Eesti teadlaste tulised arutelud Science’is

Taimede produktiivsuse ja mitmekesisuse vahelisest seosest krohmseente liikide määramisel

MARJU HIMMA

Viimase poole aasta jooksul on teadusajakirja Science diskussiooniosas juba kahel korral saadud lugeda arutelusid, kus oma töö üle argumenteerivad söakalt ka Eesti teadlased.

Möödunud aasta juulis ilmus Science’is vabatahtlike teadlaste võrgustiku HerbDivNet artikkel (Fraser jt 2015),¹ kus väidetakse, et elurikkuse maksimumi on rohumaadel võimalik saavutada ainult mõõduka produktiivsuse tingimustes. Ühelt poolt selgitati ökoloogia põhitõdesid, teisalt aga anti ainest tuliseks aruteluks.

Artikli autorite loetelus seisavad ka Tartu ülikooli taimeökoloogide Martin Zobeli ja Mari Moora nimed. „Me räägime, kuidas mitmekesisus on oluline, samal ajal kui tegelikud uurimisandmed on hästi fragmentaarsed – palju on modelleeritut või isegi fantaasial põhinevat. See Science’i töö oligi algselt mõeldud selleks, et koguda korrektne üleilmne andmestik näitamaks, milline see seos siis on,“ selgitab Zobel.

Ajend tööks tuli ühest varasemast, nimelt 2012. aastal Science’is avaldatud artiklist (Adler jt 2011),² milles leitakse, et taimede produktiivsuse ja mitmekesisuse vahel ei ole seost. Kuna uurijate kogemusliku info järgi pidanuks seos siiski olema, otsustasidki HerbDivNeti teadlased andmeid üle ilma koguda. Ja selgus, et seos produktiivsuse ja mitmekesisuse vahel ongi olemas.

„Seos tähendab, et seal, kus ökosüsteemid on loomulikult kõige mitmekesisemad, on nende produktiivsus veidi alla keskmise. Seal, kus nad on loomulikult veidi liigivaesemad, on nad produktiivsemad,“ ütleb Zobel. Sellest võib järeldada, et kui olla väga mitmekülgne, ei pruugi produktiivsus nii hea olla. „Kui anda mitmekesisuses veidi järele, lubada ka mõnda dominanti, on produktiivsus suurem.“

Nagu öeldud, andis välja pakutud seos ainest tuliseks aruteluks. Teadlaste mõttevahetuseks avatud Science’i kommentaaride rubriigis järgnesid mainitud artiklile arvamusavaldused, sealhulgas ka kolleegidelt Eesti maaülikoolist.

„Algselt Science’s ilmunud artiklis kirjeldatakse ainult mustreid,“ ütleb Mari Moora. „Artiklis rõhutasime ka, et mehhanismi, mis seose taga on, me ei tea ja seda tuleb edasi uurida.“

Arutelus, mis Science’is järgnes, püütigi leitud seost kriitiliselt analüüsida. Maaülikooli vanemteadur Lauri Laanisto koos Sussexi ülikooli emeriitprofessori Michael J. Hutchingsiga avaldas analüüsi (Laanisto ja Hutchings 2015)³, kus nad väidavad, et mitmekesisuse ja produktiivsuse vaheline seos sõltub küllaldasel määral suureskaalalistest protsessidest, nagu liigiteke ja liikide regionaalne levimine, mis kujundavad liigifondi. Autorid kirjeldavad, et kui liigifond statistilisse mudelisse lülitada, siis seos produktiivsuse ja liigirikkuse vahel kaob.

Küsimusele, miks on seos liigirikkuse ja produktiivsuse vahel just selline, võib esimese vastuse anda lähtuvalt taimede interaktsioonidest ehk sellest, kuidas taimed omavahel suhtlevad. Teine võimalik seletuste kimp on ajalooline ning tuleneb taimede levikust.

„Lauri Laanisto rõhutas just viimast aspekti, et taimede mitmekesiste mustrite kujunemisel on ajaloolised tegurid. Seda oleme meiegi kogu aeg väitnud, me oleme sellega väga nõus – see on väga õige aspekt,“ möönab Zobel ja lisab: „Kuid meetod, kuidas Laanisto seost näitas, ei olnud puhtmatemaatilises plaanis parim lahendus. Me tegime oma vastuses selle matemaatiliselt uuesti üle, pakkudes enda arvates välja parema lahenduse.“

Seega, Science’i arutelus esitatud vastuses (Frazer jt 2015)⁴ ei väitnud Zobel ja Moora koos kolleegidega, et Laanisto ja Hutchingsi väidetu oleks vale, vaid et seda saab tõestada paremini.

