Miten ihmeessä puu kasvaa paksuutta jopa tuhat vuotta? Suomalaiset kasvitieteilijät ratkaisivat 150 vuotta vanhan arvoituksen

Helsingin yliopiston molekyylibiologit saivat tuplajättipotin, kun arvostettu Nature-tiedelehti julkaisi tammikuussa samassa numerossa kahden ryhmän artikkelit. Moiseen saavutukseen suomalaistutkijat eivät tiettävästi ole koskaan aiemmin yltäneet.

Yliopistotutkija Ari Pekka Mähösenhttps://www.hs.fi/haku/?query=ari+pekka+mahosen ja kasvien kehitysbiolo­gian professori Yrjö Helariutanhttps://www.hs.fi/haku/?query=yrjo+helariutan tiimit ratkaisivat ongelman, jota kasvitieteilijät ovat pohtineet melkein 150 vuotta.

Jo 1800-luvun botanistit miettivät, missä piilottelee äitisolu, joka panee puun kasvamaan paksuutta. Vai olisiko noita alkusoluja ehkä useita erilaisia?

Nykyisin puhutaan kasvien ja eläinten kantasoluista, joista kaikki muuntyyppiset solut erilaistuvat.

Puun rungossa on uloimpana on kaarna, sitten nila ja jälsi, sisimpänä puu. Nila kuljettaa kasvissa yhteyttämistuotteita, puu eli ksyleemi vettä ja mineraaleja. Yhdessä niitä kutsutaan johto­solukoksi.

Mähösen ryhmä sai selville, että ratkaisevia kantasoluja on vain yhdenlaisiahttps://www.nature.com/articles/s41586-018-0837-0. Ne ovat jällessä ja sijaitsevat aivan tuoreen puuaineksen vieressä. Ne tuottavat sekä puuta että nilaa.

Jällen kantasolujen toimintaa ohjaavat kehittyvän puuaineksen niin sanotut järjestäjäsolut. Niiden paikan määrittelee auksiinihormoni: kantasolu on aina runsaasti auksiinia sisältävän solun vieressä.

”Ennen kuin solu erikoistuu puusoluksi, se pitää huolta siitä, että muodostuu uusi järjestelijäsolu. Näin kasvu jatkuu jopa tuhat vuotta puun ja kuoren välissä”, Mähönen selittää.

Auksiinin keskeinen rooli ei ollut yllätys. Mähönen kertoo vinkkaavansa opiskelijoilleen, että jos tentissä tulee tenkkapoo, kannattaa kirjoittaa auksiinista, koski kysymys mitä tahansa kasvin kehitysbiologiassa.

Helariutan tiimi tutki kasvien johtosolukon varhaisvaiheitahttps://www.nature.com/articles/s41586-018-0839-y. Ensin syntyy nilaa, ja nuoret nilasolut käynnistävät ja ohjaavat jällen muodostumisen alkua, esijälttä.

Lisäksi tutkijat kuvasivat, millainen geenisäätelyverkosto toimii kehityskulun taustalla.

Pituutta puu kasvaa kärki­meristeemeillään eli varren tai juuren kärjissä olevilla kasvusolukoillaan. Pituuskasvusta vastaavat kantasolut on tunnettu molekyylitasolla parikymmentä vuotta.

Molemmat ryhmät käyttivät tutkimuksissaan samaa kasvia, lituruohoa. Se on maailman parhaiten tunnettu kasvi, jota on hyödynnetty tuhansissa tutkimuksissa.

Lajia voi risteyttää, mutta se on pääasiassa itsepölytteinen, mikä takaa, että kasviyksilöiden perimä säilyy samanlaisena sukupolvesta toiseen. Siemenestä siemeneen kestää vain kaksi kuukautta.

”Yksinkertaisen mallin avulla voidaan tutkia vaikeita asioita. Vaikka lituruoho on pieni rikkaruoho, se pystyy lyhyen elämänsä aikana tekemään samoja asioita­ kuin puuvartiset kasvit. Siinäkin on jälsi, joka tekee puuta”, Mähönen sanoo.

Helariutta kertoo, että pienten kasvien voimavarat näkyvät siinä, miten nopeasti ne kykenevät kehittymään puumaisiksi puuttomilla saarilla. Tuossa ympäristössä muita ylemmäs venymisestä on etua.

