Jotkut kasvit selviävät kuukausia ilman vettä, mutta muuttuvat vihreiksi lyhyen sateen jälkeen. Bonnin ja Michiganin yliopistojen tuore tutkimus osoittaa, että tämä ei johdu "ihmegeenistä". Pikemminkin tämä kyky on seurausta kokonaisesta geeniverkostosta, joista lähes kaikki ovat läsnä myös haavoittuvammissa lajikkeissa. Tulokset ovat jo ilmestyneet verkossa vuonna Plant Journal.
Tutkimuksessaan tutkijat tarkastivat lajia, jota on pitkään tutkittu Bonnin yliopistossa – ylösnousemuskasvia Craterostigma plantagineum. Se kantaa nimeään aivan oikeutetusti: kuivuuden aikoina sen voisi luulla kuolleeksi. Mutta jopa kuukausien kuivuuden jälkeen pieni vesi riittää elvyttämään sen. "Olemme instituutissamme tutkineet, kuinka kasvi tekee tämän useiden vuosien ajan", selittää professori tohtori Dorothea Bartels Bonnin yliopiston kasvien molekyylifysiologian ja bioteknologian instituutista (IMBIO).
Hänen kiinnostuksensa kuuluu mm geenit jotka ovat vastuussa kuivuuden sietokyvystä. Kävi yhä selvemmäksi, että tämä kyky ei ole seurausta yhdestä "ihmegeenistä". Sen sijaan mukana on monia geenejä, joista suurin osa löytyy myös lajeista, jotka eivät kestä yhtä hyvin kuivuutta.
Kasvissa on kahdeksan kopiota jokaisesta kromosomista
Tässä tutkimuksessa Bartelin tiimi analysoi yhdessä Michiganin yliopiston (USA) tutkijoiden kanssa Craterostigma plantagineumin koko genomia. Ja tämä on rakennettu melko monimutkaiseksi: Vaikka useimmilla eläimillä on kaksi kopiota kustakin kromosomista – yksi emolta, yksi isältä –, Craterostigmalla on kahdeksan kopiota. Tällaista "kahdeksankertaista" genomia kutsutaan myös oktoploidiksi. Me ihmiset sen sijaan olemme diploideja.
”Tällaista geneettisen tiedon lisääntymistä voidaan havaita monilla kasvit jotka ovat kehittyneet alle äärimmäisissä olosuhteissa”, Bartels sanoo. Mutta miksi se on? Todennäköinen syy: Jos geeniä on kahdeksan kopiona kahden sijaan, se voidaan periaatteessa lukea neljä kertaa nopeammin. Oktoploidinen genomi voi siksi mahdollistaa suurten määrien vaaditun proteiinin tuottamisen erittäin nopeasti. Tämä kyky näyttää myös olevan tärkeä kehityksen kannalta kuivuuden sietokyky.
Craterostigmassa jotkin geenit, jotka liittyvät parempaan kuivuuden sietokykyyn, replikoituvat entisestään. Näitä ovat niin sanotut ELIP:t – lyhenne sanoista "varhaisen valon indusoivia proteiineja", koska valo kytkeytyy nopeasti päälle ja suojaa oksidatiiviselta stressiltä. Niitä esiintyy suurina kopiomäärinä kaikissa kuivuutta sietävissä lajeissa.
"Craterostigmassa on lähes 200 ELIP-geeniä, jotka ovat lähes identtisiä ja sijaitsevat suurissa kymmenen tai kahdenkymmenen kopion ryhmissä eri kromosomeissa", Bartels selittää. Kuivuutta sietävät kasvit voivat siis oletettavasti hyödyntää laajaa geeniverkostoa, jota ne voivat nopeasti säädellä kuivuuden sattuessa.
Kuivuudelle herkillä lajeilla on yleensä samat geenit – vaikkakin pienemmällä kopiomäärällä. Tämä ei myöskään ole yllättävää: useimpien kasvien siemenet ja siitepöly pystyvät usein itämään pitkänkin ilman vettä. Joten heillä on myös geneettinen ohjelma suojatakseen kuivuutta vastaan. "Tämä ohjelma kuitenkin kytkeytyy normaalisti pois päältä itämisen yhteydessä, eikä sitä voi aktivoida uudelleen sen jälkeen", kasvitieteilijä selittää. "Ylösnousemuskasveissa se sitä vastoin pysyy aktiivisena."
Useimmat lajit "kestävät" kuivuutta
Kuivuuden sietokyky on siis asia, jonka suurin osa kasveista "voi tehdä". Geenit, jotka antavat tämän kyvyn, ilmenivät todennäköisesti hyvin varhain evoluution aikana. Nämä verkostot ovat kuitenkin tehokkaampia kuivuutta sietävien lajien kohdalla, eivätkä myöskään ole aktiivisia vain tietyissä elinkaaren vaiheissa.
Kaikilla Craterostigma plantagineumin soluilla ei kuitenkaan ole samaa "kuivuusohjelmaa". Tämän osoittivat Düsseldorfin yliopiston tutkijat, jotka olivat myös mukana tutkimuksessa. Esimerkiksi eri kuivuusverkostogeenit ovat aktiivisia juurissa kuivumisen aikana kuin lehdissä. Tämä havainto ei ole odottamaton: esimerkiksi lehtien on suojauduttava auringon haitallisilta vaikutuksilta. Heitä auttavat tässä esimerkiksi ELIP:t. Riittävällä kosteudella kasvi muodostaa fotosynteettisiä pigmenttejä, jotka absorboivat ainakin osittain säteilyä. Tämä luonnollinen suoja epäonnistuu suurelta osin kuivuuden aikana. Juurien sitä vastoin ei tarvitse huolehtia auringonpoltosta.
Tutkimus parantaa ymmärrystä miksi jotkut laji kärsivät niin vähän kuivuudesta. Pitkällä aikavälillä se voisi siis edistää sellaisten kasvien, kuten vehnän tai maissin, jalostusta, jotka selviytyvät paremmin kuivuus. Ilmastonmuutoksen aikana niille on todennäköisesti suurempi kysyntä kuin koskaan tulevaisuudessa.