AK ⟩ Mulla saladustest kosmosejaamani – Eesti teaduse tippude tipus troonib elurikkuse uurimine

Mikroskoobis on näha, kuidas maisi juur (tumedam kimp) on läbi kasvanud peenikeste krohmseene niitidega, mis kasvavadki valdavalt juurerakkude vahel. Selline, arbuskulaarse mükoriisana tuntud läbipõimumine on üks vanemaid sümbioosi vorme, mis on evolutsioonilises ajaloos võimaldanud ka taimede maismaale kolimist. Foto: Tanel Vahter

Veidi enam kui nädal tagasi avaldas maailma teaduse paremikku hindav ja monitooriv analüüsifirma Clarivate (vt kõrvallugu) oma 2020. aasta 6000 enim tsiteeritud teadlaste nimekirja, millest võib seekord leida kümme eestlasest või Eesti ülikoolidega seotud teadlast. Kümnest ebaproportsionaalselt palju ehk koguni seitse tegelevad ühe või teise nurga alt seente ja taimede elurikkuse uurimisega ning on auväärses nimekirjas figureerinud aastaid. Postimees uuriski asjaosalistelt, kellest kõik tegutsevad Tartu Ülikoolis, millest selline edulugu tulnud on ja millega seente-taimede uurijad õigupoolest üldse tegelevad.

Kohe alguses tasub ära mainida, et siinses kontekstis ei tule juttu puravikest, sirmikutest ja kärbseseentest, vaid nähtamatutest, tihti vaid mikroskoopilistest mullaorganismidest, mis moodustavad koos taimejuurtega keerukaid sidemeid. Nüüdseks on teadlased näidanud, et tegu on iidse sümbioosiga, mis mängis rolli juba maismaataimedega koloniseerimises. Üks võtmesõna on siin mükoriisa – seeneniitidest ja taimejuurtest moodustunud ühendorgan, mis on nagu sild seene- ja taimeriigi vahel. Miks on see oluline? Tiheda seotuse tõttu muutub ka piir taime- ja seeneuurijate vahel häguseks ning just need seosed innustavad meie tippteadlasi.

Tippteadlaste pingerida

•       Clarivate Analyticsi nimekirja valitakse iga aasta üle 6000 teadlase 21 erialalt, kelle eelneva kümne aasta jooksul avaldatud tööd on jõudnud oma eriala ühe protsendi enim tsiteeritute hulka. Oma eriala piires suure tsiteeritavusega teadlasi on aga palju rohkem. Pärast nende teadlaste väljaselgitamist analüüsis CA tiim valitud teadlaste tööd põhjalikult läbi ja tegi veel nendegi seast omaette valiku. Edasi pääsesid need, kelle teadustöö kvaliteet vastas kõige kõrgematele standarditele. Lõpuks valiti igast erialast välja teadlased, kelle hulk võrdub selle eriala ühe protsendi tsiteeritavuse saavutanud teadlaste ruutjuurega. Seega võib öelda, et lõplikku nimistusse pääsevad teadlased paigutuvad oma tsiteeritavuselt maailma tasemel koguni 0,1 protsendi hulka.

•       Eestlastest või Eesti ülikoolidega seotud teadlastest kuulus sel aastal Clarivate’i nimekirja lisaks artiklis nimetatutele ka TÜ keskkonnafüüsika professor Heikki Junninen, Eesti Maaülikooli taimefüsioloogia professor Ülo Niinemets ja TTÜ turunduse kaasprofessor Linda Hollebeek. Varasematel aastatel on selles figureerinud ka näiteks KBFI ökotoksikoloog Anne Kahru, Geenivaramu juht professor Andres Metspalu ning TÜ praegune inimgenoomika juhtivteadur Tõnu Esko.

«Kujutage ette – olete aias või looduses, vaatate taimi ja enda arvates teate, kuidas nad toimetavad. Neil on juured, vars, lehed, õied, juurte abil imavad nad mullast toitaineid… Ja siis äkki selgub, et te ei tea pooli asju. Mullas on silmale nähtamatu või raskesti märgatav seeneniidistiku süsteem, mis seob taimed ühtsesse võrku. Enamasti on seened abiks toitainete imamisel, kaitsevad haiguste eest, aga vahel tegutsevad hoopis parasiidina. Neil seentel on suur tähtsus mulla kujundamisel. Neist peabki palju rääkima, sest neil on ökosüsteemides nii oluline roll,» tõdeb Eesti botaanika suurkuju, TÜ taimeökoloogia professor Martin Zobel.

