Tautitutkimus

Jotta tautien evoluutiota ja ekologiaa voitaisiin todella ymmärtää, on niitä tutkittava ihmisen luomien ympäristöjen, kuten laboratorion tai peltojen lisäksi myös luonnon populaatioissa. Eläinten lailla myös kasveilla on mikrobien – virusten, bakteerien, alkueliöiden tai sienten aiheuttamia infektiotauteja. 

Kasvien kanssa työskennellessä ei ole samanlaisia eettisiä rajoitteita kuin eläimillä tai ihmisillä tehtävissä tutkimuksissa. Eettiset rajoitteet vähenevät entisestään, jos tauti ei voi tarttua viljelykasveihin, kuten on heinäratamon härmäsienen laita. Paikallaan pysyvinä eliöinä kasvien populaatioita ja niiden tautisuutta voidaan seurata helposti vuodesta toiseen. Ahvenanmaan heinäratamopopulaatioissa tehtävä tautitutkimus ja sen avulla kerätty pitkäaikainen tutkimusaineisto on laajuudessaan ainutlaatuinen jopa maailman mittakaavassa. 

Erilaiset härmäsienet ovat varsin yleisiä kasvitauteja niin viljellyssä ympäristössä kuin luonnossa. Härmäsieni on havaittavissa paljain silmin lehden pinnalla olevana härmäisenä kerroksena, joka muodostuu sienirihmoista, itiöistä tai molemmista. Pinnalta käsin härmä kasvattaa kasvin solukkoon tunkeutuvia osia, joilla se imee ravinteita käyttöönsä. Toiset härmät pystyvät infektoimaan useita kasvilajeja, mutta osa on erikoistunut vain yhteen isäntälajiin.

Ahvenanmaan ketoverkostossa esiintyvä ratamonhaituhärämä (Podosphaera plantaginis) on erikoistunut elämään heinäratamolla. Sieni ei tapa isäntäkasviaan, mutta voi haitata sen kasvua ja heikentää selviytymistä muista ympäristön stressitekijöistä. Kasvukaudella härmä leviää kasvista ja populaatiosta toiseen pienillä suvuttomilla itiöillä. Syksyä kohden se alkaa kasvattaa enenevässä määrin suvullisia lepoitiöitä, jotka on mahdollista erottaa tummina pisteinä lehden pinnalla. Lepoitiöiden avulla härmä talvehtii ja tartuttaa isäntänsä uudestaan seuraavana kesänä.

Sekä heinäratamoa että härmää on melko helppoa käsitellä laboratorio- ja kasvihuonekokeissa. Härmätartunta pystytään toteamaan luotettavasti paljain silmin toisin kuin esimerkiksi virustaudit, mikä helpottaa havainnointia luonnossa. Ratamonhaituhärmä myös elää koko elinkaarensa heinäratamolla, mikä yksinkertaistaa ekologisten mallien rakentamista. 

Ahvenanmaan heinäratamopopulaatioiden härmätartunnat kartoitetaan joka syksy yhdessä täpläverkkoperhosen kartoituksen kanssa. Härmäkartoituksessa kartoittajat etsivät silmämääräisesti heinäratamojen lehdiltä härmää ja kirjaavat havaintonsa populaatioittain ylös. Härmäisten populaatioiden osuus kartoitetuista populaatioista on vaihdellut vuosina 2001 – 2019 alle viiden prosentin ja kahdenkymmenen prosentin välillä. Tämä on hyvä esimerkki siitä, miten luonnonpopulaatioissa harvoin tavataan samanlaisia tuhoisia epidemioita kuin pelloilla tai muissa ihmisen luomissa monokulttuureissa. 

Kartoituksissa kerätyn aineiston avulla on voitu osoittaa, että populaatioiden härmätartuntaan vaikuttaa merkittävästi niiden läheisyys toisiin populaatioihin. Toisiinsa helposti yhteyksissä olevien populaatioiden välillä voisi kuvitella liikkuvan enemmän tauteja. Kuitenkin eristäytyneissä heinäratamopopulaatioissa on huomattu olevan enemmän härmää. Populaatioiden tiiviit yhteydet toisiinsa lisäävät isäntäkasvien välistä geenivirtaa ja siten niiden evolutiivista potentiaalia sekä vastustuskyvyn kehittymistä. Laboratoriotesteillä on vahvistettu, että kyse on nimenomaan isäntäkasvien vastustuskyvystä. Perinnöllinen monimuotoisuus on keskeisessä osassa vastustuskyvyn kehittymisessä eliölajeilla. Elinympäristöjen pirstoutuminen eristää populaatioita toisistaan ja voi näin lisätä alttiutta taudeille.

Geneettisten näytteiden avulla on huomattu, että ratamonhaituhärmä on Ahvenanmaalla hyvin monimuotoinen. Laboratoriossa on todettu vaihtelua eri härmäkantojen elämänvaiheiden nopeuksissa ja optimaalisimmassa kasvulämpötilassa, sekä riskissä kärsiä sen omasta Ampelomyces -loissienestä. Elottomat ja elolliset ympäristötekijät lisännevät härmän monimuotoisuutta luonnossa, sillä parhaat ominaisuudet riippuvat kulloisistakin olosuhteista ja vaihtelevat tilanteen mukaan. Ei siis riitä, että tautia tutkitaan vain laboratoriossa. 

