Puut säästävät vettä

Lämpötilojen noustessa ja kuivuuskausien yleistyessä tutkijat etsivät keinoja auttaa kasveja selviytymään vähäisemmällä vedellä.

Jotkin trooppiset puut saattavat jo sisältää osan ratkaisusta.

Wienin yliopiston tutkijat ovat selvittäneet, miten tietyt Clusia-suvun puut ovat kehittäneet poikkeuksellisen yhteyttämistavan, jonka ansiosta ne pystyvät sitomaan hiilidioksidia öisin ja säästämään samalla kosteutta päivisin.

Nature Communications -tiedelehdessä julkaistu tutkimus osoittaa, miten miljoonien vuosien aikana tapahtuneet geneettiset muutokset ovat synnyttäneet erilaisia vettä säästäviä strategioita yhden trooppisen puuryhmän sisällä.

Yhteyttämisen arvoitus

Useimmat kasvit ottavat hiilidioksidia sisäänsä pienten ilmarakojen kautta. Nämä raot avautuvat tavallisesti päivänvalossa, mutta samalla niiden kautta pääsee haihtumaan vettä.

Kuivissa oloissa kasvaville kasveille tämä aiheuttaa vaikean tasapainoilun hiilidioksidin sitomisen ja kosteuden säilyttämisen välillä.

Jotkin trooppiset puut ratkaisevat ongelman avaamalla ilmarakonsa öisin, jolloin lämpötila on yleensä alhaisempi ja haihtuminen vähäisempää.

Ne varastoivat sitomansa hiilidioksidin omenahapon muodossa ja vapauttavat sen kasvin sisällä päivänvalossa yhteyttämistä varten. Tätä prosessia kutsutaan mehikasvien happometaboliaksi eli CAM-yhteyttämiseksi.

Syvälle historiaan ulottuva löytö

Clusia-puiden poikkeuksellinen toiminta herätti tutkijoiden huomion ensimmäisen kerran jo yli kaksi vuosisataa sitten. Luonnontutkija Alexander von Humboldt havaitsi noin vuonna 1800, ettei veteen upotetusta trooppisen puun lehdestä vapautunut päivänvalossa odotettuja happikuplia.

Nykyään tutkijat tietävät, että CAM-yhteyttämistä käyttävät kasvit voivat pitää ilmarakonsa suljettuina päivisin ja hyödyntää silti varastoimaansa hiilidioksidia yhteyttämiseen.

Se, miten tämä kyky tarkalleen ottaen kehittyi eri Clusia-lajeilla, oli kuitenkin edelleen epäselvää.

Kolme puuta, erilaiset strategiat

Asian selvittämiseksi tutkijat vertailivat kolmen lajin genomeja: Clusia rosea, Clusia minor ja Clusia major. He tutkivat myös sitä, miten puut reagoivat veden saatavuuden muutoksiin lähes luonnonmukaisissa kasvihuoneolosuhteissa. Tulokset paljastivat huomattavia eroja.

Clusia rosea käyttää CAM-yhteyttämistä tehokkaasti ja varastoi yön aikana huomattavia määriä hiilidioksidia. Clusia minor käynnistää prosessin pääasiassa silloin, kun ympäristöolosuhteet muuttuvat haastaviksi.

Clusia major puolestaan yhdistää tavanomaisen päiväaikaisen hiilidioksidinoton CAM-yhteyttämiseen, mikä muodostaa joustavan yhdistelmästrategian. Nämä erot osoittavat, että läheistä sukua olevat puut voivat kehittää erilaisia tapoja vastata veden niukkuuteen.

Miten muinaiset geenit muuttuivat

Tutkijat havaitsivat, että kaikilla kolmella lajilla oli tapahtunut muinaisia genomin kahdentumistapahtumia, joiden seurauksena niiden esi-isille oli syntynyt ylimääräisiä kopioita perintöaineksesta.

Miljoonien vuosien aikana nämä laajentuneet genomit järjestyivät laajasti uudelleen. Osa kahdentuneista geeneistä hävisi, osa muuttui toimimattomaksi ja jotkin geenit saivat uusia tehtäviä.

Tutkimuksen pääkirjoittaja Hannes Kramml selitti, että tämä evolutiivinen uudelleenjärjestäytyminen vaikutti geeneihin, jotka osallistuvat hiilidioksidin varastointiin öisin.

Tutkimusta johtanut professori Wolfram Weckwerth lisäsi, että kahdentuneiden genomien laaja uudelleenjärjestäytyminen auttoi selittämään, miksi Clusia-lajeille kehittyi niin monenlaisia yhteyttämisstrategioita.

Tulokset viittaavat siihen, että CAM-yhteyttäminen kehittyi useiden geneettisten muutosten seurauksena eikä yhden yksinkertaisen evolutiivisen tapahtuman kautta.

Voisiko tästä olla hyötyä tulevaisuuden viljelykasveille?

CAM-yhteyttämistä käyttävät kasvit voivat hyödyntää vettä tehokkaammin kuin kasvit, jotka turvautuvat yksinomaan tavanomaiseen yhteyttämiseen. Tämän edun taustalla olevien geenien ja aineenvaihduntaprosessien ymmärtäminen voisi tulevaisuudessa auttaa tutkijoita kehittämään viljelykasveja, jotka soveltuvat paremmin kuiviin ympäristöihin.

Näiden monimutkaisten mekanismien siirtäminen viljelykasveihin vaatisi kuitenkin huomattavasti lisätutkimusta. Tutkimuksessa tarkasteltiin trooppisia puita eikä testattu geneettisesti muunneltuja viljelykasveja, joten käytännön sovellukset maataloudessa ovat vielä pitkän aikavälin mahdollisuus.

Luonnon opetus

Tulokset osoittavat, miten evolutiivinen joustavuus voi auttaa kasveja sopeutumaan haastaviin ympäristöihin. Ymmärtämällä, miten trooppiset puut säästävät vettä ja ylläpitävät samalla yhteyttämistä, tutkijat saattavat löytää uusia keinoja parantaa maatalouden kykyä kestää vaikeita olosuhteita.

Ilmastonmuutoksen lisätessä maailman ruoantuotantoon kohdistuvia paineita nämä poikkeukselliset puut tarjoavat arvokkaita vihjeitä siitä, miten kasvit selviytyvät veden käydessä vähiin.