Kummatkin tiimit tekivät löytönsä lituruohon juuresta, jota ne kasvattivat maljalla.

Mähönen ja hänen kollegansa aloittivat työnsä seitsemän vuotta sitten. Siitä lähtien heidän tavoitteensa on ollut ymmärtää puun kasvua mahdollisimman syvästi, solutasolla.

Alkajaisiksi oli rakennettava työkalu, jolla asiaa voisi tutkia. Tämä olikin koko hankkeen hankalin osa.

Lopulta Mähönen ja ryhmään kuuluva Ondřej Smetanahttps://www.hs.fi/haku/?query=ondrej+smetana saivat neronleimauksen, jonka ansiosta yksittäisiä solulinjoja voidaan seurata ja kartoittaa kaikki jällen solut.

Menetelmässä yksittäinen solu pannaan tuottamaan sinistä väriä. Jos solu on jakaantuva, sinisyys periytyy tytärsoluille.

Aiemmissa tekniikoissa geneettinen muutos saatiin aikaan vain solurykelmiin. Tätä nykyä helsinkiläisten keksintöä käyttävät monet muutkin laboratoriot maailmassa.

Tutkimustuloksista voi olla paljon hyötyä, sillä puissa odottaa valtavia jalostamisen mahdollisuuksia.

”Metsäpuita menetetään hakkuissa jatkuvasti, ja samalla poistetaan tärkeitä hiilen sitojia. Lisäksi puuta käytetään yhä uusiin tarkoituksiin ja runsaammin. Jos geenitekniikalla tehostettaisiin puiden hiilensidontaa ja paksuuskasvua, pystyttäisiin tuottamaan enemmän puubiomassaa pienemmällä alalla”, Helariutta toteaa.

Tämän ansiosta vielä villit alueet­ voitaisiin säästää. Näin vaalittaisiin luonnon monimuotoisuutta, joka hupenee hurjaa vauhtia.

Suomalaisryhmien löydöt voivat tuoda lautasillemme entistä muhkeampia juureksia. Nehän ovat oikeastaan varastosolukoita, joissa on jälsimäinen kasvusolukko.

Nyt kun tutkijat tuntevat paksuuskasvun perusmekanismit, he voivat selvittää, toimivatko ne samalla tavalla vaikkapa nauriissa.

Helariutan ryhmä on jo saanut lituruohon tekemään solukkoa, joka muistuttaa varastojuurta. Se tosin maistui pahalta.

Jotta sovelluksia saataisiin, geenitekniikan käyttö kasvinjalostuksessa pitäisi sallia Euroopassa. Yhdysvalloissa muuntogeenistä soijaa ja maissia on viljelty 1990-luvun lopulta asti.

”Pyrin olemaan elossa silloin, kun kasvigeenitekniikka hyväksytään täällä. Sitä ei ehkä tällä hetkellä tarvita Euroopassa, mutta voi tulla tilanne, jossa esimerkiksi siirtogeenisistä puista olisi hyötyä”, Helariutta toteaa.

Hän kertoo esimerkin geenimuokatusta kasvista, josta olisi apua ilmastonmuutoksen hillinnässä. Ruotsalaiset ja kiinalaiset tutkijat onnistuivat vähentämään riisin metaanipäästöjä roimasti. He siirsivät ohrasta riisiin geenin, joka ohjaa kasvin ilmasta ottaman hiilidioksidin käyttöä.

Sen ansiosta riisi hyödyntää enemmän hiiltä tärkkelyksen ja jyvien kasvattamiseen. Silloin sitä riittää vähemmän juuriin, jossa bakteerit muuttavat suuren osan hiilestä metaaniksi.

Riisinviljely synnyttää 7–17 prosenttia maailman metaanipäästöistä.

Metaani taas on hiilidioksidin jälkeen toiseksi tärkein kasvihuonekaasu, ja se on aiheuttanut noin 20 prosenttia maapallon lämpenemisestä esiteollisen ajan jälkeen.

Melkein metaanipäästötöntä susiba2-riisiähttps://www.nature.com/articles/nature14673 on viljelty kenttäkokeissa Kiinassa kolme vuotta. Haittoja ei ole ilmaantunut, sen sijaan sadot ovat olleet parempia kuin perinteisillä riisilajikkeilla.