Taimede võime reageerida kiiresti muutuvatele ilmastikuoludele on põllumajanduses üha kriitilisema tähtsusega. Maaelu Teadmuskeskuse koekultuuride spetsialistLiisa Kübarsepp uuris oma doktoritöös õhulõhede kineetikat ehk seda, kui kiiresti suudavad taimed oma “suid” avada ja sulgeda vastusena valgusele, õhuniiskusele ja süsihappegaasile. Tulemused pakuvad väärtuslikku teavet uute, vastupidavamate sortide aretamiseks, mis suudavad heitlikes oludes säästa vett ilma saagikuses kaotamata.
Mis on õhulõhed ja miks on nende kiirus oluline?
Taimede gaasivahetus väliskeskkonnaga toimub lehe pinnal asuvate mikroskoopiliste pooride ehk õhulõhede kaudu. Need reguleerivad fotosünteesiks vajaliku süsihappegaasi (CO₂) liikumist lehte ja takistavad liigset veekadu transpiratsiooni teel. Kiiremini reageerivad õhulõhed võimaldavad taimedel soodsatest tingimustest (näiteks pilve tagant ilmuv päike) rohkem kasu lõigata ja stressitingimustes vähem vett kaotada. Tavalisem õhulõhede tüüp on nn neerukujulised õhulõhed ning peamiselt kõrrelistel esinevad hantlikujulised õhulõhed. Võrreldes neerukujuliste õhulõhedega on hantlikujulistel mehaaniline eelis: neid ümbritsevad sulgrakkudega võrreldes suhteliselt suured kaasrakud mis aitavad sulgrakkudel kiiremini paisuda või kahaneda.
Kui õhulõhed avanevadaeglaselt, võib taim jääda “nälga”, sest fotosünteesiks vajalik CO₂ ei pääse piisavalt kiiresti lehte. Liiga aeglasel õhulõhede sulgumisel valguse vähenemisel või põua korral võib taim jääda “janusse”. Uuringud on näidanud, et kiire dünaamiline reageerimine (eriti sulgumine valguse vähenedes) võib parandada taime veekasutuse efektiivsust 20–30%. Õhulõhede reaktsioonikiirus on eriti oluline just heitlikes ilmastikutingimustes, kus iga sekund loeb taime veekasutuse efektiivsuse seisukohalt.
See pole ainult suurus, mis loeb
Mitmed varasemad tööd on näidanud, et väiksemad õhulõhed on alati kiiremad keskkonnamuutustele reageerima. Liisa Kübarsepa uuringud aga kinnitasid, et seos on märksa keerulisem. Selgus, et reaktsioonikiirust määravad pigem erinevate anatoomiliste tunnuste koosmõjud, mitte üksikud parameetrid nagu suurus või tihedus. Kübarsepp võrdles evolutsiooniliselt vanu taimi nagu sõnajalad ja tänapäevaseid katteseemnetaimi ning põllukultuure.
Uuringud paljastasid, et vähemalt evolutsiooniliselt vanematel taimedel sõltub seos suuruse ja kiiruse vahel sõltub tugevalt sellest, millisele välisärritajale taim parasjagu reageerib. Laiemat liikide valikut hõlmav uuring näitab, et üksikute parameetrite (nagu suurus või tihedus) asemel on olulisem see, kuidas need omavahel kombineeruvad. Mõnel juhul, näiteks teatud nisu genotüüpide puhul, täheldati isegi vastupidist seost: suuremad õhulõhed võivad teatud tingimustes reageerida oodatust kiiremini.
Üks olulisemaid tegureid, mis kiirust mõjutab, on õhulõhede endi kuju. Doktoritöö kinnitas, et kõrrelistele omased hantlikujulised õhulõhed on reeglina märksa käbedamad kui paljude teiste taimede neerukujulised õhulõhed. Hantlikujulistel õhulõhedel on mehaaniline eelis: neid ümbritsevad õhulõhe sulgrakkudega võrreldes suuremad kaasrakud, mis aitavad sulgurrakkudel kiiremini paisuda või kahaneda. See ehituslik eripära võimaldab kõrrelistel (sh paljudel meie tähtsaimatel teraviljadel) muuta oma lehtede gaasivahetust minutite, mitte kümnete minutitega.
