Kääride ja tangidega DNA kallal 2

Putukas, bakter ja kibe taim

Ants Kurg

Eelmises osas vaatlesime, kuidas biotehnoloogilised meetodid aitavad toidu kvaliteeti parandada, seekord heidame pilgu aga teistele kasutusaladele. Juttu tuleb biotõrjest, selle eri rakendustest ja taimede resistentsusest mitmete kahjurite vastu.

Vaid keemiaga kahjurite vastu ei saa

Kõige arvukama organismide rühma meie planeedil moodustavad putukad. Inimesed peavad nendega pidevalt konkureerima nii igapäevase leiva kui ka leivakõrvase pärast. Aastasadu on inimesed püüdnud kõikvõimalike vahenditega kaitsta oma põllu- ja aiasaaki. Tõsiselt asuti sellega tegelema alles 1940. aastatel: siis hakati välja töötama ja tootma mitmesuguseid keemilisi putukatõrjevahendeid. Üks kurikuulsamaid neist oli DDT (diklorodifenüültriklorometaan). Võib-olla mäletavad mõned lugejad, et seda ühendit kasutati omal ajal ka endises Nõukogude Liidus – ikka põhimõttel: näputäis kapsataime kohta. Esialgu toimis uus vahend imehästi, kuid mida aasta edasi, seda suuremat näputäit oli vaja, et kahjureid taimedest eemal hoida. Putukatel kujuneva resistentsuse tõttu kaotas tõrjevahend teatud aja möödudes oma spetsiifilisuse (mõnikord kahjurputukate suhteline arvukus isegi suurenes, sest tõrjevahendi ohvriks langesid enamasti teised, vähem resistentsed putukad). Ühtlasi avastati, et DDT on keskkonnas väga püsiv. Teda on looduses leitud ka 15–20 aasta möödudes. Kunagi kasutatud näpu- ja peotäied on toitumisahela kaudu akumuleerunud nii loomadesse kui ka inimestesse.

Biotõrje

Lisaks keemiliste tõrjevahendite kasutamisele on paari-kolme viimase aastakümne vältel agaralt otsitud alternatiivseid teid kahjurputukate arvukuse piiramiseks. Üks võimalus on mikro- organismide või taimede endi toodetud looduslikud tõrjevahendid e. insektitsiidid. Et tegemist on bioloogilisel teel saadud või toodetud ainetega, siis nimetatakse nende rakendamist kahjurite vastu biotõrjeks. Tartu keemikute poolt orgaanilisel peensünteesil saadud ja veel mõned aastad tagasi meie kauplustes müügil olnud feromoonpreparaadid võiks samuti paigutada biotõrjevahendite hulka.

Kõigepealt nende positiivsed küljed:

• bioloogilised tõrjevahendid toimivad väga spetsiifiliselt, mõjudes vaid kindlale kahjurile;
• nad on (bio)degradeeritavad ja seetõttu ei kogune keskkonnas; tavaliselt ei kujune putukatel nende vastu resistentsust.

Miks ei kasutata siis ainult sääraseid vahendeid? Sest biotõrjevahenditel on ka mitu puudust:

• võrreldes keemiliste insektitsiididega on nad suhteliselt nõrgad;
• neid on keerulisem toota kui keemilisi vahendeid, seetõttu on nad kallimad;
• biotõrjevahendite kasutusvõimalused on piiratud nende toimemehhanismi tõttu.