Kriitika ja kriitika kriitika

Tõsi, Laanisto ja Hutchingsi argumentatsioon ei olnud ainus reaktsioon HerbDivNeti autorite artiklile. Näiteks osutati asjaolule, et üleilmse uuringu staatuseks pidanuks andmestik olema esinduslikum. „Sellega on alati nii, et arengumaadest ei saa andmeid kätte. Troopika oli suhteliselt vähe esindatud, ainult Brasiiliast ja Aafrikast oli natuke. Aga muidugi oli see parem, kui kõik senised andmestikud,“ märgib Zobel.

Üleilmsete uuringutena esitletud andmestikke lähemalt vaadeldes tuleb tihtilugu ette, et tegelikult on andmed ikka kogutud Euroopast, Põhja-Ameerikast, Jaapanist ja veel mõnest üksikust kohast, näiteks Panamast, kus asuvad USA uurimisbaasid.

Seega on materjali kogutud arenenud riikidest ja esindamata on näiteks troopika, kust materjali koguda on väga keeruline. Esiteks takistab troopika uurimist infrastruktuuri ja turvalisuse puudumine. Teiseks nõuab see väga spetsiifilisi teadmisi kohalikust mitmekesisusest. Uurijad on tihtipeale silmitsi olukorraga, kus osa liike on väga raskesti määratavad, teine osa aga teadusele lausa tundmatu. Kolmanda asjaoluna toob Mari Moora välja, et arutelu algatanud artikli aluseks olnud uuringu tegid vabatahtlikud teadlased. „Uurimiseks ei olnud kellelgi uurimisgranti. Niisuguse globaalse uuringu tegemiseks ei olegi maailmas ühtki granti. Sellist uurimist sai ja saab ka tulevikus teha ainult kohtades, kus juba on uurimisgrupid,“ nendib Moora. Kuna troopika ei ole uurimisrühmadega kaetud – seal pole vahendeid ega teadust – jääb selliste uuringute teostamine ikka rikka lääne pärusmaaks.

Kui palju võib aga täielik üleilmne andmestik muuta praegust väidet, et rohumaade mõõdukas produktiivsus käib käsikäes taimekoosluse suure mitmekesisusega? „Ma ei usu, et kuigi palju muudab. See on küllalt esinduslik andmestik ja troopikas olid põhirohumaatüübid hõredalt kaetud,“ sedastab Zobel.

Silmale nähtamatud seened

19. veebruari Science’i diskussiooninurgas pakuvad aruteluainest hoopis seened, mida palja silmaga ei näe, kuid mida Mari Moora koos kolleegidega uurib. Sellesse arutellu süüvimiseks tuleb enne teha kõrvalepõige Mari Moora uurimisaluste krohmseente juurde.

Krohmseened on mikroskoopilised seened, mis paiknevad 80 protsendi maismaataimede juurtes. Neid leidub nii looduslikult kasvavatel kui ka kultuurtaimedel. Viimaste hulgas on erandiks ainult raps ja veel mõned ristõielised, millel ei ole krohmseentega sümbioosi.

See mikroskoopiline juurseen kasutab taimelt saadavaid suhkruid, mida taim toodab fotosünteesil. Vastutasuks „laiendavad“ krohmseened taime juurestikku, aitavad mullast hankida toitaineid ja vett. Teataval määral pakuvad nad kaitset haigustekitajate vastu ning suurendavad taime stressitaluvust. Kõlab nagu taime head abilised?

Nii ongi. Mari Moora märgib, et krohmseened tõepoolest aitavad taimel kasvada ning toetavad tema elutegevust. Niisiis toimivad krohmseened omal moel taimekaitsjate ja abilistena ning piltlikult võib neid nimetada bioloogiliseks väetiseks, kuna nad aitavad taimel toitaineid mullast paremini omastada.

Selle teadmise juures tasub korraks mõelda, kuidas toimitakse taimekasvatuses. Seemneid töödeldakse juba enne külvamist fungitsiidide ehk seenetõrjevahenditega. Paraku ei ole fungitsiide, mis tapaksid ainult haigustekitajana tuntud seened ja jätaksid kasulikud alles.