Teine tegur on õhulõhede jaotus lehe eri külgedel. Enamikul taimedel asuvad õhulõhed peamiselt lehe alaküljel. Küll aga on mitmetel taimedel (sealhulgas kõrreliste liikidel) õhulõhed mõlemal lehepoolel, mis lühendab süsihappegaasi teekonda lehe sees ja aitab kiirendada üldist reaktsiooni. Doktoritöös selgus, et uuritud liikide hulgas oli valgustingimustele reageerimine kiirem nendel taimedel, kus lehe ülaküljel oli õhulõhede tihedus suurem. See on oluline vihje sordiaretajatele: õhulõhede tunnused annavad võimaluse leida „erksamaid“ aretisi, mis reageerivad muutuvatele keskkonnatingimustele kiiremini ning võimaldavad aretada efektiivsema veekasutuse ja suurema fotosünteesi võimekusega sorte. Sealjuures peab siiski silmas pidama liikide vahelisi erinevusi ja liigisisest varieeruvust. Taim on terviklik süsteem, kus kiirus tuleneb anatoomia, kuju ja füsioloogia koostööst.
Kasu põllumajandustootjale: Vastupidavamad sordid
Põllumehe jaoks tähendavad need teadmised lootust sortidele, mis on “targemad” veekasutajad. Sordiaretuses saab doktoritöö tulemusi kasutada selleks, et valida genotüüpe, millel on optimaalne õhulõhede kombinatsioon just konkreetse piirkonna kliima jaoks.
Kübarsepa sõnul on siin suur potentsiaal: „Saadud tulemusi võiks tulevikus kasutada ka sordiaretuses, et aretada kiiremalt reageerivate õhulõhedega ja seega heitlikele ilmastikutingimustele paremini vastupidavaid sorte“. See aitaks tagada stabiilse saagi ka aastatel, mil põud ja kuumalained vahelduvad sagedaste sademetega.
Tehisintellekt tuleb aretuses appi
Üheks suurimaks takistuseks õhulõhede uurimisel on seni olnud andmete kogumise töömahukus – tuhandete mikroskoopiliste pooride käsitsi mõõtmine on äärmiselt aeglane. Doktoritöös testiti lahendusena masinõppe tööriistu, mis suudavad pilte analüüsida automaatselt.
Liisa Kübarsepp selgitab: „Töömahukuse vähendamiseks hindasime ka masinõppe kasutamist mikroskoobiga tehtud piltide analüüsis. Parima tulemuse andis lihtne proovi ettevalmistus, kuid enne suurte andmestike töötlemist on vajalik masinõppe tööriistade tulemusi kindlasti ka valideerida väikese hulga käsitsi tehtud mõõtmistega“. Mõõtmise automatiseerimine muudab võimalikuks sadade aretusliinide kiirema skriinimise, et võrrelda lisaks teistele tunnustele ka õhulõhede anatoomiat.
Liisa märgib oma töös: „Ükski anatoomiline tunnus üksikult võetuna ei võimalda reaktsioonikiirust usaldusväärselt prognoosida. Olulisem on erinevate tunnuste vaheline sünergiline efekt“. See teadmine aitab arendada uusi tehisintellektil põhinevaid tööriistu, mis suudavad analüüsida mitmeid tunnuseid korraga ja leida üles need tulevikusordid, mis suudavad säästa vett ilma saagikuses järeleandmisi tegemata.
Kokkuvõte
Doktoritöö kinnitas, et taimede võime kiiresti keskkonnale reageerida on peenelt häälestatud süsteem, kus rolli mängivad nii lehe anatoomia, liigi evolutsiooniline taust kui ka konkreetsed kasvutingimused. Põllumajandustootjate jaoks sillutab see uuring teed sortideni, mis suudavad muutlikus kliimas efektiivsemalt majandada oma kõige kallima vara – veega.
Artikkel on koostatud Liisa Kübarsepa doktoritöö „Õhulõhede kineetika ja selle anatoomilised piirangud eri taimerühmadel“ (2026) põhjal. Doktoritöö juhendajad olid Eesti Maaülikoolist professor Ülo Niinemets ja kaasprofessor Tiina Tosens ning oponent kaasprofessor Dimitri Tolleter (Universite Grenoble Alpes, Prantsusmaa).
Artiklit toimetas Hanna Tamsalu, METK
