Kukan kehitystä ohjaavat ubikitiinisignaalit

Leikisti myrkyllinen joulukaktus oli Kristiina Himasen ensimmäisiä tutkimuskohteita, kun hän lapsena leikki tiedenaista. Innostus johti akatemiatutkijan uralle selvittämään, miten FUPS-systeemit eli proteiinien hajotusta säätelevät tekijät vaikuttavat kukkien kehittymiseen.

Kukat ovat värikäs esimerkki siitä, että maailmassa on vieläkin tuttuja mutta arvoituksellisia ilmiöitä. Emme tiedä, miten kaksi  kukkaa kehittyvät niin kovin erinäköisiksi. Akatemiatutkija Kristiina Himanen, 42, johtaa Helsingin yliopiston Maataloustieteiden osastolla ryhmää, joka kasvibiotekniikan ja molekyylijalostuksen aloja sivuamalla selvittää ubikitiini-signaalien ohjaamaa kukan kehitystä.

Kukka syntyy ABC-geeneistä ja FUPS säätelee kehityksen eri vaiheita

Kukan eri osien kehitystä säätelevät ABC-geenit. A-geeni tekee verholehdet, A- ja B-geeni yhdessä terälehdet, Bn- ja Cn-geenit heteen ja C-geeni emiön. ABC-säätelijöiden ilmenemiseen liittyy ubikitiini-signaalin ohjaamaa proteiinien hajotusta, ja juuri tähän keskittyy Himasen tutkimusryhmä.

Sekä kasvien että eläinten soluissa esiintyy pieniä proteiinimerkkejä, ubikitiineja. Ubikitiinit liittyvät hajotettavaksi tarkoitettuun proteiiniin ja toimivat ”avaimena”, joka käynnistää solussa olevan proteiinien tuhoamislaitoksen, proteasomin. Proteasomi ahmaisee ubikitiinilla merkityn proteiinin ja pilkkoo sen aminohapoiksi. Kukkien ubikitiini-ohjattuun proteasomijärjestemään viitataan lyhenteellä FUPS (Flower related Ubiquitin Proteasome System). 

”Selvitämme, mitä ABC-proteiineja löytämämme FUPS-kandidaatit hajottavat, milloin ja missä kukan osissa.  Näin löydämme kehitysbiologian ’katkaisijoita’, jotka mahdollistavat kehityksen etenemisen yhdestä vaiheesta toiseen.”

Kukkaloisto on kriittisen tärkeä maataloudelle

”Useat kasvin reaktio- ja signaalinvälitysreitit todennäköisesti käyttävät ubikitiini-säätelyä reaktioiden pysäyttämiseen ja siirtymiseen kehitysvaiheista toisiin, esimerkiksi juuri kasvuvaiheesta kukinnan aloittamiseen kasvukauden lopussa. Myös kasvien sopeutumiseen eri olosuhteisiin ja stressitilanteisiin liittynee paljon ubikitiini-säätelyä.”

Kukan toimintamekanismien ymmärtäminen on kehitysbiologian molekyylitason perustutkimusta, joka kiinnostaa esimerkiksi maataloutta. Kukinnan ajoittuminen kasvukaudella on merkittävä tekijä viljelysadon onnistumiselle, ja kukkien lukumäärä ja koko määräävät siemen-, hedelmä- ja marjasadon. Kukan kokoa, määrää ja kukinnan ajoittumista säätelevät molekyylimekanismit olisi hyödyllistä tuntea, kun  esimerkiksi ilmastonmuutos haastaa viljelylajikkeiden kehitystyön.  

”Kukkien monimuotoisuus ja suuri lajinsisäinen vaihtelu todistavat erinomaisesta sopeutumiskyvystä eri olosuhteisiin. Jos tietäisimme, miten kasvi käynnistää tai estää kukinnan tietyissä olosuhteissa, voisimme käyttää tätä samaa ’katkaisijaa’ myös viljelykasveilla. ”

Graduntekijästä kansainväliseksi mutta suomalaiseksi tutkijaksi

Kasviluonnon ihmeet ovat kiinnostaneet Himasta pienestä pitäen, ja yliopistossa biologia ja kasvitieteet tempaisivat heti mukaansa niin, että opiskelijaelämä jäi sivuseikaksi.

”1990-luvun puolivälissä molekyylibiologia oli kehittyvä ala, ja kasvimolekyylibiologiassa riitti tehtävää, selitettävää ja löydettävää. Tutkijan uralle kannusti esimerkillään aineopintojeni ohjaaja professori Marjatta Raudaskoski.”

