Professoriluento | Paula Mulo

Suomi on metsien -vihreän kullan- maa, mutta metsien lisäksi myös kaikkialla muualla ympärillämme on kasveja. Viihtyisän ympäristön lisäksi kasvit tarjoavat meille ihmisille muun muassa ravintoa, polttoainetta ja rakennustarpeita ja onkin selvää, että kasvit ovat meidän tuntemamme elämän edellytys. Emme kuitenkaan usein pysähdy ajattelemaan mikä kasveista tekee niin tärkeän ja ainutlaatuisen osan elinympäristöämme. Taustalla on äärimmäisen monimutkainen koneisto, jonka avulla ilman hiilidioksidi sidotaan sokereiksi. Energia tähän reaktioon saadaan auringon valosta. Tätä reaktiosarjaa kutsutaan fotosynteesiksi eli yhteyttämiseksi.

Fotosynteesireaktioissa kasvi käyttää valon ja hiilidioksidin lisäksi lähtöaineena vain vettä ja kasvuunsa kasvi tarvitsee vielä tiettyjä maaperästä saatavia ravinteita. Käytännöllisesti katsoen koko meidän tuntemamme elämä perustuu fotosynteesiin. Syömämme kasvikset ovat tietysti fotosynteesin lopputuotteita ja myös lihana hyödyntämämme karja on tarvinnut kasvaakseen kasviravintoa. Hyödynnämme puuta rakennusmateriaalina, paperina ja polttoaineena. Myös fossiiliset polttoaineet ovat alun perin peräisin fotosynteettisistä organismeista, kun muinaiset metsät ovat ajan kuluessa, paineen alaisena muuttuneet öljyksi, hiileksi ja maakaasuksi. Koska myös hengittämämme happi on peräisin fotosynteesireaktioista, on fotosynteesissä epäilemättä kyse maailman tärkeimmästä reaktiosta.

Fotosynteesi tapahtuu kasvien vihreissä osissa. Kasvisolujen sisältä löytyy pieniä soluelimiä, kloroplasteja eli viherhiukkasia, joissa fotosynteesireaktiot tapahtuvat. Auringon valoenergian sitominen kemialliseen muotoon tapahtuu kloroplastien sisällä sijaitsevalla kalvorakenteella eli tylakoidikalvostolla. Tähän kalvoon on uponneena useita fotosynteesireaktioihin osallistuvia proteiinikomplekseja, joihin on kiinnittynyt kasvien värille ominainen pigmentti: klorofylli eli lehtivihreä. Kloroplastin liukoisessa tilassa sijaitsevien entsyymien toimesta tapahtuu puolestaan hiilidioksidin sitominen sokereiksi.

Fotosynteesitutkimuksen voidaan katsoa alkaneen jo 1700-luvulla, kun Joseph Priestley osoitti kasvien kykenevän puhdistamaan eläinten hengityksen pilaamaa ilmaa. Toisin sanoen lasikuvun alla pidetyt hiiret, joiden hengitys tuotti hiilidioksidia, pysyivät hengissä vain, jos kuvun alle laitettiin myös kasveja. Tämä johtui siitä, että kasvit kuluttivat hiirten tuottamaa hiilidioksidia ja samalla vapautui happea hiirten hengitettäväksi. 1900-luvun puoliväliin mennessä oli selvitetty jo monia fotosynteesin perusmekanismeihin liittyviä asioita, mutta molekyylitason tutkimus alkoi vasta vuosisadan loppupuolella. Vuonna 1996 sekvensointiin ensimmäinen fotosynteettisen organismin eli syanobakteeri Synechocystis 6803:n genomi ja muutamaa vuotta myöhemmin, vuonna 2000, kasvibiologian mallikasvin eli lituruohon genomi. Tästä voidaan katsoa alkaneen fotosynteesitutkimuksen post-genominen aikakausi.

