מפה גנומית מקיפה חושפת מגוון גנטי חסר תקדים באוסף האפונים העולמי ופותחת דרך לשיפורים גנטיים של הקטנית
חוקרים יצרו מפה גנומית מקיפה לאוסף האפונים העולמי שבזכותו גילה הכומר הצ'כי גרגור מנדל את התורשה, וחשפו תכונות מפתח ומגוון גנטי עצום. המשאבים החדשים צפויים לחולל מהפכה בתהליכי השבחת האפונים, במאמצי הקיימות ובמחקר הגנטי ברחבי העולם.
גרגור מנדל הניח לפני יותר מ-160 שנים את היסודות למדע הגנטיקה באמצעות ניסויים פורצי דרך על צמחי אפונה.
כיום, צוות בינלאומי של חוקרים עושה שימוש בגנומיקה, ביו-אינפורמטיקה וגנטיקה כדי למפות את המגוון באוסף האפונים העולמי. עבודתם חושפת תובנות חדשות על התכונות שמנדל חקר ומגלה מגוון גנטי רחב באופן חסר תקדים החיוני לחקלאות.
לפי מחברי המחקר, מאגר הגנים המורחב והמשאבים הגנומיים הזמינים כעת לחוקרים ולעוסקים במלאכת השבחת זנים ברחבי העולם עשויים לשנות את תהליכי השבחת האפונים ולקדם את המחקר של הקטנית הזו.
“העבודה המשותפת שלנו יצרה משאב גנומי עצום יוצא דופן, כולל נתוני רצף הגנום המלא של האפונה,” אמר ד״ר נועם חיות, אחד מהמחברים המקוריים המשותפים, המנהל את יחידת מקורות הזרעים (GRU) במרכז ג'ון אינס.
“
כבר היום חוקרים וחברות רב־לאומיות מזמינות זרעים התואמים את המשאבים הגנומיים החדשים, שישנו את אופן השבחת האפונים ואת האופן שבו מדענים יחקרו אותם ברחבי העולם.”
מאמץ שיתופי עולמי
המחקר, שפורסם בכתב העתNature , התקיים בשיתוף מרכז ג'ון אינס (JIC) והאקדמיה הסינית למדעי החקלאות (CAAS), יחד עם קבוצות מחקר בסין, בבריטניה, בארה״ב ובצרפת.
עבודה זו מגיעה בתקופה בה מנסים להגדיל את השימוש באפונים וקטניות אחרות כמקור לחלבון צמחי ולגידולים בני־קיימא המסוגלים לקבע חנקן לעצמם, מה שמפחית את הצורך בדשנים כימיים ומוריד את זיהום הקרקע והמים.
לוח מגוון האפונים
"מנדל לא התעניין רק באפונה כמודל מחקרי מושלם, אם כי היא אכן הייתה," אמר ד״ר חיות. "היא גם הייתה גידול חשוב שמנדל רצה לשפר כדי לפתור בעיות שעמדו בפני גננים וחקלאים בתקופתו."
"בדומה לכך, מחקר זה לא רק מאיר את ממצאיו היסודיים של מנדל, אלא גם פותח את הדרך לגידול אפונים במספר מדינות בעולם, כולל בבריטניה. אפונה יכולה לספק מקור חלבון צמחי בר־קיימא ויש לה תפקיד מרכזי בעתיד החקלאות.”
כיצד החוקרים פיצחו את הגנומים של אוסף האפונים העולמי?
החוקרים בחרו מדגם ייצוגי של כ־700 גנוטיפים מתוך יותר מ־3,500, שנאספו ונשמרו לאורך עשרות שנים ביחידת GRU המומנת על־ידי BBSRC.
התהליך הניב 62 טרה-בייט של נתונים גולמיים, הכוללים 25.6 טריליון פיסות מידע, שמתאים להדפסה על כ־3.6 מיליארד דפי 4A.
