Pressiteated

Doktoritöö: kuumastress põhjustab muutusi lenduvühendite emissioonis ja pärsib fotosünteesi kiirust

Foto: Pexels

11. mail kaitseb Eesti Maaülikooli doktorant Chikodinaka Nkechinyere Okereke​ filosoofiadoktori väitekirja teemal "Keskkonnastresside mõju troopiliste kultuurtaimede lehtede fotosünteesile ja lenduvate orgaaniliste ühendite emissioonidele​. Effects of abiotic stress on foliage photosynthetic characteristics and volatile organic compound emissions in tropical agricultural species." 

Stressiseisundis emiteerivad taimed palju erinevaid biogeenseid lenduvaid ühendeid. Stressoriteks võivad olla kas biootilised faktorid nagu patogeenid, viirused ja putukate kahjustused või abiootilised faktorid nagu osoon, kõrged ja madalad temperatuurid, põud ja soolsus. Suurenenud lenduvate orgaaniliste ühendite emissioon on ka üks peamisi stressi indikaatoreid, mis näitab stressi tugevust ja kriitilise taluvusläve ületamist taimedes.

Stressiepisoodide jooksul on taimede poolt emiteeritud lenduvühenditel tähtis roll stressiga toimetulekus, suurendades taimede võimet taluda stressi ja vähendada seeläbi rakumembraani kahjustusi. Äärmuslikud temperatuurid on üks peamisi abiootilisi stressoreid, mis mõjutab negatiivselt taimede füsioloogilisi ja biokeemilisi omadusi, põhjustades taimede ebanormaalset arengut ning kasvu, saagikuse ja saagi kvaliteedi vähenemist. Seega kõrged temperatuurid ja kuumalained ohustavad tootlikkust ning üldist saagikust ka nendel taimedele, mis asuvad troopilises kuumas piirkonnas. Lisaks põhjustavad kõrged temperatuurid muutusi biosünteesis, oksüdatiivse stressi seisundis ja emiteeritavate lenduvühendite emissioonis.

Äärmuslike temperatuuride negatiivne mõju ei piirdu ainult globaalse (taime) saagikusega, vaid ka globaalse atmosfääri keemiaga, mis mõjutab omakorda negatiivselt inimeste igapäevaelu ja tegevust. Lisaks eeltoodule on olulised ka mehaanilised vigastused, mida tekitavad tuul, lehte läbistavad või närivad kahjurid, sademed ja muu langev tahke materjal. Mehaanilised vigastused tekitavad liigse veekao, kahjustusi rakustruktuurides ja lenduvühendite emissiooni kiire tõusu. Taime kokkupuude kõrgete temperatuuridega ja mehaaniliste vigastustega toob tõenäoliselt kaasa muutusi taime biosünteesis ning füsioloogilises aktiivsuses. Troopilised põllukultuurid moodustavad märkimisväärse osa maailma taimkattest, kuid neid kasutatakse ja uuritakse vähe. Veel vähem on teavet selle kohta, kuidas troopilised põllukultuurid reageerivad abiootilisele stressile ja tulevad sellega toime ning milline on seos nende taimede poolt emiteeritud lenduvühendite emissiooni ja atmosfääri keemia vahel. Seetõttu on vaja täiendavaid ja olulisi teadmisi stressi mõjust erinevatele troopilistele taimeliikidele muutes nende ökofüsioloogilist aktiivsust.

Doktoritöö eesmärk oli uurida erineva ulatusega kuumastressi mõju troopiliste põllukultuuride fotosünteesi näitajatele ja lenduvühendite emissioonile alates stressi rakendamisest kuni taastumiseni, et esitada liikide vastupidavust kuumastressile. Lisaks oli eesmärk uurida erinevate lenduvühendite gruppide muutusi läbi iseloomulike biosünteesiradade alates stressi rakendumisest kuni taastusperioodini ning hinnata kuumastressi ja mehaanilise vigastuse mõju konstitutiivsete ja stressist tingitud lenduvühendite emissioonile stressi algusest kuni taastumiseni. Töös uuriti ka, millised koosseisu muutused toimuvad lenduvühendite emissioonis pärast kuumastressi ja mehaanilist vigastust ning hinnati mehaanilisest vigastusest tingitud lenduvühendite erinevust, fotosünteesi näitajaid ning iseloomulike struktuuri ja keemilisi näitajaid troopilistes põllukultuurides.