Vaikka useat fotosynteesiin liittyvät perusrakenteet ja reaktiot tunnetaan jo kohtuullisen hyvin, puuttuu meiltä vieläkin paljon oleellista tietoa esimerkiksi fotosynteesikoneiston säätelymekanismeista. Tällaista tietoa tarvitaan, jotta kasvien tuottavuus voidaan taata myös erilaisissa stressiolosuhteissa ja jotta pystymme jalostuksen ja geeniteknologian avulla tuottamaan satoisia ja terveellisiä kasveja. Perustutkimus onkin siis kaiken soveltavan tutkimuksen edellytys ja fotosynteesitutkimuksen tuloksia tarvitaan myös silloin, jos haluamme tuottaa taudin- ja tuholaisenkestäviä tai stressiresistenttejä kasveja, joiden kasvattamiseen ei ehkä tarvittaisi niin paljon kasvinsuojeluaineita kuin nykyisin käytetään.

Turun yliopiston Bioteknologian laitoksen Molekulaarisen kasvibiologian osastolla useat tutkimusryhmät, myös omani, selvittävät fotosynteesireaktioiden molekyylitason toimintaa ja säätelyä. Tutkimus nojaa vahvasti genomitietoon sekä molekyylibiologisten että bioteknologisten menetelmien nopeaan kehittymiseen parin viimeisen vuosikymmenen aikana. On kuitenkin huomattava, että fotosynteesitutkimus sijoittuu monen eri tieteenalan, biologian, kemian, fysiikan ja biokemian, rajapintaan ja fotosynteesitutkimuksessa hyödynnetäänkin huikeaa määrää erilaisia menetelmiä. Tutkimme fotosynteesiin osallistuvien geenien ilmenemistä sekä tumassa että kloroplastissa ja voimme olemassa olevan genomitiedon valossa tarkastella tiettyjen geenien esiintymistä erilaisissa evoluution kuluessa muodostuneissa eliöryhmissä. Tutkimme fotosynteesiin osallistuvien proteiinien synteesiä, hajotusta ja toimintaa käyttäen muun muassa erilaisia proteiinibiokemian menetelmiä. Fotosynteesin toimintaa tutkimme esimerkiksi biofysikaalisilla menetelmillä ja hyödynnämme massaspektrometriaa moniin eri tarkoituksiin. Tarkastelemme myös kasvien elintoimintoja keskittyen joko kasvisoluista eristettyihin kloroplasteihin tai kloroplastin osiin, yksittäisiin kasvin soluihin, kasvin osiin tai kokonaisiin kasveihin. Yhdistelemällä eri menetelmillä saatuja tuloksia kykenemme saamaan aikaan kokonaiskuvan fotosynteesireaktioiden mekanismeista ja ymmärtämään fotosynteesiin vaikuttavia säätelytekijöitä.

Viime vuosina tutkimusryhmäni on selvittänyt niitä mekanismeja, joiden avulla kasvi sopeutuu nopeasti muuttuviin ympäristöolosuhteisiin. Kasvi ei tosiaankaan voi paeta epäsuotuisaksi muuttunutta ympäristöään. Sen pitää yrittää selvitä, vaikka olisi liian kuivaa, liian märkää, liian kuuma tai kylmä. On myös huomattava, että liian vähäinen tai liian kirkas valo vaikuttaa fotosynteesiin ja siten koko kasvin elintoimintoihin. Hämärässä valossa kasvi ei saa riittävästi energiaa fotosynteesiin ja yllättävää kyllä, liian kirkas valo on haitaksi kasville. Valo aiheuttaa fotosynteettisen koneiston vaurioitumista, mitä kasvin pitää jatkuvasti korjata elinkykynsä ylläpitämiseksi. Jos vauriot etenevät hallitsemattomasti, fotosynteesikoneiston toiminta häiriintyy pysyvästi ja kasvin kasvu ja tuottavuus kärsivät.

