”Me olemme kasvifysiologeja”, kasvien kehitysbiologian professori Yrjö Helariutta luonnehtii ryhmäänsä, jossa on hänen lisäkseen kaksi muuta ”päähenkilöä”.

Kasvibiologian professori Jaakko Kangasjärvi tutkii, miten kasvit toimivat, ja kasvien molekyylibiologian professori Ari-Pekka Mähönen yhdessä Helariutan kanssa kasvien rakentumista.

Hiilinielun toiminnassa on kaksi keskeistä osa-aluetta: ”source” eli hiilen lähde, hiilidioksidin päätyminen kasvin sisään, ja ”sink” eli varsinainen nielu, hiilen varasto.

Kasvin vihreissä osissa tapahtuvassa fotosynteesissä hiilidioksidi ja vesi muuntuvat Auringon säteilyenergian avulla sokereiksi, muiden muassa sakkaroosiksi. Se kulkeutuu nilan muodostamassa kuljetussolukossa sekä puun juuristoon että kantasoluista muodostuvaan jälsiin.

Juurien kärjissä ja jälsissä sokerit hajoavat ja niistä rakentuu uutta solukkoa. Puu kasvaa – käytännössä ”puun ja kuoren” välissä, sillä sekä rungon puuaines että kuoriosat ovat kuollutta solukkoa, johon hiili varastoituu.

Huippuyksikön tekemässä tutkimuksessa hiilen sitoutumiseen liittyvä monivaiheinen prosessi on luontevaa jakaa osiin. Tutkimuksen ensimmäinen osa pureutuu siihen, miten hiilidioksidi päätyy kasvin vihreiden osien eli etupäässä lehtien sisään.

”Lehdissä olevat ilmaraot säätelevät kaasujen kulkua. Samalla kun hiilidioksidi imeytyy niiden kautta sisään, vesihöyryä haihtuu ulos.”

Kuivalla kaudella veden suhteen on oltava säästäväinen ja sen vapautumista on rajoitettava, jolloin myös vastakkaissuuntainen ”liikenne” eli hiilidioksidin imeytyminen lehtiin hidastuu.

Yrjö Helariutan oma, eli tutkimuksen toinen osio keskittyy siihen, mitä tapahtuu sen jälkeen, kun hiili on kasvin sisällä.

”Tutkimme, miten hiili kulkeutuu kasvin eri osiin ja kuinka se jakautuu niiden kesken.”

Tutkimuksen kolmas osio, jota vetää Mähönen, selvittelee hiilen ”loppusijoitusta” eli miten se varastoituu ja muuntuu kasvun mahdollistaviksi rakennusaineiksi.

Vaikka hiilinieluista puhuttaessa viitataan usein metsiin, huippuyksikön tutkimuskohteena eivät varsinaisesti ole metsät eivätkä kaikilta osin edes puut. Käytännön syistä mallikasvina käytetään lituruohoa (Arabidopsis thaliana).

Hitaasti kasvaviin puihin verrattuna vaatimattomalla lituruoholla on kiistaton etu.

”Lituruoho kehittyy siemenestä siemeneen kahdessa kuukaudessa. Meillä on pitkät, parin−kolmenkymmenen vuoden perinteet lituruohon tutkimuksessa, ja sitä voisikin sanoa kasvikunnan banaanikärpäseksi”.

Nopeasti uusia sukupolvia tuottavan lituruohon avulla on mahdollista tutkia tehokkaasti perinnöllisiä ominaisuuksia. Geenien toiminnan ja geenivirheiden jäljille päästään kasvin ilmiasun perusteella – siis sen, miltä kasvi näyttää.

”Käytännössä sovellamme ’mendelististä genetiikkaa’. Etsimme geenivirheitä, jotka vaikuttavat esimerkiksi kasvin kasvuun tai ilmarakojen toimintaan. Niiden avulla on mahdollista selvittää, mihin toimintoihin eri geenit vaikuttavat.”

Esimerkki nykyisestä tarkkuudesta on jälsin kantasolujen kehityksen seuraaminen niiden muuntuessa nilan tumattomiksi, kuljetukseen erikoistuneiksi soluiksi. Koko prosessi kestää noin sata tuntia, mutta viimeisissä vaiheissa muutoksia tapahtuu jo parissa tunnissa.

”Muutoksia ja niihin vaikuttavia geenejä voidaan tarkastella mikroskoopin avulla sekä ajallisesti että paikallisesti hyvin yksityiskohtaisesti, yksittäisten solujen tasolla.”

Huippuyksikön tekemällä tutkimuksella on siis vankat juuret. Lituruohon lisäksi on tutkittu myös eri puulajeja, mutta se on Helariutan mukaan ollut aiemmin enemmän harrastusta kuin täysipainoista tutkimustyötä.

Akatemian pitkäaikaisen rahoituksen turvin lituruohon rinnalle on voitu ottaa tosimielessä toinenkin kasvilaji, kotimainen koivu. Siihen liittyvä tutkimuksen neljäs osa yhdistää kolmen muun osa tuottaman tiedon ja soveltaa sitä koivun toimintaan hiilinieluna.

Trooppiset sademetsät ovat hiilinieluina paljon tehokkaampia kuin viileämpien pohjoisten seutujen metsät, mutta niiden suhteen on monenlaisia ongelmia, vakavimpana laajamittaiset hakkuut.