„Seega juba praegu lähevad taimed mulda vähenenud võimega moodustada sümbioosi seentega. Kui pidevalt, igal aastal külvatakse fungitsiididega töödeldud seemneid, lisaks töödeldakse kasvuperioodil veel mitmesuguste kemikaalidega – nii taimekaitsevahendite kui ka väetistega –, siis me surume alla seenekoosluste kasuliku poole, selle võimaliku bioloogilise väetise,“ kirjeldab Moora.

Viimasel kümnendil on hakatud üha rohkem otsima võimalusi, kuidas kasutada krohmseeni bioloogilise väetisena, selleks et vähendada keskkonda paisatavate kemikaalide hulka. Praegu on see aga tulevik, sest neid seeni ei suudeta veel kultuurina kasvatada. Päris täpselt ei teata sedagi, millised taimed millist liiki krohmseentega sümbioosi moodustavad.

Krohmseente maailm

Tartu ülikooli teadlasi viis nende uuringute juurde eelkõige huvi, kuidas mõjutavad mükoriissed seened taimede kasvu. Aastakümnete jooksul eri riikides tehtud katsed on näidanud, et nendel seentel on taime kasvu soodustav mõju. Kui püüda kasvatada taimi steriilsetes tingimustes, siis krohmseente peremeestaimed küll kasvavad, kuid väga kiduralt.

„Üldiselt oleme ikka alles lapsekingades arusaamisega, kuidas on krohmseente ja nende peremeestaimede liigiline mitmekesisus omavahel seotud,“ märgib Moora. Arvatakse, et mida rohkem on ühes koosluses peremeestaimi, seda rohkem on ka erinevaid krohmseeni.

On teada, et ühe taime juurtel võib elada ligikaudu 5–20 liiki krohmseeni. Päris täpselt ei ole veel võimalik öelda, mida eri liiki seened teevad – kas nad teevad üht ja sama või on ülesanded taime juures kuidagi jagatud.

Eestis võrdlesid teadlased ökosüsteeme viit tüüpi kooslusel (Moora jt 2014).⁵ Taimi koguti 1) intensiivselt majandatavatelt põldudelt, 2) jätkusuutlikult majandatud põldudelt ehk mahepõldudelt, 3) stabiilselt hooldatavatelt rohumaadelt, praegusel juhul Tartu linna muruplatsidelt, 4) kuuseistandusest, mis on rajatud kunagisele põllumaale, 5) Järvselja ürgmetsast ehk ökosüsteemist, mida inimkäsi ei ole põlluharimisega mõjutanud.

Mustri järgi, mida teadlased selle põhjal suutsid kirjeldada, leidis kinnitust tõsiasi, et harimise tõttu muutuvad põllumajandusmaastikud seente poolest vaesemaks. „Üks asi on küll selge: kogu see väga intensiivne ja kemikaale kasutav põllundus mõjutab kindlasti krohmseente olemasolu ja kasulikkust taimele,“ nendib Moora. Sedasama on kinnitanud nii siinsed kui ka üleilmsed uuringud.

350 või 50 000 liiki?

Kuigi krohmseente olemasolust on teatud juba viimased sada aastat ning neid on teaduslikult uuritud ligi poolsada aastat, pakuvad jätkuvalt aruteluainest küsimused nende levikust ja liigilisest mitmekesisusest.

Mari Moora ja tema kolleegid on viimastel aastatel jälginud, milline on krohmseente mitmekesisus lokaalselt ja globaalselt ning kuidas reageeritakse keskkonnamõjudele.

Eesti teadlased hakkasid krohmseeni molekulaarsete meetoditega uurima viieteist aasta eest ning tegid seda alguses väga lokaalselt – võtsid ette Koeru salukuusikust tillukese sajaruutmeetrise ala ja leidsid eest ootamatult suure mitmekesisuse. Kui maailmas oli selleks ajaks kirjeldatud umbes 200 krohmseente liiki, siis Koeru salukuusiku lapilt määrasid teadlased juba 53 liiki. See andis aluse püstitada hüpotees, et ehk ei ole maailma tasandil krohmseeni piisavalt uuritud ning arvatava 200 liigi asemel on äkki hoopis 50 000 liiki.