בעזרת נתונים אלה יצר הצוות מפה גנומית עולמית של האפונה, החל מהאפונים המשובטים והמבוססים ועד לזני לכדרה (landraces) ובעלי קירבה אבולוציונית לזנים הנפוצים כיום בחקלאות.
באמצעות מחקר אסוציאציות רחב היקף (GWAS), זוהו אזורים בגנום המקושרים ליותר מ-70 תכונות אגרונומיות. הסמנים הגנטיים בכל מיקום מאפשרים להאיץ את תהליכי ההשבחה.
בעתיד, בשילוב עם טכנולוגיות כמו עריכה גנומית ורצף ארוך של DNA ו-RNA , ייפתחו הזדמנויות חסרות תקדים לגילוי גנים חדשים ולגידול חיזוי באמצעות בינה מלאכותית ליצירת קומבינציות גנים לאפונים מניבים, עמידים למחלות ובני־קיימא מבחינה אגרונומית.
המורשת המתמשכת של מנדל
אלן פרנקלין, היסטוריון מדעי, תיאר את עבודתו של מנדל כ״הניסויים הטובים ביותר שהתבצעו אי־פעם.״
בימי ראשית תורת התאים, לפני שהמונח ״גן״ הוגדר, התמקד מנדל בשבע תכונות:
- צורת הזרע: עגול או מקומט
- צבע הזרע: ירוק או צהוב
- צורת התרמיל: הדוקה או מנופחת
- צבע התרמיל ירוק או צהוב
- צבע הפריחה: סגול או לבן
- גובה הצמח: גבוה או ננסי
- מיקום הפרחים: צירי או סופי
במהלך ניסויים שנמשכו שנים ובהם נעשה שימוש באלפי צמחים, ניסח מנדל את חוקי התורשה היסודיים וגילה כיצד תכונות עוברות מדור לדור, והניח את היסוד למדע הגנטיקה.
אישוש התיאוריה הקלאסית בכלים מודרניים
הכלים הגנומיים שפותחו במחקר זה משמשים לבחינה מחודשת של הניסויים הקלאסיים, ומוצאים בכלים אלו את הגנים והמוטציות המדויקת שמנדל עקב אחריהן.
לתכונת צבע הפריחה, זיהו החוקרים מוטציה ייחודית המאפשרת החזרה של הצבע הסגול לפרחים לבנים.
הצוות גם מצא מוטציה האחראית לצבע התרמיל הצהוב, תגלית שמרתקת אקדמאים עקב האינטראקציה בין שני גנים סמוכים.
“מנדל גילה את חוקי התורשה בלי לדעת מהו גן," אמר פרופ׳ שי־פנג צ׳נג מהמכון לגנומיקה חקלאית בשנג'ן. “כיום, באמצעות כלים מודרניים, אנו יכולים לזהות את הגנים המדויקים ואת המוטציות המסוימות שמנדל עקב אחריהן.”
פרופ׳ נואל אליס, חוקר במרכז ג'ון אינס וממחברי המחקר, הוסיף: "מעבר ליישום המעשי של הנתונים למשביחי הזנים, המשאבים חשובים גם לאקדמאים ולמורי גנטיקה, שכן המחקר מספק תיאור עדכני של וריאנטים מנדליאניים. הנתונים זמינים וניתן להזמין קווי אפונה – אנו מקווים שאקדמאים ייעזרו בהם בחופשיות.”
קונג פנג, סטודנט לתארים מתקדמים וממחברי המאמר, אמר: "GWAS וניתוח haplotype הוכיחו את עצמם ככלים רבי־עוצמה, ושמחנו לגלות תובנות ברמת הרצף לכל שבע התכונות הקלאסיות של מנדל.”
ד״ר ג'ולי הופר, חוקרת פוסט־דוק, הוסיפה: "במשך שנים נתקלה השאלה מה מביא לצבע התרמיל במכשולים, אך תגליתנו מדגישה עד כמה מבנה הגנום יכול להשפיע על תפקוד הגן ברמה הטרנסקריפטיבית.”