Taimeökoloogia professor Martin Zobel jätkab enda õpetajate tööd ning on loonud enda ümber terve koolkonna teadlasi. Foto: Sille Annuk

Aga miks ikkagi just seene- ja taimeteadus Eestis niivõrd kõrgel tasemel on? Kõik sel aastal Clarivate’i esile toodud teadlased nimetavad ühe põhjusena loomulikult varasemate põlvkondade suurmehi, nagu Viktor Masing, Erast Parmasto ja Hans Trass, ning nende tööst sündinud järjepidevust. Nagu teisteski teadusvaldkondades on viimaste aastakümnete murrang seotud uute, molekulaarsete meetodite – otse öeldes DNA analüüsi mängu tulekuga. Aegamööda on võimalikuks saanud teha ülevaade kõigist võetud mullaproovis sisalduvatest organismidest.

Nagu tõdeb TÜ koosluste ökoloogia juhtivteadur Mari Moora, ongi elurikkuse uurimist enim mõjutanud avastused tulnud hoopis mikrobioloogiast ja informaatikast.

Koosluste ökoloogia juhtivteadur Mari Moora on oma uurinud, kuidas erinevad taimede ja seente vahelised interaktsioonid mõjutavad koosluste kujunemist. Foto: Sille Annuk

«Molekulaarsete meetodite plahvatuslik areng, eriti nn uue põlvkonna sekveneerimise kasutuselevõtt umbes 15 aastat tagasi avasid meie erialal hoopis teised dimensioonid. Nüüdisaegsed molekulaarsed meetodid võimaldavad elurikkuse uuringuid teha palju suuremas skaalas nii ruumis kui ajas. Samuti on võimalik põhjalikult uurida silmale nähtamatut, mikroobide maailma elurikkust, ning selle seost ökosüsteemide toimimisega,» selgitab Moora. Ta lisab, et edus on suurt rolli mänginud ka see, et uued meetodid võeti kasutusele kohe ning on osatud ennustada tulevikus tekkivaid küsimusi.

Molekulaarsete meetodite pealetulekuga on seotud ka üks Eesti teadlaste suurematest panustest. Selle mõistmiseks tuleb astuda sammuke tagasi ja vaadata seda, kuidas uute liikide teaduslik uurimine traditsiooniliselt käinud on. Selleks on alates Carl Linnést olnud vajalik uue liigi kirjeldamine teaduskirjanduses ja sellele teadusliku nime andmine. Kui näiteks guugeldada maailma uudistest uusi liike, võib leida selle artikli kirjutamise ajal ilmunud teate, kuidas Indias avastati surnud bambuse peal kasvav helendav seen, millele pandi nimeks Roridomyces phyllostachydis.

Mullas elavate ja tihti mikroskoopiliste liikide puhul on selline nimetamine aga keeruline ja tihti ka otstarbetu. Nagu seletab TÜ elurikkuse informaatika vanemteadur Kessy Abarenkov, on seeneliikide määramine ökoloogilistes uuringutes tänapäeval enamasti DNA-põhine, kuna määramiseks vajalikke viljakehi tihtipeale ei leita või neid ei tekigi, samas on piisavalt paljud liigid silmaga vaadates eristamiseks liiga sarnased. Kiire ja odav DNA sekveneerimine näitab aga kõik kohe ära. Lisaks ei ole enam uurija inimliku eksimuse või liikide mittetundmise tõttu vigade tekkimise ohtu.

«Seega oli tarvis süsteemi, mis võimaldaks olukorras, kus liikide teaduslikud nimed tihti puuduvad, teadlastel oma uurimistulemusi arusaadaval ja stabiilsel viisil edasi anda,» selgitab Abarenkov.

Elurikkuse informaatika vanemteadur Kessy Abarenkov on panustanud mitme ülemaailmselt kasutatava elurikkuse andmebaasi ja andmebaaside platvormi PlutoF loomisse. Foto: Sille Annuk

Taimeuurijate vaatenurgast aga on kütkestav võimalus kirjeldada kiiresti ja ülevaatlikult mitte üksikuid isendeid, vaid terveid kooslusi.

