מי נתן לכנימה את צבעה?

כנימות עלה מייצרות פיגמנטים בעזרת גנים של פטרייה

יונת אשחר ונעם לויתן | גליליאו

כנימת האפון, Acyrthosiphon pisum, חרק קטן הניזון מנוזל השיפה של צמחים, עשויה להיות ירוקה או אדומה. מידע זה כשלעצמו אולי אינו נשמע מרתק במיוחד, אם כי לכנימות עצמן הוא חשוב למדי (חיפושיות משה רבנו נוהגות לצוד את הכנימות האדומות בתדירות גבוהה יותר, ואילו צרעות טפיליות מעדיפות את הירוקות דווקא). מה שמעניין יותר הוא – מה נותן לכנימות השונות את צבען?

ננסי מורן (Moran) וטיילר ג’רוויק (Jarvik) מאוניברסיטת אריזונה פרסמו את ממצאיהם על הנושא בשבועון Science. הם מצאו שצבען של הכנימות נובע ממולקולות קטנות המכונות קָרוֹטֶנוֹאידים הנפוצות למדי בקרב חיידקים, פטריות וצמחים. בעלי חיים מקבלים אותם ממזונם, והם חשובים בין השאר כנוגדי-חמצון. רבים מהם בעלי צבע, ובעלי חיים מסוימים מקבלים את צבעם מהקרוטנואידים שהם צורכים – צבעו הוורוד של הפלמינגו וצבעם של דגי הסלמון, למשל, מקורו בפירוק של בטא-קרוטן, המוכּר לנו כחומר ההופך בגופנו לוויטמין A. אם כך, פתרון התעלומה צריך להיות פשוט: כנימות שונות אוכלות קרוטנואידים שונים, ומקבלות צבעים שונים.

אלא שנותרו כמה שאלות לא פתורות. נוזל השיפה של הצמחים הוא נוזל מימי והקרוטנואידים יכולים להיות מומסים בשמן, אך לא במים. אם כן, כיצד מקבלות הכנימות את הקרוטנואידים? כיצד יכול להיות שהקרוטנואידים הנמצאים אצל הכנימות שונים מאוד מאלו הנמצאים בצמחים שהן אוכלות? ומדוע נראה כי תכונת הצבע ניתנת להורשה, כאשר הצבע האדום דומיננטי על הירוק?

החוקרים הגיעו למסקנה כי לכנימות עצמן גֶנים המייצרים קרוטנואידים – מסקנה מהפכנית למדי, שכן עד עתה לא היה ידוע על בעל חיים כלשהו המייצר בעצמו את המולקולות הללו. הגנום של הכנימה, שמופה ב-2010, אִפשר לחוקרים לחפש אחר הגנים הללו. והם אמנם מצאו – כמה גנים של הכנימה הראו דמיון ברור לגנים של פטריות, היוצרים חלבונים שתפקידם לייצר קרוטנואידים. גנים אלו לא הראו דמיון לגנים הנמצאים בבעלי חיים אחרים. דמיון רב בין הרצף של גן באורגניזם אחד לרצף של הגן באורגניזם אחר מעיד לרוב על הומולוגיה, כלומר מוצא משותף של הרצפים, ובכך על קשר אבולוציוני. למשל, אפשר למצוא דמיון רב בין גנים רבים של האדם לגנים של שימפנזה, ופחות מכך בין אלו של האדם לאלו של העכבר. אך כמובן שאיש אינו מציע כי כנימות האפון התפתחו מפטרייה – מוצאן האבולוציוני הוא מחרקים קדמונים ואבולוציונית הן קרובות יותר אלינו מאשר לפטריות. איך בכל זאת הגיעו גנים שמוצאם בפטרייה אל הגנום של הכנימה?

התשובה נעוצה במנגנון הנקרא “העברה אופקית של גנים” (horizontal gene transfer; הנדסה גנטית, למשל). בניגוד להעברה אנכית של גנים בין הורה לצאצא (הדרך הרגילה שבה אנו מקבלים את הגנים שלנו), העברה אופקית מעבירה גנים מאורגניזמים שאינם בני משפחה ולעתים אף אינם שייכים לאותו מין ביולוגי. העברה כזו נפוצה למדי בין חיידקים (ואחראית לרבים מהמקרים של העברת גנים לעמידות לאנטיביוטיקה, למשל), אך נדירה בבעלי חיים וצמחים. הסיבה לכך היא שה-DNA שלנו מוגן היטב בגרעין שבכל תא, ולתא יש מנגנונים מיוחדים לזיהוי ולפירוק DNA זר. עם זאת, ישנם כמה מנגנונים המאפשרים העברה אופקית וכמה מקרים כאלו נצפו בבעלי חיים. החוקרים אינם יודעים כיצד בדיוק אירעה ההעברה האופקית במקרה זה, אך מכיוון שכל הגנים שנמצאו אצל הכנימות לקוחים מאותו מִקטע בגנום, הם הסיקו כי פיסת DNA זו עברה כמו שהיא מהפטרייה לכנימה. מאחר שאפשר למצוא גנים אלה גם אצל כנימות האפרסק (Myzus persicae), ואף הן עשויות להיות ירוקות או אדומות, החוקרים משערים כי מַעבר מִקבץ הגנים התרחש אצל האב הקדמון המשותף של הכנימות. לאחר המעבר, התרחשה מוטציה באחד הגנים האחראי על המרת חלק מהקרוטנואידים הירוקים לאדומים. הכנימות בעלות מוטציה זו מקבלות צבע ירוק, בעוד חסרות המוטציה מייצרות קרוטנואידים אדומים המכסים על צבע זה.

זוהי דוגמה נדירה למדי להעברה אופקית, שבה הגנים המשיכו להיות פעילים ומועילים בסביבה החדשה שבה מצאו את עצמם. כעת, כאשר יותר ויותר גנומים של בעלי חיים, צמחים ופטריות מרוצפים ומתפרסמים, אפשר לצפות שנמצא עוד דוגמאות כאלו, שבהן אבולוציה של מין-ביולוגי אחד נעזרת ב”גנֵבת” גנים שהתפתחו במין שונה לחלוטין.

המאמר המקורי:

Moran, N.A. & Jarvik, T. Lateral transfer of genes from fungi underlies carotenoid production in aphids. Science 328, 624-627 (2010). doi: 10.1126/science.1187113

הכתבה המקורית התפרסמה במגזין גליליאו גיליון 145, ספטמבר 2010