„Selle hetke hüpoteesi kohaselt arvasime, et see on tõenäoline,“ meenutab Moora. Hüpotees innustas tegema laiaulatuslikku uuringut kirjeldamaks üleilmset krohmseente liigirikkust (Davison jt 2015).⁶

Kui ühtsete meetoditega üle maailma kogutud proovidel põhinev andmestik oli kokku kogutud, sai selgeks, et hüpotees ei pea paika. „Martinil oli artikli põhi juba valmis kirjutatud ja mäletan, et ta oli alguses väga pettunud. Eks me kõik olime, sest nägime, et meie eeldused ei pea paika – krohmseened on peaaegu igal pool sarnased,“ tunnistab Moora.

Praeguseks on molekulaarselt kirjeldatud umbes 350 krohmseente liiki ja ilmselt väga palju rohkem neid määrata polegi. Eesti teadlaste töö krohmseente kirjeldamisel on seni maailma suurim.

On teada, et samu krohmseeni leidub kõigil mandritel, ehkki teada on ka see, et praegu esinevad liigid on tekkinud pärast mandrite jagunemist. Järelikult on need väga laialdase levikuga seened mingil moel mandreid pidi levinud. Uurijad on näidanud, et väikesed loomad, nagu närilised, aga ka vihmaussid, kannavad krohmseeni edasi. See ei selgita aga mandritevahelist levikut.

Mari Moora pakub ühe võimaliku viisina välja tolmutormid, mis võiksid kanda krohmseente eoseid kaugete vahemaade taha. See on praegu siiski pelgalt teooria, kuna puuduvad teaduslikud uuringud, mis seda kinnitaksid või ümber lükkaksid. Samuti on võimalik, et krohmseente ülemaailmses levikus mängib inimtegevus olulist osa.

Levikuviisidest enam huvitab Mari Moorat aga küsimus, miks ei ole nii laia levikuga seened rohkem divergeerunud ehk miks ei ole tekkinud rohkem liike. Kui mõelda, et peremeestaimi, millega krohmseened sümbioosi moodustavad, on ligikaudu 200 000, siis eelduse järgi peaks seente liigispekter olema samuti väga palju suurem. See kõik viiski Science’is arutelu algatanud küsimuse juurde.

Mis on liik?

Avastamata maad on krohmseente uurimises üksjagu. Näiteks, kui palju on krohmseente liike? Varasem mitmekesisuse uurimine põhines paljunemiskehakestel ehk eostel, mida võib leida mullast. Liike eristati eose kuju ja suuruse järgi, kuigi ei olnud teada, millistelt taime juures elavatelt seentelt need eosed pärinevad. Taimejuuri asustavaid seeni saab küll mikroskoobi all näha, aga seal tunduvad kõik seeneliigid olevat ühesugused. Liikide eristamine sai võimalikuks alles siis, kui kasutusele võeti molekulaarsed meetodid – pärilikkuseaine DNA uurimine.

DNA analüüs on paljudes teadusvaldkondades avanud täiesti uued horisondid. Seni olid teadlased spetsialiseerunud kindlate organismide uurimisele, näiteks botaanikud tunnevad ja uurivad taimi, entomoloogid putukaid jne. DNA uurimine võimaldab aga ökosüsteemide uurimisel juba praegu ületada kuningriigi piire – uurida organisme paralleelselt. Näiteks igikeltsa DNA ekstrakti põhjal on ka eesti teadlaste osalusel suudetud kirjeldada korraga nii taimekooslusi kui ka imetajaid, kes on oma jälje mulda jätnud, ning määrata mulla nematoodid (Willerslev jt 2014).⁷

Viimased 200 aastat on liike määratud teadlaste eksperdihinnangute alusel. Need omakorda on tuginenud kirjeldustele, mis alati sisaldavad subjektiivseid aspekte. DNA proovidele tuginevad andmed võimaldavad subjektiivsust vähendada ja saab olla täpsem.

See täpsus ongi omakorda tõstatanud Science’is ühe viimase diskussiooni, mille ajendiks on Eesti teadlaste juhtimisel kirjutatud artikkel (6). Mis on liik mikroorganismide puhul ja mis on liik makroorganismide puhul ning kas nende biogeograafiat saab omavahel võrrelda? (Öpik jt 2016)⁸

Mikroorganismide liikide taksonoomia on molekulaarsete meetodite tõttu läinud ümberhindamisele. „Ja see hindamine muudkui kestab ja kestab. Taksonoomid diskuteerivad, mis on liik, milliste DNA regioonidega saab paremini organisme ja rühmi kirjeldada,“ selgitab Moora. Teadlased suudavad küll kirjeldada kehtivaid mustreid, kuid ei oska veel sellele DNA järjestusele n-ö nägu külge panna.

