Puiden paksuuskasvun salaisuus on vihdoin selvitetty

Korkeuksiin kurottavia jättipuita ihastellessa unohtuu helposti, että näiden elollisten pilvenpiirtäjien kymmenien ja jopa satojen vuosien elinkaari ei perustu pituus- vaan paksuuskasvuun eli rungon paksuuntumiseen.

Kasvien ulkokuoren alla sijaitseva ohut solukerros jälsi tekee kasveista tukevampia ja tuottaa jokapäiväisten hyödykkeiden raaka-aineita kuten puuta ja korkkia. Jälsi tuottaa erikoistuneita johtosolukkoja, jotka kuljettavat vettä ja ravinteita kasvin eri osiin ja jotka tunnetaan puunrunkojen poikkileikkauksessa näkyvinä sisäkkäisinä vuosirenkaina. Kasvien ja puiden paksuuskasvu kestää usein koko niiden eliniän.

Jälsi on niin ikään vastuussa nauriin, porkkanan ja perunan sekä muiden juuri- ja mukulakasvien kasvusta. Siitä huolimatta kasvien varsien ja juurien paksuuskasvun mekanismeista tiedetään hyvin vähän.

Helsingin ja Cambridgen yliopistojen kasvitieteilijät ovat tahoillaan löytäneet kaksi säätelyverkostoa, jotka ohjaavat tätä kasveille ratkaisevan tärkeää paksuuskasvua. Tänään Nature-tiedelehdessä julkaistuissa artikkeleissa esitellyt löydökset ovat toistaiseksi kattavin kuvaus siitä, miten kasvit kasvavat paksuutta.

Uusien tutkimustulosten ansiosta kasvitieteen oppikirjojen kuvaukset kasvien kahden johtosolukkotyypin – vettä kuljettavan ksyleemin eli puuaineksen ja ravinteita kuljettavan nilan – synnystä, eriytymisestä ja kasvusta on kirjoitettava uudestaan.

Mi­ten kas­vit sää­te­le­vät ja oh­jaa­vat pak­suus­kas­vua?

Tohtori Ari Pekka Mähösen tutkimusryhmä Helsingin yliopiston Biotekniikan instituutista(HiLIFE) ja Bio- ja ympäristötieteellisestä tiedekunnasta ratkaisi 150 vuotta jatkuneen kiistan paksuuskasvusta vastaavien kantasolujen sijainnista ja olemuksesta tutkimalla paksuuskasvun aikaista solunmuodostusta lituruoho-kasvimallin (Arabidopsis thaliana) avulla. Ryhmä osoitti, että jällen (solukko, joka muodostaa sekundäärisen johtosolukon) kantasolut sijaitsevat tuoreen puuaineksen vieressä. Lisäksi Mähösen ryhmä osoitti, että kehittyvä puuaines ohjaa kantasolujen toimintaa.

Samaa kasvimallia hyödyntämällä professori Yrjö Helariutan ryhmä, joka siirtyi projektin aikana Helsingin yliopistosta Cambridgen yliopiston Sainsbury-laboratorioon (SLCU) paneutui johtosolukon muodostumisen alkuvaiheeseen. Helariutan tutkimuksessa havaittiin, että toisin kuin loppuvaiheessa, alkuvaiheen nuoret nilasolut (protonila) käynnistävät jällen muodostumisen ensimmäisen vaiheen (esijälsivaiheen) ja ohjaavat sitä. Lisäksi ryhmä kuvaili prosessin taustalla olevan geenisäätelyverkoston ja tuoreeltaan löydetyn mobiilin säätelyproteiiniryhmän yhdistävän tehtävän.

Yhdessä edellä mainitut löydökset selittävät osin sen, miten kasvit pystyvät jatkuvasti ja erittäin järjestelmällisesti kasvamaan paksuutta, minkä ansiosta juurien ja runkojen poikkileikkauksissa nähdään samankeskisiä vuosirenkaita. Ratkaisevia tekijöitä ovat solujen sijainti ja niiden välillä oleva monimutkainen molekulaarinen signallointiverkosto.