Bakter putuka vastu

Tänapäeval kõige rohkem uuritud ja kasutatud mikroobne insektitsiid on pinnases elava bakteri Bacillus thuringensis toksiin. Selle bakteri insektitsiidne aktiivsus põhineb tema elutsükli ühe etapi, sporulatsiooni käigus sünteesitaval erilisel moodustisel – parasporaalkristallil, mis koosneb peamiselt valgust ja väikesest osast süsivesikutest. Ei ole leitud selle valgu mingit spetsiifilist rolli bakteri enese jaoks. Samuti pole parasporaalkristall tegelikult toksiini aktiivne vorm, vaid pigem protoksiin. Selleks, et protoksiinist saaks aktiivne toksiin, peab putukas parasporaalkristalli ära sööma, mille tagajärjel aluseline pH ja putukaspetsiifiline seedeproteaas aktiveerivad putuka seedetraktis protoksiini. Aktiivne toksiin tekitab putuka seedeepiteeli rakkude membraani ioonkanali e."augu", mille tagajärjel voolavad välja rakusisesed ioonid, raku metabolism peatub – rakk sureb. Et protoksiini aktivatsiooniks on vaja mingile putukale omast seedeproteaasi, on ebatõenäoline, et selle toksiini läbi kannataksid inimesed ja loomad, kellel see seedeensüüm puudub. Seepärast peetakse B. thuringensis'e toksiine inimestele ja loomadele ohutuks. Kui putukas satub parasporaalkristalliga välisesse kontakti, siis see ei mõjuta putukat.

B. thuringensis'el on palju alamliike, kellest igaüks moodustab eri toksiini, mis tapab kindlat putukarühma. Näiteks B. t. ssp. kurstaki tapab liblikaröövikuid, B. t. ssp. israelensis kahetiivalisi ja B. t. ssp. tenebrionis mardikaid.

B. thuringensis'e toksiini pritsitakse taimedele tavaliselt bakteri spooripreparaadina. Näiteks Kanadas on B. t. ssp. kurstaki preparaati kasutatud väga suurtel aladel metsakahjurite vastu. Paraku ei mõju selline tõrjevahend neile kahjurputukatele, kes uuristavad end taime sisse või ründavad taimede maa-aluseid osi. Samuti on probleemiks spooripreparaatide vähene püsivus keskkonnas. Eriti tundlikud on parasporaalkristallid päikesevalguse suhtes. Sõltuvalt valgustingimustest püsivad nad keskkonnas ühest päevast kuni ühe kuuni. Teiselt poolt on vähene püsivus keskkonnas selle tõrjevahendi eelis: nii väheneb võimalus resistentsuse tekkeks putukatel. Bakteritoksiinide kasutamist kitsendab ka preparaadi hind, mis on 1,5 kuni 3 korda kõrgem kui nn. tavalistel keemilistel insektitsiididel.

Nagu eespool mainitud, on neid toksiine uuritud juba aastakümneid (B. t. ssp. kurstaki avastati tegelikult 1902. aastal, kuid tema n.-ö. biotehnoloogiline potentsiaal selgus alles 1950. aastate alguses). Uuringud on viinud selleni, et B. thuringensis'e toksiini geenid on kujunenud taimebiotehnoloogide ja molekulaarbioloogide esmaseks töövahendiks putukaresistentsete taimede loomisel.

Putukaresistentsed taimed

Praktikas on kasutatud põhiliselt kahte meetodit, et muuta taimed kahjuritele ebameeldivaks. Esimene võimalus on sisestada taime juba eespool kirjeldatud B. thuringensis'e toksiini geenid, et saada transgeensed organismid, mis toodaks ise toksiini. See esmapilgul lihtne ülesanne on osutunud teadlastele parajaks pähkliks. Meenutame, et B. thuringensis'e toksiini geenid pärinevad eeltuumselt e. prokarüootselt organismilt, kuid taimede puhul on tegemist päristuumsete e. eukarüootsete organismidega. Kui sisestada prokarüootne geen eukarüootsesse organismi, siis tavaliselt lõpeb katse prügikastis. Kõigepealt tuleb leida toksiini geenile sobivad regulaatorjärjestused, mille abil saaks kontrollida ja mõjutada selle geeni tööd taimes. Sageli kasutatakse selleks mitmesugustelt taimeviirustelt pärit regulaatorelemente, mis on vastavalt vajadusele võimelised käivitama toksiini sünteesi kas kogu taimes või siis ainult mingis taimeosas. On välja selgitatud, et insektitsiidse aktiivsuse seisukohalt ei ole oluline mitte kogu toksiini geen, vaid ainult osa sellest. See lihtsustab ülesannet tunduvalt. Probleemi raskus seisneb selles, et taime ja bakteri valgusüntees erinevad teineteisest oluliselt. Kui esialgsetes eksperimentides püüti taime viia vastavate regulaatorelementidega varustatud bakterigeen, siis praegu kasutatakse teist lähenemist. Bakterigeeni alusel taimes sünteesitud toksiinikogus oli liialt väike ning ei peletanud putukaid küllalt tõhusalt eemale. Nüüd on appi võetud arvutianalüüs ja modelleeritud taime valgusünteesi iseärasusi arvestades bakterigeeniga sarnane, kuid taimele sobiv "kunstlik" toksiini geen ning sünteesitud see keemiliselt nn. geeni süntesaatoril. See on aparaat, mis võimaldab laboritingimustes valmistada meile teadaoleva geneetilise info põhjal vajaliku pikkusega DNA-sid. Niimoodi saadud "kunstliku" toksiini geeni sisestamisel õnnestus saada transgeensed taimed, mille maitsmise tagajärjed osutusid putukaröövikutele kurvaks.

