Sinilevän proteiinit voivat lisätä kasvien kuivuudensietoa
29.01.2013
Syanobakteereista löydetty proteiiniperhe saattaa kasvattaa maailman kuivimpien alueiden ruoka- ja energiatuotantoa. Löydös tehtiin Turun yliopiston integroidun fotosynteesi- ja metaboliittitutkimuksen huippuyksikössä.
professori Eva-Maria Aron (toinen oik.) johtamassa huippuyksikössä työskentelevät Grayathri Murukesan (vas.), Luca Bersanini, Maria Ermakova ja Martina Jokel etsivät syanobakteerista apua maailman ruoka- ja energiapulaan.
Huippuyksikön johtajan, professori Eva-Mari Aron mukaan löydös tehtiin, kun tutkimusryhmä seurasi evoluution kuluessa tapahtuvia muutoksia sinilevinä tunnetuista syanobakteereista viherleviin, sammaleisiin, sanikkaisiin ja korkeampiin kasveihin. Korkeampien kasvien rakenteelle on ominaista pitkälle kehittyneet solukot ja eri kasvinosat ovat erilaistuneet.
- Syanobakteereissa on spesifisiä proteiineja, jotka suojaavat yhteyttämisen peruskomponentteja, membraanissa olevia isoja pigmentti-proteiinikomplekseja, happiradikaalien aiheuttamilta tuhoilta. Syanobakteerilla käytössä olevat säätelyjärjestelmät ovat kuitenkin kadonneet evoluution myötä. Näin on tapahtunut, jotta korkeammat kasvit ovat voineet varastoida tehokkaammin auringon energiaa, Aro sanoo.
Seuraava askel on selvittää, voidaanko syanobakteerista löydettyä proteiiniperhettä käyttää hyväksi kasvien stressinsiedon lisäämiseksi.
- Siirrämme proteiineja ilmentäviä geenejä eri kombinaatioissa laboratoriossa 
kasvatettavaan lituruohoon ja parin vuoden tutkimuksen jälkeen selviää tuottavatko geenisiirrot odotetun tuloksen, Aro sanoo.
kasvatettavaan lituruohoon ja parin vuoden tutkimuksen jälkeen selviää tuottavatko geenisiirrot odotetun tuloksen, Aro sanoo.
Geenien siirtäminen lituun ja mutanttien karakterisointi on perustutkimusta ja yliopistoissa tehtävää työtä.
- Jos proteiini sen jälkeen halutaan siirtää esimerkiksi viljakasveihin, se on jo muiden työtä ja lopullisten hyödyntämismahdollisuuksien selville saaminen vie useita vuosia, Aro jatkaa.
Fotosynteesi kehittyi hapettomaan ilmakehään
Helpottaakseen asian ymmärtämistä, Eva-Maria Aro palaa 2,5-3 miljardin vuoden taa. Maapallolla eli ainoastaan anaerobisiin oloihin sopeutuneilta bakteereita, sillä happea ei ilmakehässä ollut.
Meressä oli kuitenkin kehittynyt syanobakteerin kantamuoto, joka onnistui elämään ja kasvamaan hyödyntämällä auringonvaloa, vettä ja hiilidioksidia. Näin oli kehittynyt happea vapauttava fotosynteesi, joka tunnetaan evoluution ”suurena pamauksena”.
- Pian valtameriä peitti paksuina mattoina syanobakteerit tuottaen fotosynteesinsä sivutuotteena happea, jonka seurauksena stratosfääriin syntyi otsonikerros. Otsonikerros siivilöi auringon ultraviolettisäteilyn, ja se mahdollisti elämän siirtymisen valtameristä maalle, Aro kuvaa.
Syanobakteerien ja kehittyneiden siemenkasvien fotosynteesi hapentuottoprosesseineen on pääpiirteissään pysynyt samanlaisena evoluution aikana, mutta fotosynteesin säätelymekanismit ja suojautuminen happiradikaaleilta ovat muuttuneet lähes kokonaan.
- Tutkimalla eri kasviryhmiä saamme selvää evoluution kulusta ja löydämme uusia suojamekanismeja.
Aron ryhmä on jo löytänyt ja uskoo, että löydettävissä on muitakin tieteelle uusia säätelymekanismeja, joita siirtämällä kasveihin voidaan tuottaa nykyistä enemmän ruokaa ja energiaa.
- Syanobakteerit olivat ensimmäisiä eliöitä, jotka hyödynsivät auringon valoenergiaa hapellisessa ympäristössä, joka on hyvin vaurioittavaa. Siksi niille kehittyi suojamekanismeja, joita evoluutio on kuitenkin kovasti muokannut kulloisenkin tarpeen mukaan, Aro sanoo ja jatkaa:
- Jos nyt löytämiemme suojaproteiinien geenejä siirretään kasveihin, ne voivat edistää kasvua kuivissa oloissa, joissa tarvitaan tehokkaat suojamekanismit, joskin sidottua auringon energiaa tuhlaantuu suojaukseen, mutta kasvit kuitenkin säilyisivät elinkelpoisina ja tuottavina.
Huippuyksikön viimeinen vuosi
Aron johtamalla huippuyksiköllä on viimeinen vuosi meneillään. Tavoitteena on ollut selvittää, miten kasvit ja syanobakteerit säätelevät yhteyttämisen reaktioita ja kuinka ne liittyvät primääri- ja sekundäärimetaboliittien ja biovedyn tuotantoon.
- Tehokas biovedyn tuotto löytämällämme syanobakteerikannalla on nyt siirtymässä ”pullotutkimuksesta” bioreaktoreihin ja vähitellen isompaan mittakaavaan, Aaro kertoo.
Huippuyksikössä työskentelee noin 35 tutkijaa. Aron johtamassa yksikössä toimii myös kaksi huippuyksikön aikana itsenäistynyttä, akatemiatutkijoiden Paula Mulon sekä Saijaliisa Kangasjärven johtamaa tutkimusryhmää.
Vuonna 2008 käynnistyneen huippuyksikön toiminta on nostanut suomalaisen fotosynteesitutkimuksen arvostusta kansainvälisessä tiedeyhteisössä.
Tutkittavaa ja intoa riittää niin, että Aro on uudessa kansallisessa tutkijakokoonpanossa hakemassa alkavalle kaudelle primaarienergian tuoton kansallista huippuyksikköä. Hakemus hyväksyttiin loppuvuodesta toiselle kierrokselle, ratkaisunsa Suomen Akatemia antaa kesäkuussa.
Teksti: Erja Hyytiäinen
Kuvat: Hanna Oksanen