Kui harilikult hakkaks näiteks pappel õitsema kümne aastaga, siis Crispr-geenikääre kasutades võib esimesi õisi näha juba kolme kuuga. Georgia Ülikooli professor ja metsa biotehnoloogia pioneer Chung-Jui Tsai sõnul võimaldab Crispr-tehnoloogia kasutamine teha taimearetuses alusteaduslikke uuringuid varasemast märksa kiiremini ja täpsemini.

“Seitse kuni kümme aastat puu õitsemist oodata on teadlasele pikk aeg. Kui mitut põlvkonda ma siis üldse näha jõuan? Alusteaduse mõttes on see väga aeglane. Meie aga saavutasime oma uuringus õitsemise kolme kuuga,” ütleb Tsai. Oma töörühmaga on ta maailmas üks bioinseneeria teerajajaid, kes kasutab geeniteaduslikke meetodeid, et puid eri valdkonde vajadustele sobivaks muuta.

“Soovitud omadustega puu on nüüd saavutatav ühe põlvkonnaga. Me ei pea läbima põlvkondade viisi aretamise katseeksitusi.”

Tartu Ülikool (TÜ) pälvis 2024. aastal Euroopa Liidu ERA Chair meetme raames 2,5 miljoni euro suuruse grandi TreeBioTEC. “Toetuse eesmärk on luua TÜ bioinseneeria instituudis uus metsabiotehnoloogia labor,” selgitab projekti koordinaator professor Hannes Kollist.

Seoses labori käimalükkamisega külastas oktoobri algul Tartut mitu oma ala tippteadlast, nende hulgas ka Tsai kes pidas külalisloenguid nii aretustöö kiirendamisest kui ka puude arhitektuuri muutmisest geenitehnoloogia meetodite abil. “Soovitud omadustega puu on nüüd saavutatav ühe põlvkonnaga. Me ei pea läbima põlvkondade viisi aretamise katseeksitusi,” sõnab Tsai.

Kiiremad ja lihtsamad alusuuringud

Chung-Jui Tsai sõnul pakub geenide muutmine Crispr-kääridega enneolematut täpsust. “Saame genoomis väga täpselt sisse suumida ja leida üles oma sihitava geeni. Seejärel saame kääridega aluspaari või kaks välja lõigata,” kirjeldab ta. Täpne lõige tagab ühesuguste omadustega taimed. Tsai sõnul on niisuguseid taimi hädasti vaja alusuuringutes, kus taimedes võrreldakse mingit huvipakkuvat tunnust, aga kõik ülejäänud tunnused peavad olema samad.

“Tahtsime süsteemi, millega saaks kiiresti paljunemisgeenide katseid teha. Muidu peaksime ootama aastaid, kui mitte aastakümneid, et puud õitsema hakkaksid,” meenutab Tsai. Selleks mõjutati geeni, mis paneb paika papli algkoe omadused ja nii saadi taime kasvuga seotud algkoest õite algkude. Nii hakkasidki muudetud geenidega katsepaplid õitsema juba kolme kuu möödudes. “See annab meile süsteemi, mis on justkui kondikava, millele ehitada üles juba üksikasjalikumad puude tunuseid muutvad katsed,” osutab professor.

“Saame genoomis väga täpselt sisse suumida ja leida üles oma sihitava geeni.”

Tsai töörühma teine tegevussuund on tema enda sõnul oluline aga nii alusteaduse kui ka tööstusmetsanduse ja linnahaljastuse seisukohast. Nimelt muudavad nad geenikääride abil taimede seemnete karvkatet ehk trihhoomi. “Seemne trihhoom on struktuur, mis kannab seemne tolmeldajateni. Seeme tõuseb karvade abil piltlikult öeldes lendu,” selgitab professor.