”Boreaaliset metsät ovat siinä suhteessa stabiilimpia ja siksi pyrimme selvittämään, voitaisiinko niiden toimintaa hiilinieluina tehostaa.”

Koivu ei havumetsävyöhykkeellämme tunnu kaikkein keskeisimmältä puulajilta, mutta sillä on omat kiistattomat plussansa tutkimustoiminnan kannalta.

”Ensinnäkin koivu on mielenkiintoinen puulaji, sillä se määrittelee tundran ja taigan rajan. Toiseksi olemme selvittäneet koivun genomin jo kymmenisen vuotta sitten. Oleellisin tekijä on kuitenkin koivun suhteellisen nopea kehitys sukupolvesta toiseen.”

Useimmilla meikäläisillä puulajeilla sukupolvien väli on 12 vuotta, mutta koivua on mahdollista ”vauhtikukittaa”. Kasvuolosuhteita muuttamalla, lämpötilaa ja hiilidioksidipitoisuutta nostamalla koivu saadaan kukkimaan normaalia tiheämmin.

Se on keskeisen tärkeää tutkittaessa ilmiasun heijastamia geneettisiä piirteitä ja luonnollisia mutaatioita. Tutkimus olisi hyvin hidasta – ja kallista – jos jokaista uutta sukupolvea pitäisi odotella vuosikausia.

Koivua on jalostettu Suomessa 1960-luvulta lähtien ja sinä aikana biomassassa on päästy noin 30 prosentin lisäykseen. Yhdistämällä vauhtikukitus geenikartoituksen tuottamaan tietoon jalostusta voidaan nopeuttaa huomattavan paljon.

Jalostuksen yhtenä ohjenuorana on ollut, että puun laatu ei saa muuttua: sen täytyy olla ominaisuuksiltaan edelleen erilaisiin käyttötarkoituksiin soveltuvaa. Huippuyksikön tutkimuksessa laadulliset kriteerit eivät ole keskiössä, mutta niitä ei silti sivuuteta.

”Selvitämme, millaisia geeniyhdistelmiä aiemmalla jalostuksella on saatu aikaan, ja pyrimme viemään suotuisia yhdistelmiä entistä pidemmälle. Jalostuksen vaikutuksia täytyy seurata myös pidemmällä aikavälillä, sillä mahdollisimman nopea kasvu ei saa tapahtua puun laadun kustannuksella.”

Vanhan sanonnan mukaan Suomi elää metsästä, ja jatkossakin metsätalous on merkittävässä asemassa. Äkkiseltään hiilinielujen tehostamisen ja puun talouskäytön voi nähdä olevan keskenään ristiriidassa. Niin ei kuitenkaan ole.

”Lisäys biomassan kasvussa ei tarkoita puuaineksen ominaisuuksien, esimerkiksi tiheyden, muuttumista huonompaan suuntaan.”

Yksi huippuyksikön tavoitteista on Yrjö Helariutan mukaan säilyttää alan jatkuvuus. Parinkymmenen vuoden aikana luotua tutkimustraditiota ei kannata päästää katkeamaan.

”Siksi olemme ottaneet mukaan yksikköön useita nuoria tutkijoita, joille voimme siirtää kertynyttä tietoa ja taitoa.”

Tutkimuksessa on mukana laitoksia ja ryhmiä myös huippuyksikön ulkopuolelta, niin Suomesta kuin ulkomailtakin. Monissa tapauksissa on mielekästä tehdä yhteistyötä sellaisen tahon kanssa, jolla on jo valmiiksi tietämystä ja osaamista tietyllä osa-alueella sen sijaan, että lähdettäisiin rakentamaan jotain aivan uutta nollasta.

”Emme kuitenkaan ole varsinaisesti ’interdisciplinary’ vaan pikemminkin ’multidisciplinary’ yksikkö.”

Metsäpuiden biologian huippuyksikössä ei siis niinkään yhdistetä tutkimusaloja ja -menetelmiä, vaan niiden tuottamia tuloksia.

Ja tavoitteena on niiden avulla saada puut kasvamaan nopeammin eli toimimaan tehokkaampina hiilinieluina, mikä auttaa ilmastonmuutoksen hillitsemisessä.

Helariutta kiittelee huippuyksikköohjelmaa. Tieteellisen tutkimuksen tekeminen on ylipäätään haasteellista, mutta sitä vaikeuttaa etenkin rahoitus tai pikemminkin sen puute.

Huippuyksikköstatus takaa tutkimusrahoituksen useiksi vuosiksi, Helariutan johtaman yksikön tapauksessa vuoteen 2029 saakka.

”Kahdeksanvuotisen rahoituksen ansiosta voimme tehdä tasokasta tutkimusta ja tuottaa syvällistä tietoa. Pelkästään tieteellisistä tuloksista kertovan, huolella hiotun artikkelin laatimiseen menee vuosi tai pari – kun ensin on tehty vuosien ajan tutkimusta.”

•

Lue myös:

Tuomas Lappi ja Kari J. Eskola tutkivat, miten aineen rakenne käyttäytyy äärimmäisissä olosuhteissa

Tuuli tuo puhdasta vetyä Suomeen

Löytyykö viides voima?