest, see on keskkonnavaenulik!

Väga ilmekas on parasjagu Sri Lankal toimuv. Biotehnoloogia vastu võitlejate õhutusel otsustas valitsus 2021. aastal keelustada igasuguse väetamise ja keemia Sri Lanka põldudel. Põllumajanduslik tootmine kukkus kolinal ja kui lisandusid energia- ja koroonakriis, jõudis riik sisuliselt pankrotti; puudub stabiilne valitsus, toimuvad tänavarahutused jne.

Millised on praegu teaduse ees seisnevad suurimad probleemid?

Esiteks, kuidas lahendada globaalne energia-, materjali- ja toidukriis nii, et meie ümber säiliks looduskeskkond oma kaunis mitmekesisuses. Teiseks, kuidas levitada võimalikult kiirelt haridust igasse maailma nurka, sest just hariduse levik on parim viis rahvastiku kasvu pidurdamiseks.

Murettekitav on üha tugevnev polariseerumine teaduslikult juba lahendatud küsimustes nagu näiteks GMO-d või vaktsineerimine, või ühiskondlikus plaanis abordiõiguse üle kerkinud vaidlused USA-s. See tähendab, et ülikoolide ja teadlaste ülesanne vahendada ühiskonnale olulist tõenduspõhist informatsiooni on ülioluline. Nüüd tuleb meil, teadlastel, lisaks teaduse tegemisele võtta tunde ka teadmiste ühiskonnale edasiandmiseks ja kommunikatsiooniks.