Seemnekarvade eemaldamine on oluline kahel põhjusel. Esiteks võimaldab see muuta taime steriilsemaks, sest takistab seemnete lenduminekut. “See on osa bioohutusest, et muudetud taimed ei hakkaks looduslikega segunema,” märgib Tsai. Teiseks tõkestab karvade eemdaldamine õietolmu levikut haljastuseesmärgil linnas istutatud puudelt ja vähendab õietolmuallergiaga inimeste vaevusi. “Meie süsteemi ilu seisneb selles, et saame oma uuringus täpselt kindlaks teha naissooga seotud geeni ja seejärel muuta paljunemisstruktuuri väga kindlal moel,” tõdeb professor.

Pikem, kitsam ja lõhnavam puu

Veel üks Chung-Jui Tsai ja kolleegide suurem tegevussuund on taimede arhitektuuri muutmine. Loodud on juba skeemid, kuidas muuta puuvõra pikkust ja laiust, okste tihedust ning lehe kaldenurka. Siingi kasutavad nad mudelliigina papleid – täpsemalt võttis töörühm oma uuringutes eeskuju looduslikult piklikust mustast paplist (Populus nigra). “Inimestele must pappel meeldib, sest see näeb aias peen välja. Samas puu võra sambakujuliseks tegevat mutatsiooni esinebki ainult sellel papliliigil,” kirjeldab Tsai.

Uuringus tegid nad koostööd viljapuu-uurijatega, kes on oma katsejaamas aretanud erineva kujuga puid juba aastakümneid. Musta papli eeskujul seati eesmärgiks piklikuks ja peenikeseks kujundada ka virisku- ja õunapuid. Selliseid taimi mahub istandusse tavalisest enam ehk tihedamalt. “Seejuures saab muuta okste kaldenurka nii, et viljad kasvaksid kõik ühel puu küljel. Siis saab koristusmasin istandusse sisse sõita ja saagi väga hõlpsalt ära korjata,” selgitab professor.

“Kui näiteks kasekasvatajad tahavad pikliku kuju kasutusele võtta, on meil teadmised olemas.”

Puupõldudele või kitsastele linnatänavatele mõeldes on võimalik geenikääridega pikemaks ja kitsamaks muuta muidki puuliike. Näiteks lõid Tsai ja kolleegid musta papli eeskujul sambakujulise haavapuu. Samas oleneb puuliigi valik keskkonnast ja Eesti oludes võiks professori hinnangul haavast etem valik olla kask. “Kui näiteks kasekasvatajad tahavad pikliku kuju kasutusele võtta, on meil teadmised olemas, millistes geenides variatsioone otsida tasub. On ka võimalik kasutada geenikääre ja luua oma kohaliku fenotüübi taustal vajalike tunnustega puuliinid,” sõnab ta.

Teise taimearhitektuuri muudatusena proovis Tsai töörühm järele, mis saab, kui muuta puulehtede trihhoomi ehk karvkatet. Kui näiteks tomati- või basiilikutaime katsuda, on tunda tugevat lõhna, sest inimene lõhub ära need samad lõhnaühendeid sisaldavad karvakesed. Tsai sõnul saab karvu geenikääridega aga muuta nii, et need hakkavad tootma biokütuses või kosmeetikas ja parfümeerias kasutatavaid lõhnavaid ühendeid. “Sel juhul poleks meil vaja nende kemikaalide saamiseks naftat ammutada, vaid kasutaksime rohkem biomassi,” osutab ta.

Looduses varieerub paplilehtede karvkate iseenesestki. “See inspireeris meid looma taimeseeriat alates väga karvastest kuni karvututeni koos kõigi vahepealsete variantidega,” kirjeldab Tsai. Nii said nad kindlaks teha, millisel juhul eritub huvipakkuvaid lõhnaühendeid kõige enam. Samuti näitas katse, kuidas bioinseneeria võtab eeskuju looduse enda varieeruvusest, ent teeb seda täpsemalt. “Omal moel õpetab see meile alusteadmisi. Teame nüüd paremini, milliseid looduslikus varieerumise eeskujusid üldse tasub läbi vaadata,” sõnab Tsai.