«Võiks ju küsida, miks te taimi silma järgi ei määra, oleks palju lihtsam. Nii ongi lihtsam Eestis, kus me taimi hästi tunneme. Aga maailmas on soontaimede liike tublisti üle 300 000. Molekulaarsete meetodite abil saab hõlmata tervet maailma,» rõhutab ka Martin Zobel.

Sellised DNA abil määratud seente, aga ka muu elurikkuse ülestähendamise infosüsteemid on suuresti ka Eesti tippude igapäevatöö, mille eest pälvisid Abarenkov ja TÜ mükoloogia professor Urmas Kõljalg ka 2020. aasta Eesti Vabariigi teaduspreemia. Uudsus on siin aga palju enamat kui üksikud andmebaasid. Tegu on täiesti uue lähenemisega eluslooduse uurimises.

Tartu Ülikooli loodusmuuseumi ja botaanikaaia direktor Urmas Kõljalg on seeneteadlasena algatanud projekte, mis on saanud maailma teadustaristu asendamatuks osaks. Foto: Sille Annuk

«Selle paradigma peamine erinevus teistest sama valdkonna meetoditest on, et käsitleme taksoneid kui digitaalseid andmekogusid, kuhu kuuluvad indiviidid ja nende tunnused. Nende eristamine on ajas pidev tänu sellele, et kõik andmed on masinloetavad ja tehisintellekt teeb meie eest selle töö ära,» selgitab professor Kõljalg.

«See, mida nad tegid, ei ole enam isegi rangelt võttes seeneteadus. Nad lõid uue liikide klassifikatsiooni, astusid sisuliselt esimese sammu Carl Linnést edasi. Nad on suutelised ennustama liike nii, nagu omal ajal Mendelejevi tabelis tühje kohti täideti: et kes on kindlasti olemas, aga pole veel üles leitud,» ei jää ka Eesti Teaduste Akadeemia president Tarmo Soomere Kõljala ja Abarenkovi tööst rääkides tagasihoidlikuks.

Praeguseks on sellised Tartus loodud andmebaasid nagu UNITE (loojad Kessy Abarenkov ja Urmas Kõljalg) ja MaarjAM (looja molekulaarse ökoloogia juhtivteadur Maarja Öpik) teadlastele üle maailma referentsandmebaasideks. Esimene oli algselt pühendunud vaid seentele, kuid kajastab tänaseks kõigi päristuumsete organismide elurikkust, millele on hiljem lisandunud ka geograafiline, ökoloogiline ja funktsionaalne kontekst. Teine on spetsialiseerunud krohmseente ehk arbuskulaarset mükoriisat moodustavate seente levikule: kuskohast ja milliste taimede juurest seened leiti jne. Eri andmebaasid, näiteks UNITE, aga ka e-Elurikkus, toimivad aga platvormil PlutoF, mille koostamine oli osa Kessy Abarenkovi doktoritööst ning kus teadlased saavad hallata elurikkuse andmeid kogu ulatuses, loodusvaatlusest teadusartikli avaldamise ja arhiveerimiseni. Alguses seente kirjeldamiseks kasutatud süsteem on praegu kasutusel pea kõigi elusorganismide uurimisel.

 

Nad lõid uue liikide klassifikatsiooni, astusid sisuliselt esimese sammu Carl Linnést edasi. Nad on suutelised ennustama liike nii, nagu omal ajal Mendelejevi tabelis tühje kohti täideti: et kes on kindlasti olemas, aga pole veel üles leitud.

Aga mida on inimkond selle kõige läbi teada saanud? Eri teadlastel on erinevaid vastuseid.

Urmas Kõljalg näiteks ütleb, et tema enda töörühma areng liigub sinna, et ollakse üks globaalse digitaristu osa, kuhu kuuluvad sellised tegijad nagu geenipangad, CERN, kirjastused, avaandmete portaalid jt.

«Teada hakkavad saama teised, näiteks ökoloogid, looduskaitsjad, taimekasvatajad, mikrobioloogid, geneetikud jt, kes kasutavad meie süsteemi oma teadustöö tulemuste analüüsimiseks ja kommunikatsioonis. Isegi kosmosejaama elustiku uurimisel on meie süsteemi kasutatud. Edu neile kõigile selles!» ütleb Kõljalg.