Transgeenseid taimi on püütud veelgi täiustada, et toksiini süntees toimuks ainult siis, kui kahjurputukate areng on jõudnud röövikustaadiumi. Toksiini ei tohiks taimes leiduda kogu kasvuperioodil, sest kahjuritel võib kujuneda resistentsus. Liites toksiini geenile niisuguse regulaatorjärjestuse, mis võimaldab toksiini sünteesi vastavalt vajadusele "sisse lülitada", saab indutseerida toksiini sünteesi taimedes just siis, kui putukaröövikud on kõige näljasemad.

Teise meetodi võiks kokku võtta lausega: "Head isu, et ma sulle kõhtu kinni jääks!" Äraseletatult tähendab see taimede endi looduslike kaitsemehhanismide kasutamist. Nimelt toodavad paljud taimed proteaasi inhibiitoreid. Need on ensüümid, mis takistavad toiduvalkude lagundamist putuka seedetraktis, aeglustades nii putuka ainevahetust. Selle tulemusel putukas sööb vähem. Iga põllul käed mullaseks teinud inimene on ilmselt näinud kapsaliblika röövikute järatud kapsapäid. Kuid meenutage, kas olete näinud röövikute poolt täiesti ärasöödud kapsapead?

Lisaks proteaasi inhibiitoritele on taimedel veel teisigi kaitsevalke, näiteks amülaasi inhibiitorid, mis suures hulgas sisse sööduna pidurdavad putuka kasvu ja arengut. Teadlastel on õnnestunud eraldada mitmeid proteaasi inhibiitorite geene. Lisades neile vastavad regulaatorjärjestused ja sisestades selle geenikonstruktsiooni taimedesse, on saadud transgeenseid taimi, milles sünteesitud proteaasi inhibiitorite hulk on küllaldane, kaitsmaks taimi röövikute eest. Selle lahenduse puhul eksisteerib siiski ka üks tõsine probleem. Kuigi taimes sünteesitud proteaasi inhibiitoreid on väga vähe ja nad on seetõttu mittetoksilised nii loomadele kui ka inimesele, on potentsiaalne oht siiski olemas. Üks võimalik lahendus oleks proteaasi inhibiitori süntees vaid nendes taimekudedes, mida ei kasutata toiduks ega söödaks, näiteks banaanil lehtedes. Ehkki B. thuringensis'e spooripreparaate on kasutatud juba pikka aega, kasvab nõudmine selle ja ka teiste keskkonnaohutute vahendite järele iga aastaga. Transgeensed taimed toodavad ise insektitsiide oma potentsiaalsete vaenlaste vastu. Kuid selliste taimede loomine on alles intensiivsete laboriuuringute ja väikesemahuliste põllukatsete staadiumis. Katsetatud on tomati, tubaka, kartuli ja puuvillaga. Seega, kui taime ja rööviku vahelistes suhetes on senini olnud jäme ots rööviku käes, siis tulevik tõotab tulla taimede jaoks helgem. Ja seda ilma igasuguse keemiata.