See kõik on loonud aluse diskussiooniks, kus klassikaline kirjeldamisel tuginev ökoloogia ja taksonoomia põrkuvad molekulaarsetele meetoditele tugineva ökoloogia ja taksonoomiaga. „Nende vahel käib kohati veel tuline võitlus, ja õigustatult. Meil ei ole praegu globaalses mõttes nii palju kogemusi, et öelda igas olukorras kindlalt, millise organismi külge vastav DNA molekul kuulub,“ räägib Moora. Traditsiooniliselt on organisme klassifitseeritud välise ehituse alusel. Kuidas aga ühendada klassikalist käsitlust uute metoodikatega, kus liike määratakse DNA järjestuste alusel, selle üle käibki Science’is debatt.

Uurijate ees seisab palju lahendamist vajavaid probleeme. Näiteks olukorras, kus ei järjestata uuritava organismi kogu genoomi, mis oleks ülimalt töömahukas ja kallis, vaid töötatakse mingi piiratud DNA lõigu alusel, tekib kohe küsimus, milline DNA lõik on parim. Kas ja mil määral on tulemus võrreldav klassikalise organismide taksonoomiaga? Kas eri tüüpi organismide mitmekesisust on üldse mõtet võrrelda või peegeldab see pelgalt valitud metoodika omapära?

Produktiivsuse ja liigirikkuse seoste uuringud said alguse saastevihmast
Ökosüsteemi produktiivsuse ja liigi­rikkuse seose uurimine muutus aktuaalseks 1970. aastate lõpus, kui hakati tundma huvi, milline mõju on lämmastikusaastel taimekooslustele. Lämmastikuühendeid, mis on ühtlasi taimedele toitaineks, sadeneb tööstusriikides suurtes kogustes. Toona asetati probleemi keskmesse küsimus, kuidas selline saaste, mis suurendab produktiivsust, mõjutab ökosüsteemide mitmekesisust. Vastamiseks tuli esimesena uurida, milline on looduses produktiivsuse ja liigirikkuse seos. Sealt edasi liiguti küsimuse juurde, mis juhtub mitmekesisusega siis, kui saaste produktiivsust suurendab.

1 Fraser jt 2015. Plant ecology. Worldwide evidence of a unimodal relationship between productivity and plant species richness. Science (New York, N. Y.) 349: 302–305. http://science.sciencemag.org/content/349/6245/302

2 Adler jt 2011. Productivity Is a Poor Predictor of Plant Species Richness. Science 333: 1750–1753. http://science.sciencemag.org/content/333/6050/1750

3 Laanisto, L. & Hutchings, M. J. 2015. Comment on „Worldwide evidence of a unimodal relationship between productivity and plant species richness”. Science 350: 1177. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26785470

4 Fraser, L. H., Pärtel, M., Pither, J., Anke Jentsch, A., Sternberg, M. & Zobel, M. 2015. Response to Comment on „Worldwide evidence of a unimodal relationship between productivity and plant species richness“. Science 350: 1177-c. http://science.sciencemag.org/content/351/6272/457.2

5 Moora, M., Davison, J., Öpik, M., Metsis, M., Saks, U., Jairus, T., Vasar, M. & Zobel, M. 2014. Anthropogenic land use shapes the composition and phylogenetic structure of soil arbuscular mycorrhizal fungal communities. FEMS Microbiology Ecology 90: 609–621. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/25187481

6 Davison, J., Moora, M., Öpik, M., Adholeya, A., Ainsaar, L., Ba, A., Burla, S., Diedhiou, A. G., Hiiesalu, I., Jairus, T., Johnson, N. C., Kane, A., Koorem, K., Kochar, M., Ndiaye, C., Partel, M., Reier, U., Saks, U., Singh, R., Vasar, M. & Zobel, M. 2015. FUNGAL SYMBIONTS Global assessment of arbuscular mycorrhizal fungus diversity reveals very low endemism. Science 349: 970–973. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/26315436

7 Willerslev et al.2014. Fifty thousand years of Arctic vegetation and megafaunal diet. Nature 506: 47–51. http://www.nature.com/nature/journal/v506/n7486/full/nature12921.html

8 Öpik, M., Davison, J., Moora, M., Pärtel, M. & Zobel, M. 2016. Response to Comment on „Global assessment of arbuscular mycorrhizal fungus diversity reveals very low endemism“. Science 351: 826. http://science.sciencemag.org/content/351/6275/826.3