מדענים מגרמניה ומהאוניברסיטה העברית פענחו מנגנון מרכזי בבקרת הפריחה של צמחים

המחקר התפרסם באחרונה במגזין Science

אבי בליזובסקי

מדענים ממכון מקס פלנק לחקר גידול צמחים בקלן שבגרמניה ומהאוניברסיטה העברית בירושלים מצאו את המנגנון המולקולרי שצמחים משתמשים בו כדי לפרוח בהתאם לשינויים במספר שעות האור ביממה, באיכות האור ובעצמתו.

ממצאי המחקר פורסמו במגזין Science ב-13 בפברואר 2004 ויש להם השלכות מרחיקות לכת על אפשרות עתידית לשליטה במועדי הפריחה של צמחים ובהסתגלותם לפריחה בִּתנאים שונים מתנאיהם הטבעיים.

במקרים רבים מזון המופק מצמחים מוגבל לעונות מסוימות בשנה או לאזורים מסוימים בעולם. אחת הסיבות לכך היא אמצעי הזהירות הייחודיים שפיתח כל זן של צמח, אשר מאותתים לו מהו הזמן המתאים ביותר עבורו להתחיל לפרוח ולהתרבות, בהתבסס על האקלים הספציפי שבו התפתח.

החוקרים ערכו את הניסויים על צמח המודל ארבידופסיס (תודרנית) כדי להבין את אופן ההשפעה של האור על זמן הפריחה. הם הדגימו איך מספר שעות האור ביממה ואיכות האור – באמצעות פוטורצפטורים (קולטי אור) של הצמח – משפיעים על יציבותו של החלבון מקדם הפריחה הנקרא “קונסטנס”. ממצאים אלו עוזרים להסביר את ההתנהגות של זני צמחים רבים שפריחתם תלויה בעונות השנה ובמספר שעות האור ביממה.

ארבידופסיס הוא צמח קטן שנעשה בו שימוש נרחב כמודל בחקר מדעי הצמח. זהו הצמח הראשון שכל הגנום שלו פוענח.

ד”ר אלון סמך, מדען ישראלי מהאוניברסיטה העברית בירושלים שהשתתף בפרויקט, מצביע על כך שבהתבסס על ממצאים אלו ועל מחקרים קודמים, ניתן יהיה לעשות מניפולציות על מועדי הפריחה של גידולים חשובים, באמצעות שינויים גנטיים שיעלו או יורידו את יציבות החלבון קונסטנס, או במקרים אחרים על ידי אימוץ אמצעים אגרוטכניים פשוטים המשפיעים על איכות האור שמגיע לצמח ולכן גם על פריחתו.

את הצוות בקלן מוביל ד”ר ג'ורג' קופלנד, ראש המחלקה לביולוגיה התפתחותית של הצמח במכון מקס פלנק לחקר גידול צמחים בקלן, גרמניה. הצוות כולל גם את ד”ר פדריקו ולוורדה, ד”ר איידין מורדוב, ד”ר ווים סופּ וד”ר דין רבנסקרופט.

ד”ר סמך מכהן בדוכן להורטיקולטורה ע”ש סיריל רוזנבאום, במכון רוברט ה' סמית' למדעי הצמח והגנטיקה בחקלאות, בפקולטה למדעי החקלאות המזון ואיכות הסביבה של האוניברסיטה העברית. מחקרו נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע; משרד החקלאות; קרן קמ”ח: הקרן הישראלית-אמריקנית למו”פ חקלאי; וקרן GIFRID: הקרן הישראלית-גרמנית למחקר ולפיתוח בינ”ל.

כש-12 שעות אחרי עלות השחר יש עדיין אור, החלבון מצטבר והתודרנית פורחת

מאת מרית סלוין

מדע / איך משפיעים אורך היום וכמות הצל על עיתוי הפריחה של צמחים

תודרנית. מימין: פריחה ביום שבו היו 16 שעות אור; משמאל: הצמח ביום של עשר שעות אור

תצלום: האוניברסיטה העברית
עיתוי הפריחה של צמחים קובע במידה רבה את עתידם. אם הפריחה מתרחשת בעונה הנכונה, הפרחים עוברים הפריה, מתפתחים לפירות, מהפירות מתפזרים הזרעים, והצמח ממשיך להתקיים. איברי הרבייה של הצמח נמצאים בתוך הפרח, והפתיחה של עלי הכותרת חושפת אותם ומאפשרת את פעילותם. מכיוון שבטמפרטורות נמוכות איברי הרבייה לא מתפקדים, רוב הצמחים פורחים באביב.

יש כמה מנגנונים המבטיחים שהצמחים יפרחו באביב. יש צמחים ש”סופרים” את ימי הקור, ורק לאחר שמתמלאת המכסה (האופיינית לכל צמח), הם פורחים. יש צמחים שמקבלים את המידע הנחוץ על פי אורך היום – כשהימים נעשים ארוכים, הם מתחילים לפרוח. גם אורכי הגל השונים שהצמח קולט מסוגלים להחיש או להאט את הפריחה. עובדות אלה ידועות זה כבר, אבל עד כה לא היה ברור כיצד תנאים חיצוניים מתורגמים לשינויים פיסיולוגיים המכתיבים מהלכים כה קריטיים בחיי הצמח. מחקר משותף של צוות ממכון מקס פלאנק לרביית צמחים בגרמניה ושל ד”ר אלון סמך מהפקולטה לחקלאות באוניברסיטה העברית, שהתפרסם ביום שישי בכתב העת “Science”, חושף לראשונה את המנגנון הקובע את עיתוי הפריחה בעקבות שינויים באורך היום.

