חיזוק בריאות הצמחים: תפקיד החלפת הגנים עם חיידקים

מחקר חדש חשף כיצד צמחים וחיידקים מחליפים גנים כדי לחזק את בריאות והתפתחות הצמחים. גנים אלה משפיעים על תהליכים מרכזיים כמו חילוף חומרים של פחמימות וסינתוז הורמונים

מחקר חדש חשף כיצד צמחים וחיידקים מחליפים גנים כדי לחזק את בריאות והתפתחות הצמחים. הצוות גילה 75 גנים שהועברו בין צמחים קטנים ומהירי צמיחה (Arabidopsis thaliana) ובין חיידקים המלווים אותם, ומשפיעים על תהליכים מרכזיים כמו חילוף חומרים של פחמימות וסינתזת הורמונים. ממצא זה לא רק מעמיק את הבנתנו את הביולוגיה של הצמחים, אלא גם פותח אפשרויות מרתקות לשיפור חסינות וגידול הצמחים באמצעות טכנולוגיות ביוטכנולוגיות מתקדמות.

המחקר, בהובלת ד"ר אסף לוי מהמכון למדעי הסביבה באוניברסיטה העברית, בשיתוף עם ד"ר יוליה פרידמן, ד"ר היטאישי חנדל, פרופ' סיגל סבלדי-גולדשטיין מהפקולטה לביולוגיה בטכניון, מגלה העברה גנטית אופקית בין ממלכתית (HGT) דינמית שעשויה לשנות את הבנתנו את הביולוגיה של הצמחים והחיידקים ואת הפרקטיקות החקלאיות.

העבודה פורסמה בכתב העת ISME Communications.

צמחים מסתמכים על קהילה מורכבת של חיידקים החשובה לבריאותם והתפתחותם. הצוות המחקרי הניח ואישר כי הקשר הקרוב והוותיק בין צמחים למיקרוביום שלהם מאפשר את התופעה הנדירה של העברה גנטית אופקית, שבה גנים מועברים ישירות בין מינים שונים.

בגילוי חדש, ד"ר לוי וצוותו זיהו 75 גנים ייחודיים שהועברו אופקית בין Arabidopsis thaliana, צמח מודל שנחקר רבות, ובין חיידקים. הצמחים רכשו 59 גנים מהחיידקים והחיידקים רכשו לפחות 16 גנים מהצמחים במהלך האבולוציה. גנים אלה משפרים בעיקר את חילוף החומרים של פחמימות וביוסינתזה של אוקסין, החיוניים לוויסות גידול הצמחים ולתגובות חיסוניות.

לדוגמה, קבוצה מסוימת של חיידקים, Streptomyces, רכשה מצמחים גן המאפשר להם לפרק כיטין, תרכובת המצויה בחרקים ובפטריות. בנוסף, המחקר זיהה 111 גנים שהועברו בין חיידקים לאאוקריוטים בכלל (לא בהכרח צמחים).

יתר על כן, המחקר אישר ממצאים אלה על ידי הדגמה שגן חיידקי מהמערכת Actinobacteria, כאשר בוטא ב-Arabidopsis, תיקן פגמים בצמיחה הקשורים למוטציה של גן DET2 בצמח. DET2 הוא חיוני לסינתזת הורמון צמחי מסוג ברסינו-סטרואיד. הורמונים אלה חיוניים לגידול ופיתוח הצמח.

צמח החסר את גן DET2 הוא צמח ננסי. עם זאת, על ידי ביטוי הגן החיידקי הדומה ל-DET2 בתוך הצמחים, הצליחו החוקרים לקבל צמח בגודל נורמלי, והדגימו שלשני הגנים יש אותה פונקציה.

"מחקר זה מדגיש את המורכבות של האינטראקציות בין צמחים למיקרובים והופתענו שגנים נרכשו על ידי אורגניזמים המרוחקים כל כך על עץ החיים, כמו חיידקים וצמחים. גן חיידקי שנרכש על ידי צמח צריך לעבור שינויים מסוימים כדי להיות פעיל בתוך תאי הצמח. יהיה מעניין לחקור את המנגנונים שבאמצעותם הגנים נרכשים ומתפתחים. המחקר פותח דרכים חדשות ליישומים ביוטכנולוגיים בחקלאות", אמר ד"ר לוי.

"הבנה וניצול של ההעברות הגנטיות הללו יכולים להוביל לאסטרטגיות חדשניות לשיפור חסינות וגידול הצמחים אם נבין מדוע וגם איך גנים מסוימים הועברו. זה גם מרתק אם חיידקים מחליפים גנים עם אורגניזמים אחרים כמו בעלי חיים, כולל בני אדם."

עם האתגרים ההולכים וגדלים העומדים בפני החקלאות העולמית כתוצאה משינויי אקלים וגידול האוכלוסייה, יש צורך דחוף בחדשנות המשפרת את חסינות וגידול הצמחים. לפי תחזיות, התקדמות באינטראקציות בין צמחים למיקרובים יכולה להגדיל את הייצור העולמי של מזון במידה משמעותית, תוך מענה לדרישה הגוברת לביטחון תזונתי. כיום, המגזר החקלאי מוציא מיליארדי דולרים מדי שנה על לחימה במחלות צמחים ולחצים סביבתיים.

למאמר המדעי

עוד בנושא באתר הידען:

• זה כאילו הצוואר הארוך של הג’ירפה עובר לברווז -העברה רוחבית של גנים
• חיישן להרכב מזון וחומרים שונים, בהשראת דג הפסים הצבעוני
• מחקר חדש: למה התפתחה הרבייה המינית, ודווקא היא?
• העברה רוחבית של גנים: במבחן האבולוציה מותר להעתיק