Doktoritöös on demonstreeritud abiootilise stressi mõju fotosünteesi aktiivsusele ja lenduvühendite emissioonile troopilistes põllukultuurides. Taimedes nagu verev rebashein (Amaranthus cruentus), värd-rebashein (Amaranthus hybridus), etioopia baklažaan (Solanum aethiopicum), nigeeria ribikõrvits (Telfairia occidentalis) ja harilik vigna (Vigna unguiculata) põhjutas tugev kuumastress 49 °C juures liigispetsiifilisi muutusi fotosünteesis ja lenduvühendite emissioonis ning pärssis tugevalt fotosünteesi kiirust. Kuumastress põhjustas peamiste lenduvühendite gruppide emissiooni esile tulemist üksikutes liikides, kuid iga liigi vastupidavust kuumastressile ja füsioloogiline aktiivsus mõjutasid lenduvühendite emissiooni koostist. Suurema kuumastressikindlusega liikidel on paremad võimalused fotosünteesi taastumiseks ja madalam esmane stressireaktsioon. Küll aga mõjutas madalama kuumastressikindlusega liike kuumastress rohkem, mille tulemuseks oli suurem stressist põhjustatud lenduvühendite emissioon.

Kuigi lenduvühendite emissioonid olid üldiselt madalad, seostati suuremat konstitutiivset lenduvühendite emissiooni suurema kuumastressi kindlusega. Kergemast kuni tugeva iseloomuga kuumastress põhjusta harilikus papaias (Carica papaya) fotosünteesi näitajate langust. Kergema kuumastressi puhul oli näitajate taastumine täielik, mõõduka kuumastressi puhul aga osaline. Tugevama kuumastressi puhul fotosünteesi taastumist ei toimunud. Mõõdukas stress suurendas stressist tingitud lenduvühendite emissiooni, eriti hapniku sisaldavat terpeenide, viidates suurenenud oksüdatiivsele seisundile. Tugev kuumastress põhjustas lenduvühendite emissiooni langust, mis omakorda viitab lehe füsioloogilise aktiivsuse vähenemisele.

Erinevad kuumastressi töötlused põhjustasid hariliku papaia lenduvühendite koostises olulisi muutusi. Taimedes nagu verev rebashein (Amaranthus cruentus), värd-rebashein (Amaranthus hybridus), etioopia baklažaan (Solanum aethiopicum), nigeeria ribikõrvits (Telfairia occidentalis) ja söödav muskushibisk (Abelmoschus esculentus) põhjustas mehaaniline stress kui lehe haavamine (12 mm lõige) kiirelt selliste stressi näitavate lenduvühendite emissiooni nagu metanool (40% koguemissioonist), heksanaal (24%) ja atseetaldehüüd (11%). Tulemustes oli näh liikide vahelisi erinevusi nii emissiooni tasemes kui ka emissiooni tugevuses. Katses tuli välja ka pöördvõrdeline seos emissiooni tugevuse ja lenduvühendite gruppide vahel, mis oli aga tingitud nii LOC kui ka LOX gruppide negatiivsest seosest terpenoidide ja bensenoididega. Fotosünteesi kiirus ja õhulõhede juhtivus taastusid täielikult pärast vigastuse teket, kuigi lehe anatoomilised ja keemilised karakteristikud varieerusid liikide lõikes. Hapnikku sisaldavad lenduvühendid olid emissioonis rohkem esindatud, seega troopilised põllukultuurid võivad mõjutada atmosfääri keemiat oma emissioonidega.

Doktoritöö juhendaja on professor Ülo Niinemets ja oponent dr Silvano Fares (National Research Council of Italy, Institute of BioEconomy). Dissertatsiooniga saab tutvuda Eesti Maaülikooli digitaalarhiivis EMU DSpace. Kaitsmine toimub 11. mail kell 14.15 videosilla vahendusel ja on nähtav SIIN