Kemistit tutkivat miten kasvien puolustusyhdisteitä voisi hyödyntää ilmastonmuutoksen torjunnassa

​Monet kasvit alkavat vähitellen heräillä talviuniltaan. Kasvisoluissa on käynnissä keväisin kemiallisen osaamisen taidonnäyte, kertoo luonnonyhdistekemian professori Juha-Pekka Salminen.

– Me kemian laitoksella tutkimme muun muassa kasvien kemiallista monimuotoisuutta. Tutkimus tutkimukselta käsitämme yhä paremmin, kuinka valtavan kemiallisen ponnistuksen eri kasvilajit joutuvat tekemään etenkin keväisin: niiden pitää kasvattaa nopeasti fotosynteettistä solukkoa sekä luoda itselleen riittävän tehokas kemiallinen puolustus, Salminen kertoo.

Kasvit kehittävät etenkin lehtiinsä ja kukkiinsa kasvinsyöjähyönteisiä vastaan puolustusyhdisteitä, muun muassa erilaisia tanniineja. Salmisen mukaan kasvit ovat kehittyneet ihmistä taitavimmiksi kemisteiksi kehittäessään yhä erilaisempia puolustusyhdisteitä.

– Ihminen on puolestaan kehittynyt yhä taitavammaksi kemistiksi pyrkiessään ymmärtämään näiden puolustusyhdisteiden kemiaa sekä hyödyntämään puolustusyhdisteitä niin lääkkeinä, ravinnon laadun parantajina kuin kasvihuonekaasupäästöjen vähentäjinä.

Kasvien puolustusyhdistekoostumus on täysin lajikohtainen. Yhdessä kasvilajissa saattaa olla satoja erilaisia luonnonyhdisteitä, joilla laji varustautuu kasvinsyöjien ja taudinaiheuttajien hyökkäyksiä vastaan. Tietyillä tanniinirakenteilla kasvit puolustautuvat esimerkiksi hyönteistoukkia vastaan, toisenlaisen rakenteen omaavat tanniinit suojaavat kasveja puolestaan hirviltä ja peuroilta: ne aiheuttavat epämiellyttävän maun tai tuntuvat muuten ikävältä limakalvoilla.

Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmässä on käynnissä Suomen Akatemian ja EU:n rahoittamia tutkimusprojekteja, joilla pyritään selvittämään kasvien puolustusyhdisteiden toimintamekanismeja, yhdisteiden esiintymistä eri kasvilajeissa sekä sitä, miten aktiivisten molekyylien evoluutio on mahdollisesti edennyt kasvilajien evoluution mukana. Tutkimuskohteina on yli 2000 kasvilajia viideltä eri mantereelta.

Nautakarja aiheuttaa kasvihuonekaasuja – luonnon puolustusyhdisteet apuun

Kasvien tuottamia puolustusyhdisteitä on mahdollista hyödyntää monin tavoin. Yksi tavallisimmista käyttötarkoituksista on ihmisten terveyden edistäminen.

– Yli puolet länsimaissa nykyään käytetyistä lääkkeistä sisältää vähintään yhtenä vaikuttavana aineena tai ainesosana kasveista alun perin eristettyä yhdistettä. Harvemmin tullaan kuitenkaan ajatelleeksi, että näitä samoja yhdisteitä voitaisiin hyödyntää kohentamaan myös vaikkapa kotieläinten tai ympäristön tilaa, Salminen kertoo.

Märehtijöiden avulla tuotettu eläinproteiini kuormittaa ympäristöä huomattavasti enemmän kuin esimerkiksi siipikarjan avulla tuotettu proteiini. Märehtimisprosessi tuottaa ensinnäkin runsaasti metaanipäästöjä, jopa 140 kiloa lypsylehmää kohden vuodessa. Märehtijät myös käyttävät kasviperäisen proteiinin tehottomasti hyödykseen, jolloin märehtimisestä karkaava typpi erittyy virtsaan ja voi muuttua luonnossa typpioksiduuliksi eli ilokaasuksi. Se on 200 kertaa hiilidioksidia tehokkaampi kasvihuonekaasu.

– Lisäksi märehtijöiden loisia ehkäistään synteettisillä lääkkeillä, joita vastaan monille loisille on jo kehittymässä maailmanlaajuinen resistenssi. Siksi lääkkeiden annoskokoja on yleisesti jouduttu kasvattamaan. Tämä puolestaan aiheuttaa sen, että synteettisten kemikaalien päästöt ympäristöön kasvavat ja lääkejäämiä saattaa esiintyä myös ihmisten ravinnossa.

Kasvitanniineja sisältävillä rehuvalinnoilla on kuitenkin mahdollista pienentää merkittävästikin ympäristön kuormitusta. Luonnonyhdistekemian tutkimusryhmä selvittää parhaillaan, millaisten luonnollisten tanniinirakenteiden avulla olisi mahdollista vähentää näitä haittoja kaikkein tehokkaimmin.

– Työsarkaa riittää, sillä eri ongelmien ratkaisuun vaaditaan nähtävästi aina hiukan erilaisen kemiallisen ominaisuuden omaavia tanniinirakenteita. Kuitenkin kun kasvitanniinien positiivisten ympäristövaikutusten mekanismit ymmärretään paremmin, on vähitellen mahdollista selvittää, millaisia tanniineja sisältävät kasvit muodostaisivat ympäristöystävällisimmän tavan ruokkia märehtijöitä.

Tutkimuksissa saatujen alustavien tulosten perusteella näyttäisi siltä, että tanniinien avulla on mahdollista alentaa märehtijöiden kasvihuonekaasupäästöjä ja loiskuormaa jopa alle puoleen.

Kemian laitoksen analyysimenetelmä paljastaa sadat puolustusyhdisteet muutamassa minuutissa

Kun kemistit ovat saaneet hyvän kokonaiskuvan siitä, minkälaiset luonnonyhdisteet ovat tehokkaimpia kasvien puolustusyhdisteinä tai märehtijöiden kasvihuonekaasupäästöjen vähentäjinä, on tärkeää selvittää mitkä kasvilajit tuottavat suuria pitoisuuksia juuri näitä molekyylejä.

Turun yliopiston kemian laitoksella on kehitetty menetelmä, jonka avulla monen nykyaikaisen laboratorion vakiovarustukseen kuuluvalla nestekromatografi-massaspektrometrillä kasvinäytteistä voidaan analysoida minuutissa jopa 250 yhdistettä molekyylispesifisesti.

– Kasvinäytteistä voitaisiin jo nyt analysoida muutaman sadan tehokkaimman puolustusyhdisteen tai loislääketanniinin pitoisuudet yhdellä analyysillä, jos vain tietäisimme näiden kaikkien yhdisteiden molekyylirakenteen. Odottavan aika on pitkä, mutta tieteelliset läpimurrot vaativat tyypillisesti aikaa ja kärsivällisyyttä, eikä kasvikemian tutkimus ole tässä suhteessa poikkeus. Jos vastaukset kysymyksiimme olisivat helppoja, ne olisi löydetty jo aikoja sitten, Salminen kertoo.

 

Tutkimuksen rahoituksesta vastaa Suomen Akatemia (projektit 258992 ja 26080079) ja EU (‘LegumePlus’; PITN-GA-2011-289377).

Hannu Aaltonen ja Juha-Pekka Salminen
Etusivun kuva: 31dec