Yksittäisiä solulinjoja jäljittämällä ja molekyyligenetiikkaa käyttäen Mähösen ryhmä näytti, miten erilaistumattomat alkuvaiheen puuainessolut toimivat eräänlaisina kantasolujen organisointisoluina, jotka ottavat vastuun viereisen johtosolukon jakautumisesta ja toimimisesta kantasoluina.

– Näytimme, että tämä sekundäärinen kehitysvaihe on tarkkaan säädelty prosessi, ja paljastimme samalla, että kantasolu ja sitä ohjaava organisointisolu ovat dynaamisia: järjestäjäsolun erilaistuminen puuainekseksi synnyttää uuden järjestäjäsolun viereiseen jällen kantasoluun, joka johtaa taas uuden kantasolun muodostumiseen nilan puolelle jälttä. Tämä syklinen prosessi toistuu aina, kun puuainesta muodostuu. Lisäksi ryhmämme tunnisti molekulaarisen mekanismin joka ylläpitää järjestäjäsolujen identiteettiä.

Mil­lai­sia ovat jäl­len kas­vuso­lu­kon toi­min­taa sää­te­le­vät ke­mial­li­set sig­naa­lit?

Ennen kuin paksuuskasvu alkaa, juuren ja verson kärjessä olevan puuaineksen ja nilan väliin muodostuu ohut kasvusolukkokerros (erilaistumatonta solukkoa, jossa on kasvua edistäviä kantasoluja) nimeltään esijälsi. Se havaittiin ensimmäisen kerran jo 1800-luvulla, mutta mekanismia, jolla esijälsi tuottaa kahdenlaisia johtojännesoluja ja kehittyy lopulta jälleksi, ei ymmärretty.

– Erittäin varhaisen vaiheen nilasolukko (esinila) auttaa ohjaamaan solujen käyttäytymistä ja muodostamaan tulevaan paksuuskasvuun vaikuttavia mahdollisia kasvutekijöitä, professori Helariutta kertoo.

– Esinila komentaa vieressään olevia soluja jakautumaan ja samalla koordinoi niiden kehitystä. Osoitimme, että juurien esijälsisolukossa olevan protonilan siiviläsolut vaikuttivat paksuuskasvun alkuvaiheisiin.

Mähösen ja Helariutan tutkimusryhmät jatkavat molekulaarisen viestinnän ohjailun selvittämistä lituruohossa. Mähösen ryhmä tutkii miten muut jällen säätelytekijät vuorovaikuttavat järjestäjäsolujen identiteettiä ylläpitävän mekanismin kanssa, kun taas Helariutan ryhmä paneutuu selvittämään, miten alkuvaiheen paksuuskasvu vaikuttaa sekundääriseen paksuuskasvuun. Näiden tutkimustulosten avulla voidaan mahdollisesti vaikuttaa puiden kasvunopeuteen ja puuaineksen lujuuteen sekä viljelykasvien satoihin. Paksuuskasvun tehostaminen lisää myös ilmakehän kasvihuonekaasuja sitovaa hiilinieluefektiä.

Alkuperäiset julkaisut:

Nature: “Mobile PEAR transcription factors integrate positional cues to prime cambial growth” http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0839-y 

Nature: “High levels of auxin signalling define the stem-cell organizer of the vascular cambium” http://dx.doi.org/10.1038/s41586-018-0837-0

Lehdistötilaisuus:

Yrjö Helariutta ja Ari Pekka Mähönen kertovat tutkimustuloksistaan mediatilaisuudessa Suomen Akatemiassa (Hakaniemenranta 6, 1. krs) torstaina 17.1. klo 13.30–15.00. Heidän tutkimustyönsä on osa Suomen Akatemian Primaarituottajien molekyylibiologian huippuyksikköä.