Tohutute andmebaaside olemasolu annab loomulikult võimaluse vastata ka väga suurtele küsimustele.

«Meie üheks eesmärgiks on uurida inimtegevuse mõju võimalikult erinevatele organismidele üheaegselt – taimedele, mullaloomadele, bakteritele, seentele. Meil on ökosüsteemide rida puutumatust kuni degradeerununi. Vaatame mullast eraldatud DNA alusel, milline organismirühm annab alla varem ja kes peab kauem vastu,» kirjeldab tekkinud võimalusi Martin Zobel. Loomulikult saab küsida ka teistpidi: mida teha, et degradeerunud süsteemi taastada?

Mükoriisauuringute juhtivteadur Leho Tedersoo on tegelenud ektomükoriisa-seente ja mullaökoloogia uurimisega. Foto: Sille Annuk

Kevadel avaldas maailma tipp-teadusajakiri Science mükoriisauuringute juhtivteaduri Leho Tedersoo, Martin Zobeli ja Tedersoo kunagise doktorandi, molekulaarse ökoloogia kaasprofessor Mohammad Bahrami artikli, milles võetakse kokku viimase kümne aasta arengud mükoriisauuringutes. Nagu Tedersoo siis Postimehega rääkides tõdes, on viimaste aastate teaduse edusammud näidanud, et taimed ongi seentest partnerite vahendusel seotud võrgustikku umbes samamoodi nagu «Avatari» filmis. Nii toimub mööda võrgustikku ainevahetus, mis hoiab elurikkust üleval. Näiteks on olemas hulk nn võrdsustavaid mehhanisme, kus tugevamad taimed annavad nõrgematele seente vahendusel vajalikku ressurssi. «Toimub ressursi ümberjagamine – kommunismus,» ironiseerib Tedersoo. Kuid see on vaid üks näide. Kujundlikult rääkides on mullas olemas ka oma turumajanduse süsteemid, iseenda sugulaste abistamine ehk onupojapoliitika, hädasignaalid läheneva patogeeni eest jne.

Ökoloogia ja Maateaduste Instituudi direktor, molekulaarse ökoloogia juhtivteadur Maarja Öpik on lisaks muule pannud aluse ka krohmseente ülemaailmsele andmebaasile. Foto: Sille Annuk

TÜ Ökoloogia ja Maateaduste Instituudi direktor, molekulaarse ökoloogia juhtivteadur Maarja Öpik aga kirjeldab ühe talle enim hämmingut valmistanud avastusena tõsiasja, et maa all eksisteerivad terved bioomid või ökosüsteemid: «Nagu taimedel maapeal on niidud ja metsad, on niitude ja metsade krohmseenekooslused (vt kõrvallugu) erinevad. Leidsime selle mustri esimest korda aastal 2006 avaldatud artiklis, kui andmeid üle maailma oli vähe. Kui seda mustrit oma andmeanalüüsis esimest korda nägin, olin väga põnevil, aga tugevalt usaldada seda tulemust ka ei julgenud, sest andmeid oli nii vähe. Praeguseks oleme mitmed tollased arusaamad ümber lükanud, nt krohmseeneliikide valdavalt piiratud levilad. Nüüd on ilmne, et väga paljudel krohmseeneliikidel on suured, kontinentideülesed või isegi globaalsed levilad. Aga rohumaade ja metsade kontrastsus krohmseenekooslustes tuleb ikka ja jälle esile uutes andmestikes, uutes piirkondades.»

Üks oluline õppetund, mida pea kõik nimetatud teadlased esile toovad, on, et inimtegevusel on mõju ka meid kõiki kandvale eluvõrgustikule, mis on paraku mullas peidus ja mida me alles tundma oleme õppinud. Isegi kui inimsilm neid organisme kunagi näinud ei ole, on DNA nad tänaseks ära näidanud, kuid praeguseni ei ole täpselt teada, kuidas nad globaalsetele muutustele, kündmisele, väetamisele ja taimemürkidele vastu peavad. Igal juhul on alust arvata, et tegu on ühtaegu vastupidava ja hapra süsteemiga.

