Pool väetistest muutub otse reostuseks

Teadlased avastasid mehhanismi, mis aitab taimedel „kõhu täis saada“, vähendada väetiste kasutamise vajadust ning õhu- ja veereostust.

New Yorgi Ülikooli (NYU) teadlased on tuvastanud molekulaarsed tegurid, mille abil taimed saavad aru, et nad on omastanud piisavalt lämmastikku ehk kas nende „kõht on täis“. Avastus võib aidata teadlastel arendada taimi, mis seovad mullast rohkem lämmastikku. Nii saaksid põllumajandustootjad vähendada keskkonnale ja majandusele kulukate väetiste kasutamist.

„Tuvastades geeniregulaatorid, mis reageerivad lämmastiku eri kogustele ja vormidele, avastasime lämmastiku kasutamist kontrolliva regulatsiooniteguri ning võimaluse parandada taimede lämmastiku omastamist ja selle muutmist orgaaniliseks lämmastikuks,“ ütles uuringu üks juhtautoreid Gloria Coruzzi, NYU bioloogiaosakonna ning genoomika ja süsteemibioloogia keskuse Carrolli ja Milton Petrie professor.

Saagikus ja reostus on suurenenud käsikäes

Viimaste aastakümnete jooksul on lämmastikväetiste kasutamine maailma põllukultuuride saagikust märkimisväärselt suurendanud. Taimed omastavad aga vaid ligikaudu 50 protsenti kasutatud väetistest. Märkimisväärne osa ülejäänust leostub veekogudesse, kus see võib kahjustada vee-elustikku ja soodustada kahjulike vetikaõitsengute teket.

Mulda jäänud kasutamata lämmastik suurendab omakorda tugeva kasvuhoonegaasi dilämmastikoksiidi heidet. Saja aasta jooksul seob dilämmastikoksiid soojust 273 korda tõhusamalt kui süsinikdioksiid.

Ka väetiste tootmine ja transport on kulukas ning geopoliitilised probleemid võivad nende kättesaadavust ohustada. Samuti võivad väetiste ladustamine ja transport olla ohtlikud neis sisalduvate ebastabiilsete lämmastikuühendite tõttu.

„Väetiste kasutamise tõhustamisel oleks oluline keskkonnaalane, majanduslik ja geopoliitiline mõju,“ ütles Coruzzi, kes juhtis koostööprojekti koos Argentina pealinnas Buenos Aireses asuva geeni- ja molekulaarbioloogia instituudi INGEBI teadlase Mariana Obertelloga.

Valk, mille “väljalülitamine” teeb taime eriti aplaks

Teadlased avastasid uue regulatsiooniteguri, mis aitab taimel tajuda, millal ta on omastanud piisavalt lämmastikku. „Need teadmised võivad aidata luua eriti „aplaid“ taimesorte, mis omastavad rohkem kättesaadavat lämmastikku,“ ütles uuringu juhtautor, NYU bioloogiaosakonna doktorant Will Hinckley.

Uuringus tuvastasid teadlased taimede geenid, mis reageerivad erinevatele lämmastikukogustele. Eesmärk oli leida regulaatorid, mis juhivad lämmastikusignaale konkreetsetes tingimustes. Nii jõudsid teadlased HHO5-nimelise valguni, mis osutus tähtsaks lämmastikuga küllastumisest märku andvaks regulaatoriks. HHO5 reguleerib kogu taime genoomi ulatuses geenide avaldumist ja mõjutab taime kasvu sõltuvalt saadud lämmastiku kogusest.

Teadlased leidsid ka, et erinevad lämmastikuvormid mõjutasid HHO5 geeni avaldumist erinevalt. See geen toodab HHO5 valku, mis toimib olulise transkriptsioonifaktorina ning käivitab sihtgeenide avaldumise kogu genoomis.

HHO5 geeni avaldumine suurenes siis, kui taimes oli piisavalt orgaanilist lämmastikku. Seda lämmastikuvormi kasutatakse taimes kaugtranspordiks ja säilitamiseks ning inimese toitumise seisukohalt oluliste aminohapete tootmiseks.

NYU doktorant Will Hinckley külvab hariliku müürlooga (Arabidopsis thaliana) seemneid lämmastikku sisaldavale taimekasvatussöötmele. Foto: Tracey Friedman, NYU

Kuidas taimel täiskõhutunnet vältida?

Orgaanilise lämmastiku signaalide aktiveeritud HHO5 täitis korraga kaht ülesannet: see soodustas orgaanilisele lämmastikule reageerivate ja aminohapete ainevahetusega seotud geenide avaldumist, kuid pidurdas samal ajal mullast täiendava anorgaanilise lämmastiku omastamisega seotud geenide tööd. Sisuliselt ütles taim: „Mu kõht on täis.“

„Taimed omastavad mullast anorgaanilist lämmastikku ja muudavad selle orgaaniliseks lämmastikuks. Lämmastiku omastamine ja muundamine nõuab väga palju energiat. Kui orgaanilist lämmastikku on piisavalt, aktiveerub HHO5 geen, mis annab taimele signaali lõpetada mullast täiendava anorgaanilise lämmastiku omastamine. Tõenäoliselt aitab see energiat säästa. Nii kujunes meie mudel sellest, kuidas taimed saavutavad HHO5 abil lämmastikuküllastuse,“ selgitas Hinckley.

Teadlased uurisid HHO5 toimemehhanismi veelgi põhjalikumalt, et mõista, kuidas saab üks valk täita korraga kaht erinevat ülesannet. Selgus, et üksinda toimides lülitab HHO5 välja anorgaanilise lämmastiku omastamisega seotud geenid. Kui HHO5 seostub aga teise regulatoorse valgu WRKY21-ga, muutub see orgaanilise lämmastiku signaalidega seotud geene aktiveerivaks teguriks.

Orgaanilise lämmastiku tagasisidemehhanismi kontrollimiseks muutsid NYU teadlased geneetiliselt taimerakke nii, et neis leidus palju nii HHO5 kui ka WRKY21 regulatoorseid valke. Rakkudes, kus leidus palju nii HHO5 kui ka selle partnerit WRKY21, avaldusid tugevamalt orgaanilisele lämmastikule reageerivad ja taime kaitsega seotud geenid.

Et veelgi selgemalt tõendada HHO5 rolli anorgaanilise lämmastiku omastamise peatamisel, uurisid Argentina ja NYU teadlased koostöös taimi, milles HHO5 puudus. Katsetes kasutati müürlooka ehk Arabidopsis’t – väikest õistaime, mida kasutatakse sageli taimebioloogia mudelorganismina.

Teatud lämmastikutingimustes omastasid HHO5-ta taimed peaaegu kolm korda rohkem lämmastikku kui normaalse HHO5 tasemega taimed.

„See leid toetab arusaama, et HHO5 annab märku orgaanilise lämmastiku piisavusest ja peatab anorgaanilise lämmastiku omastamise mullast. Kuna HHO5 eemaldamine parandab lämmastiku omastamist, näitab see, et HHO5 muutmine võib aidata taimede lämmastiku sidumist ja ainevahetust märgatavalt parandada,“ ütles Obertello.

NYU on esitanud uuringu ja selles kirjeldatud avastuste kohta patenditaotluse, et võimaldada taimede lämmastikukasutuse tõhususe parandamist.