Viirusresistentsed taimed

Järgnevalt siirdume suurte karvaste ja vahel üsna sümpaatsete röövikute juurest hoopis pisemasse maailma. Juttu tuleb taimeviirustest ja sellest, kuidas nende vastu võidelda. Kohe alguses märgime, et efektiivseid keemilisi tõrjevahendeid taimeviiruste vastu pole olemas. Teiselt poolt on taimedel endil mitmeid kaitsemehhanisme eri patogeenide, näiteks viiruste, mükoplasmade, bakterite, seente, nematoodide ja muude parasiitide rünnakute vastu. Vaatamata selliste potentsiaalsete fütopatogeenide suurele hulgale on taimede puhul resistentsus pigem reegliks ja nakatuvus erandiks. Viimase aja uurimused kinnitavad, et taimedel on spetsiifilised resistentsusgeenid, mis suudavad "ära tunda" haigusetekitajaid ja käivitada kaitsemehhanisme. Juba selle sajandi algusest peale oli teadlastel teada, et resistentsus pärandub sageli järglastaimedele vastavalt Mendeli seadustele. Ent kuni 1992. aastani ei olnud eraldatud ja molekulaarsel tasemel iseloomustatud ühtki taimede resistentsusgeeni. Taimsete resistentsusgeenide uuringud ja nende ülekanne on tulevikus ilmselt väga perspektiivne.

Kuigi taimede ja patogeenide vahelised suhted on äärmiselt põnevad, piirdume käesolevas loos vaid viirusresistentsusega, sest selles valdkonnas on molekulaarbioloogiliste meetoditega saadud huvitavaid tulemusi. Põhiline meetod viirusresistentsete taimede saamisel on nn. "vaktsineerimine" viiruse valkude geenidega. Tegelikult tuleb sõna "vaktsineerimine" kasutada siin üsna tinglikult, sest n.-ö. tõelise vaktsineerimisega, nagu see toimub inimese ja loomade puhul, sarnaneb ainult lõpptulemus – resistentsuse kujunemine. Meetodi idee on järgmine (vt. joonist): saadakse transgeenne taim, kuhu on sisestatud näiteks viiruse kattevalgu geen, mis on sageli viiruse põhiline valk. Kui taim toodab nüüd seda viirusvalku, siis ta küll nakatub, kuid ei haigestu, sest tegemist polnud tervikliku viirusega. Kui taim nakatub seejärel terve viirusega, siis ei ole see enam võimeline haigust põhjustama. Täpne mehhanism, kuidas viiruse kattevalgu geenid taime viiduna pidurdavad seal viiruse paljunemist, pole veel kahjuks teada. Seda meetodit on rakendatud eri viiruste puhul, tuntumad on näiteks tubaka mosaiikviirus, kõrvitsa mosaiikviirus, kartuliviirus X ja kartuliviirus Y. Mõningatel juhtudel on ühe viiruse kattevalgu geen andnud tolerantsuse ka laiema viirusspektri suhtes kui "vaktsineerimiseks" kasutatu.

Lisaks nn. kattevalgu geeni meetodile on taimede "vaktsineerimisel" kasutatud ka teisi viirusvalke ja antisens-RNA-ga seotud mehhanisme, millest oli pikemalt juttu artikli esimeses osas. Sel juhul viiakse taime geen, millelt taimsed sünteesimehhanismid valmistavad antisens-RNA-d näiteks viiruse kattevalgu mRNA vastu, mis blokeerib viiruse paljunemise taimes.

Seega on looduses mitmesuguseid huvitavaid võimalusi, mida inimene saab oskuslikult rakendades edukalt kasutada taimekahjurite tõrjes. Kogu arenenud maailm suundub järjest enam ekstensiivselt põllumajanduselt ökoloogilisematele maaharimisviisidele. Ent tänapäevane suurtootmine pole mõeldav täiesti ilma kahjuritõrjeta ja seetõttu oleks eri biotõrje meetodite üha laialdasem kasutamine mõistlik alternatiiv keemilistele vahenditele. Inimeste ja loomade puhul on vaktsineerimist mitmesuguste haiguste vastu tuntud ja kasutatud juba paarsada aastat. Võib-olla tulevikus jõuab kätte aeg, kui samasuguseid meetodeid hakatakse kasutama ka taimedel.