«Toimub ressursi ümberjagamine – kommunismus,» ironiseerib Tedersoo. Kujundlikult rääkides on mullas olemas ka oma turumajanduse süsteemid, iseenda sugulaste abistamine ehk onupojapoliitika, hädasignaalid läheneva patogeeni eest jne.

Viimase 20 aasta olulisemate seast kuulub Mari Moora isiklik sümpaatia ühele koostööprojektile, kus saadi tänu kümneid tuhandeid aastaid igikeltsas säilinud pärilikkusaine järjestustele aimu sellest, millised olid viimase jääaja maksimumi eelsed, aegsed ja järgsed arktilised taimekooslused.

«Näitasime, et senikehtiv arvamus, et ajaloolised, eelmise jääaja maksimumi eelsed taimekooslused olid tänapäeva arktiliste koosluste analoogid, ei pea paika. Mis see teadmine meile annab? See näitab, et taimkate ja ökosüsteem tervikuna ei taastu pärast suurt ja olulist häiringut endisel kujul ning paljud neis kooslustes elavad taime ja loomaliigid kaovad. Tänapäeva globaalsete muutuste mõju uurimisel ja ennustamisel on see suure väärtusega teadmine,» arutleb Moora.

Mükoriisa ehk seenjuur

Nii nimetavad teadlased seeneniitidega kaetud või nendega läbi põimunud taimejuuri, mis kujutab endast taime- ja seeneriigi kooselu: seeneniidid vahendavad taimele mineraalaineid ja taimed omakorda annavad seenele vastu süsinikuühendeid, nagu glükoosi, fruktoosi ja mõningaid rasvhappeid. Hinnanguliselt jõuab kogu fotosünteesi teel õhust seotud süsinikust 30 protsenti mükoriisaseentesse.

Tänaseks on teada mitut eri tüüpi mükoriisat, mis erinevad üksteisest seda moodustavate taimede kui seente poolest. Peamised neist on järgmised.

Mikroskoobis on näha, kuidas maisi juur (tumedam kimp) on läbi kasvanud peenikeste krohmseene niitidega, mis kasvavadki valdavalt juurerakkude vahel. Selline, arbuskulaarse mükoriisana tuntud läbipõimumine on üks vanemaid sümbioosi vorme, mis on evolutsioonilises ajaloos võimaldanud ka taimede maismaale kolimist. Foto: Tanel Vahter

Kõige levinum tüüp on nn arbuskulaarne mükoriisa, mida moodustavad ainult krohmseente gruppi kuuluvad organismid. Tegu on evolutsiooniliselt vanima mükoriisatüübiga ning arvatakse, et see võib olla tekkinud juba 460 miljonit aastat tagasi ja mänginud suurt rolli ka taimede maismaale kolimises. Need seened ajavad oma niidid taime rakukesta ja membraani vahele ja moodustavad seal spetsiaalseid struktuure arbuskuleid. Mikroskoopilised seened on taimerakust täiesti sõltuvad ja ilma taimedeta nad hukkuksid.

Männijuurel pinnal moodustavad kaks seeneliiki (pildil roosa ja kreemika värviga) ektomükoriisa, kaitseb muu hulgas taimi haigustekitajate eest. Foto: Leho Tedersoo

Küll aga on silmaga nähtav ektomükoriisa, mille puhul poevad seeneniidid taimerakkude vahele ilma neisse sisenemata. Sellesse gruppi kuuluvad ka paljud liigid, mille viljakehad on tuntud söögiseentena, näiteks pilvikud, riisikad, kukeseened ja puravikud. Põhiliselt levinud okas- ja segametsades. Lisaks taime toitmisele on neil ka tugev taimi kaitsev funktsioon, kuna taimejuure pinnale tekkiv kiht ei lase haigustekitajaid sellele ligi.

Eraldi grupp on orhideede ehk käpalistega seotud orhidoidne mükoriisa. Orhideed ise fotosünteesivad vähe, mistõttu saavad need oma seenpartneritelt tihti ka teistelt taimedelt pärinevaid suhkruid.

Lisaks on olemas ka kanarbikulaadsete taimedega seotud erikoidne mükoriisa, mis on väga tõhus orgaanilistest ühenditest toitainete omastamises.