Vaikka laboratoriossa kasveja kasvatetaan stabiileissa olosuhteissa, on muistettava, että luonnossa valo-olosuhteet muuttuvat koko ajan. Pilvisenä päivänä kasvit saavat vähemmän valoa kuin auringon paistaessa kirkkaalta taivaalta, ja pilven ilmestyessä auringon eteen valon määrä voi muuttua nopeasti ja dramaattisesti. Lisäksi esimerkiksi tuulessa heiluvat oksat voivat jatkuvasti muuttaa kasvin vastaanottamaa valomäärää. Onkin ensiarvoisen tärkeää, että kasvi pystyy säätelemään, kuinka suuri osa valoenergiasta ohjautuu fotosynteesireaktioihin ja kuinka suuri osa energiasta vaimennetaan siten, ettei fotosynteesikoneisto vaurioidu. 

Tutkimusryhmäni on onnistunut selvittämään kokonaan uudenlaisen entsyymiperheen, GNAT-asetyylitransferaasien olemassaolon kloroplastissa ja olemme osoittaneet näiden entsyymien vaikuttavan valoenergian jakautumiseen fotosynteesikoneiston eri osien välillä. Jos entsyymit eivät toimi moitteettomasti, ei kasvi kykene kasvamaan vaihtuvissa valo-olosuhteissa. Oletamme, että näillä entsyymeillä on myös muita, vielä tuntemattomia tehtäviä ja tutkimusryhmäni selvittääkin tällä hetkellä miten nämä entsyymit vaikuttavat fotosynteesikoneiston rakentumiseen ja tylakoidikalvon järjestymiseen kloroplastissa. Tekemämme tutkimus on esimerkki siitä, miten pitkänkin historian omaavalla tieteenalalla koko ajan löydetään uutta ja toisaalta siitä, miten uudet tutkimusmenetelmät ja laitteistot mahdollistavat uudentyyppisten tutkimuskysymyksien asettamisen. 

Maailma on valtavien haasteiden edessä, mutta meillä myös lupaavia mahdollisuuksia vastata näihin haasteisiin. Maailman väkiluku kasvaa ja kasvavalle väestölle tarvitaan lisää ravintoa. Ilmastonmuutos voi vaikuttaa haitallisesti kasvien kasvuun ja tuottavuuteen. Hiilidioksidin määrää ilmakehässä tulisi vähentää ja maapallon keskilämpötilan nousu pitäisi saada keskeytettyä fossiilisten polttoaineiden käyttöä vähentämällä.  Fotosynteesitutkimus voi olla myös näiden ongelmien ratkaisemisen keskiössä. Viimeaikaisissa tutkimuksissa on osoitettu, että fotosynteesikoneistoa muuntamalla voidaan kasvien tuottavuutta parantaa jopa kolmanneksella. Koska kyseisessä tutkimuksessa käytettiin soijapapua, tärkeää ravintokasvia, ja kasvit kasvatettiin niiden oikeassa ympäristössä pellolla, onkin ilmeistä, että fotosynteesitutkimuksen tuloksia soveltamalla on mahdollista vaikuttaa ratkaisevasti maailman ravinnontuotantoon. Kasvit, levät ja fotosynteettiset bakteerit voidaan valjastaa tuottamaan auringon energian voimalla arvokkaita kemiallisia yhdisteitä, joista esimerkkinä voidaan mainita erilaiset puhtaat biopolttoaineet. Koska lähtöaineena on vesi, ei prosessissa vapaudu hiilidioksidia tai saasteita. Ravinteet ja hiilidioksidi näiden eliöiden kasvuun voitaisiin saada jätevesistä ja tehtaiden piipuista tupruttavasta hiilidioksidista. Maailmanlaajuisia ja paikallisia ratkaisuja on siis löydettävissä ja on toivottavaa, että sekä kansallinen että EU-lainsäädäntö mahdollistavat näiden uusien innovaatioiden käyttöön ottamisen. On selvää, että fotosynteesillä ja fotosynteesitutkimuksella on ollut ja tulee jatkossakin olemaan merkittävä rooli, kun kehitämme elinympäristöämme kestävästi tulevaisuuden tarpeita varten.