Phomopsis ordinaria on toinen Ahvenanmaan heinäratamoilla esiintyvä sienitauti. Siinä missä härmä ottaa ravinteensa elävästä lehdestä, Phomopsis hyödyntää kuollutta solukkoa. Phomopsis leviää kasvista toiseen kärsäkkäisiin kuuluvien kovakuoriaisten välityksellä ja infektoi heinäratamon kukkavarret. Tauti tappaa kehittyvät siemenet tai jopa koko kasvin. Phomopsis on yleinen heinäratamopopulaatioissa, mutta epidemiat ovat pieniä, usein alle kymmenen tautisen kasvin kokoisia. 

Vuoden 2018 syyskartoituksen yhteydessä kartoitettiin myös Phomopsista, joskin vain 261 populaatiossa. Peräti 47% tutkituista populaatioista oli tautisia. Suurimassa osassa sientä oli alle kymmenellä prosentilla heinäratamoista. Myös taudin vakavuus kasviyksilöillä eli virulenssi tutkittiin laskemalla infektoituneiden kukkavarsien osuudet. Populaatioissa, joissa Phomopsista oli yli kymmenellä prosentilla kasveista, tauti oli myös hyvin virulentti. 

Tämäkin tauti voi auttaa ymmärtämään taudinaiheuttajien ja niiden isäntien välistä evoluutiota. Kysymyksiä ovat muun muassa miksi epidemiat pysyvät niin pieninä ja miksi sieni tässä tapauksessa tappaa isäntänsä. 

Virustutkimus on usein keskittynyt hyötykasveihin ja virusten esiintyvyys ja monimuotoisuus luonnossa ovat vähemmän tunnettua, vaikka virukset voivatkin liikkua villien ja viljeltyjen kasvien välillä. Uusien menetelmien käyttöönotto, kuten metagenomianalyysi ja pikku-RNA:n käyttö, ovat tuoneet mahdollisuuksia perehtyä näihin ilmiöihin aiempaa paremmin. Tautimikrobien luonnossa esiintyvän monimuotoisuuden tutkiminen voi tarjota ymmärrystä siihen, mitkä tekijät vaikuttavat isännän ja loisen pitkäaikaiseen yhteiseloon, ja siten auttaa ennustamaan milloin ja missä tautiriski on suurimmillaan. 

Ahvenanmaalta kerätyistä DNA- ja RNA-näytteistä on tutkittu heinäratamolla esiintyviä viruksia. Virusten esiintyvyys ja monimuotoisuus vaihtelevat populaatioiden välillä, mutta lähes kaikista tutkituista populaatioista on onnistuttu havaitsemaan infektioita. Infektoituneissa kasveissa on melko usein useampaa kuin yhtä viruslajia, vuonna 2013 kerätyssä aineistossa 20 prosenttia virusinfektioista oli tällaisia. Oireisilta kasveilta tavataan viruksia todennäköisemmin, mutta myös oireettomilta. Tutkimuksissa on lisäksi löydetty viisi uutta viruslajia, jotka ovat synnyttäneet kansainvälistä kiinnostusta. Yhtä (Plantago lanceolata latent virus, eli PlLV) on jo havaittu myös muualla maailmassa: Ranskassa, Italiassa, Espanjassa ja Iranissa. 

Sienijuuret eli mykorritsat ovat sienen ja kasvin muodostamia symbiooseja, jotka yleensä ovat mutualistisia eli sekä kasvi että sieni hyötyvät suhteesta. Sienirihmat ovat kasvin juuria tehokkaampia keräämään ravinteita ja vettä, ja kasvi ottaa osan näistä sienen keräämistä resursseista itselleen. Sieni puolestaan saa kasvin yhteyttämällä tuottamia hiilihydraatteja. Sienijuurilla on hyvin merkittävä rooli kasvien ekologiassa. Lähes kaikilla maailman kasveilla on näitä symbiooseja.

Tuoreessa tutkimuksessa kerättiin juurinäytteitä Ahvenanmaan heinäratamopopulaatioista, jotka erosivat toisistaan härmätautihistorialtaan. Geneettisistä näytteistä selvitettiin juuriston sieniyhteisön rakenne. Tutkimalla eroa terveiden ja tautisten populaatioiden välillä, voidaan nähdä, mikäli verson sienitaudit vaikuttavat juuriston sieniyhteisöön. Tämänkaltaista juurten ja versojen mikrobistojen keskinäistä suhdetta on tutkittu luonnon kasvipopulaatioissa vain vähän. 

Geneettisistä näytteistä tarkastellaan myös tautisienten ja mutualististen sienten esiintymistä heinäratamon juurissa. Lisäksi juurinäytteistä etsitään mikroskoopilla sienijuuria. Suurempi sienijuurien määrä on yleensä hyväksi kasville. Mutualistiset sienet juuristossa saattavat vahvistaa kasvin omaa puolustautumista tauteja vastaan. 

Tulosten analysointi on vielä osin kesken, mutta alustavat tulokset osoittavat vaihtelua heinäratamopopulaatioiden juuriston sieniyhteisöissä. Yhteisöön näyttäisi vaikuttavan ainakin kasvipopulaatio ja hiukan myös populaation härmätautihistoria. Seuraavaksi on tarkoitus selvittää, onko tautia aiheuttavien juurisienten ja mutualististen juurisienten osuuksilla eroa härmäisten ja härmättömien populaatioiden välillä, sekä ovatko jotkut maanalaiset sienet yleisempiä härmäisissä populaatioissa.