“בצמחים, כמו אצל בני אדם, יש שעון ביולוגי הפועל במחזוריות של יממה ומפעיל גנים שונים. הגנים האלה קובעים את התנהגות הצמח בשעות השונות של היממה”, אומר ד”ר סמך, איש המכון למדעי הצמח והגנטיקה בפקולטה לחקלאות. “יש גנים שבאים לידי ביטוי באותה מידה במשך כל שעות היממה, ויש כאלה שמתבטאים באופן שונה בשעות היום והלילה”. אחד מהגנים שפעילותם משתנה בין היום ללילה הוא הגן קונסטנס. “פעילותו מתגברת כ-12 שעות לאחר עלות השחר, נשארת גבוהה בלילה ויורדת במשך היום. כך יוצא שבימים ארוכים הוא פעיל בשעות שלפני השקיעה, ובימים קצרים הוא פעיל רק בחושך”, אומר סמך.

חוקרים חושדים זה זמן רב כי הגן קונסטנס מעורב בקביעת עיתוי הפריחה, אבל בשל הכמויות הזעירות שנוצרות מהחלבון שהגן מקודד, אי אפשר היה לבחון את מהות הקשר הזה. ד”ר סמך ושותפיו הגרמנים, בראשות ד”ר ג'ורג' קופלנד, מצאו דרך לברר זאת. באמצעות שיטות של הנדסה גנטית העבירו החוקרים את הגן קונסטנס לחיידקים, ואלה ייצרו את החלבון בכמויות גדולות. עתה, כשהיו בידיהם כמויות גדולות של החלבון, הם יכלו לעקוב אחרי השינויים בכמות שלו בגרעין התא של הצמח בשעות היממה השונות, בימים קצרים וארוכים. את הניסויים ערכו החוקרים בצמח בשם ארבידופסיס (תודרנית). צמח זה משמש למחקרים רבים מאחר שיש לו גנום קטן יחסית והוא בעל מחזור חיים קצר, ולפיכך אפשר לגדל דורות רבים שלו בתקופה קצרה יחסית.

ד”ר סמך ושותפיו גילו שהחלבון שמקודד בגן קונסטנס לא מצטבר בחושך, וזאת משום שבחושך מופעל מנגנון מיוחד שמפרק אותו. “זאת כנראה הסיבה העיקרית לכך שקונסטנס מפעיל את הפריחה בימים הארוכים יותר, שבהם הוא פעיל גם בשעות שלפני השקיעה”, אומר סמך.

אלא שהחוקרים גילו שלא רק כמות האור משפיעה על הפריחה, אלא גם אורכי הגל שלו. “ידוע שצמחים מסוימים פורחים מהר יותר בצל מאשר בשמש. כך גם קורה לצמחי הארבידופסיס”, אומר סמך. מדוע הדבר קורה? “הצמחים זקוקים לאור לתהליך הפוטוסינתזה ולתהליכים התפתחותיים שונים, ולכן שינוי באורכי הגל של האור, שמתרחש למשל בתנאי צל, דורש תגובה של הצמח. שלא כבני האדם, הצמחים נייחים ואינם יכולים לשנות את מיקומם או את תנאי הסביבה שלהם, ומה שנותר להם זה לצמוח לעבר האור או לנסות להקדים או לאחר את מועד פריחתם כדי לייצר זרעים ולהמשיך את הקיום. באמצעים שפיתחנו יכולנו להראות שהשינויים באורכי הגל של האור בעקבות הצללה משפיעים על הצטברות החלבון קונסטנס, ובדרך זו משפיעים על מועד הפריחה”.

כאשר צמח נמצא ליד צמחים רבים ומוצל על ידם, מגיע לצמח רק אור באורכי גל מסוימים, בעיקר אורכי הגל הארוכים בתחום האור האדום; אור באורכי גל אחרים נבלע ולא נקלט על ידי הצמח. “מצאנו שהגלים הארוכים בתחום האור האדום מונעים את פירוקו של החלבון קונסטנס, וכך הוא יכול להצטבר בצמח ולעורר את הפריחה. הצמח קולט איפוא את האור בדרכים שונות, והצטברות החלבון קונסטנס היא שנותנת את האות מתי לפרוח”.

לדברי סמך, שמחקרו נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, “מעבר להבנה הבסיסית של מנגנוני הפריחה של הצמח, אפשר להשתמש בממצאי המחקר למטרות יישומיות. כבר עכשיו ניתן להשתמש בידע הזה כדי לשנות מועדי פריחה של צמחים באמצעות שינויים גנטיים בגן קונסטנס או באמצעות שיטות אגרו-טכניות פשוטות כמו רשתות צל צבעוניות, המשפיעות על אורכי הגל של האור שמגיעים לצמח ובצורה זו גם על מועדי הפריחה”.

ידען אבולוציה בפעולה
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~766844090~~~199&SiteName=hayadan