Himasella oli jo graduvaiheessa omia tutkimuskysymyksiä, joihin vastaukset löytyivät apurahan turvin Belgiassa. Kansainvälisyydestä ja liikkuvuudesta on nyt kahdentoista vuoden kokemus. Maailmalta löytyi belgialaisen aviopuolison lisäksi kiinnostus ubikitiini-säätelyyn sekä tilaisuus työskennellä merkittävien kasvibiologien kanssa. Väitöstyön hän halusi silti kirjata kotiyliopistoonsa. ”Suomen tohtorin tutkinto on vaatimustasoltaan paljon keskieurooppalaista korkeampi ja siksi arvostetumpi.”

Tieteelle uhrautunut Marie Curie teki vaikutuksen 7-vuotiaaseen Kristiina Himaseen, joka innostui leikkimään tiedenaista ja eristämään äidin ”myrkyllisistä” joulukaktuksista vaaleanpunaisia uutteita.

”Tutkijan ammatti on kiehtova ja mukaansatempaava, koska se vaatii panostusta; parhaimmillaan kaikki muu unohtuu. Oma kokemukseni huippuyliopistojen monikulttuurisissa tutkijayhteisöissä oli valtavan avartava. Kun ymmärtää, että asioita voidaan tehdä eri tavoin ja erilaisin perustein, saa pohjan kehittää omaa tutkimustoimintaa.” Juuri arvostetun kansainvälisyyden ja liikkuvuuden osalta Himanen kehittäisi yliopiston rekrytointia, jossa voisi olla tilausta sitä tukevaan rakenneuudistukseen.

Tutkimusryhmän johtaja ohjaa kokonaisuutta

Himanen johtaa Akatemia-projektissa tutkijatohtoria, kahta tohtorikoulutettavaa ja kahta maisteriopiskelijaa.  Tutkimus on edennyt toivotusti, vaikka kansainvälinen ryhmä aloittikin laboratoriossa aivan tyhjästä. 

”Ryhmänjohtajana vastaan tutkimuslinjoista ja siitä, että kysymme keskeisiä kysymyksiä ja löydämme vastauksia. Seuraan alan kirjallisuutta ja arvioin kriittisesti tutkimustuloksia. Tärkeä osa työtä on tutkimussuunnitelmien työstäminen ja tutkimusrahoituksen hakeminen.”

Käytännön työ tehdään molekyylibiologian laboratoriossa ja kasvatustiloissa. Geenien mutaatiot yleensä estävät toiminnallisen proteiinin muodostumisen, ja kun kasvin ilmiasussa nähdään muutos, tarkoittaa se sitä, että proteiinia olisi tarvittu kyseiseen kehitysprosessiin. Tutkimushypoteeseja testataan mallikasvilla, joka on kasvitieteessä yleinen lituruoho. ”Haemme lituruohon genomista kertovista tietopankeista ubikitiinin toimintaan liittyviä geenejä, katsomme, ilmenevätkö ne kukassa ja onko kyseiselle geenille saatavilla mutanttia, joita voi tilata verkosta testattavaksi. Parhaillaan tutkimme 11 ensimmäistä mutanttilinjaa, joista muutamassa näyttää olevan vaikutuksia kukan rakenteeseen.”

Kasvibiotekniikka – uhasta mahdollisuudeksi

Himanen haluaa kehittää koko kasvibiotekniikan alaa. Geenit ovat luonnollisia biomolekyylejä, mutta niiden käyttämistä viljelykasvien täsmäjalostukseen on vastustettu tutkijan näkökulmasta väärien mielikuvien takia. 

”Kasvibiotekniikka kehittyi samaan aikaan kuin kansalaisliikkeet alkoivat kiinnittää huomiota ydinvoima- ja kemianteollisuuden aiheuttamiin ympäristöongelmiin. Näiden teknologioiden kohdalla jouduttiin tyytymään reagointiin jo tapahtuneisiin onnettomuuksiin ja ympäristöhaittoihin, joten kasvibiotekniikan kohdalla nähtiin mahdollisuus kitkeä uusi teknologia jo ennen sen itämistä.”

Himanen kertoo, että kasvibiotekniikan sovelluksia on Yhdysvalloissa hyödynnetty jo 90-luvulta lähtien ja monet sovellukset ovat vaikuttaneet myönteisesti sekä maataloustuotantoon että ympäristöön. ”Toivon, että kasvibiotekniikka pääsee pian myös Euroopassa edistämään kestävää maataloutta ja luomaan uutta teollisuutta ja työllisyyttä.”

Teksti: Nina Mäki-Kihniä
Kuvat: Katriina Himanen