חוקרים מאוניברסיטת מישיגן סטייט מצאו שצמחי עגבניות מנצלים שני מסלולים מטבוליים נפרדים לייצור אצילסוכרים בשורשים ובטריכומים, ומציעים אסטרטגיות חדשות לעמידות טבעית למזיקים בחקלאות. קרדיט: twoday.co.il.com
במחקר חדש שפורסם לאחרונה על ידי התקדמות המדעחוקרי אוניברסיטת מישיגן סטייט חושפים גילוי גנטי בלתי צפוי לגבי הסוכרים המצויים ב"זפת עגבניות", שופכים אור על מנגנוני ההגנה של הצמחים והיישומים הפוטנציאליים שלהם בהדברת מזיקים.
זפת עגבניות, מטרד מוכר של גננים מושבעים, היא החומר הדביק והזהוב-שחור שנצמד לידיים לאחר נגיעה בצמח. מסתבר שהדביקות האופיינית של החומר משרתת מטרה חשובה. הוא עשוי מסוג סוכר הנקרא acylsugar שפועל כנייר זבוב טבעי למזיקים. "צמחים התפתחו כדי ליצור כל כך הרבה רעלים מדהימים ותרכובות אחרות פעילות ביולוגית", אמר החוקר במדינת מישיגן רוברט לאסט, מנהיג המחקר. המעבדה האחרונה מתמחה בסוכרים אציליים ובמבנים הזעירים דמויי השיער שבהם הם מיוצרים ומאוחסנים, המכונים טריכומים.
בתגלית מפתיעה, חוקרים מצאו אצילסוכרים, שפעם חשבו שהם נמצאים אך ורק בטריכומות, גם בשורשי עגבניות. הממצא הזה הוא חידה גנטית שמעלה שאלות רבות כמו תובנות.
מטרת מחקר ה-MSU הייתה ללמוד על המקורות והתפקוד של סוכרי שורש אלו. הם גילו שלא רק שצמחי עגבניות מסנתזים אצילסוכרים ייחודיים מבחינה כימית בשורשים ובטריכומות שלהם, אלא שאצילסוכרים אלה מיוצרים באמצעות שני מסלולים מטבוליים מקבילים. זוהי המקבילה לפסי ייצור במפעל רכב שמייצרת שני דגמים שונים של אותה מכונית, אך לעולם אינה מקיימת אינטראקציה.
במחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית של מדינת מישיגן, מגדלים שתילי עגבניות עבור המחקר של המעבדה האחרונה על משפחת צמחי ה-Solanaceae, הידועה גם כגלי לילה. החוקרים ניתחו הבדלים כימיים ייחודיים בין שורשים לנצר, ששניהם הכילו אצילסוכרים. קרדיט: Connor Yeck/MSU
ממצאים אלו מסייעים למדענים להבין טוב יותר את החוסן והסיפור האבולוציוני של Solanaceae, או צלילי הלילה, משפחה רחבת ידיים של צמחים הכוללת עגבניות, חצילים, תפוחי אדמה, פלפלים, טבק ופטוניות.
הם יכולים גם לספק מידע רב ערך לחוקרים המחפשים לפתח מולקולות המיוצרות על ידי צמחים לתרכובות כדי לעזור לאנושות. "מתרופות, חומרי הדברה ועד מסנני קרינה, הרבה מולקולות קטנות שבני אדם התאימו לשימושים שונים מגיעות ממירוץ החימוש בין צמחים, חיידקים וחרקים", אמר לאסט.
שורשים ויורה
מעבר לכימיקלים מרכזיים החיוניים לצמיחה, צמחים מייצרים גם אוצר של תרכובות הממלאות תפקיד מכריע באינטראקציות סביבתיות. אלה יכולים למשוך מאביקים שימושיים ומהווים את קו ההגנה הראשון מפני אורגניזמים מזיקים.
"מה שמדהים כל כך במטבוליטים המיוחדים הללו הוא שהם בדרך כלל מסונתזים בתאים ורקמות מדויקות מאוד", אמרה רייצ'ל קרווין, חוקרת פוסט-דוקטורט ב-MSU ומחברת ראשונה של המאמר האחרון.
"קח לדוגמא את האצילסוכרים. לא תמצאו אותם מיוצרים בעלים או בגבעולים של צמח עגבניות. מטבוליטי ההגנה הדביקים הללו מיוצרים ממש בקצה הטריכומה."
כאשר דווח שניתן למצוא אצילסוכרים גם בשורשי עגבניות, לקח זאת קרווין כקריאה לעבודת בילוש גנטית מיושנת.
משמאל לימין: ג'ייני הארט, רייצ'ל קרווין ורוברט לאסט מצטלמים מול ציוד אנליטי בליבת הספקטרומטריה והמטבולומיקה של אוניברסיטת מישיגן סטייט. צוות החוקרים גילה תעלומה אבולוציונית וגנטית בצמחי עגבניות. קרדיט: Connor Yeck/MSU
"הנוכחות של הסוכרים האלה בשורשים הייתה מרתקת והובילה לכל כך הרבה שאלות. איך זה קרה, איך מייצרים אותם והאם הם שונים מהטריכום האצילסוכרים שחקרנו?"
כדי להתחיל להתמודד עם החידה האבולוציונית, חברי המעבדה שיתפו פעולה עם מומחים בליבת הספקטרומטריה והמטבולומיקה של MSU וצוות במתקן תהודה מגנטית גרעינית מקס טי רוג'ס.
בהשוואה בין מטבוליטים משורשי שתילי עגבניות ונצר, הופיעו מגוון הבדלים. ההרכב הכימי הבסיסי של הסוכרים האצילים מעל הקרקע והמתחת לאדמה היה שונה במידה ניכרת, עד כדי כך שניתן היה להגדיר אותם כסוגים שונים של אצילסוכרים לחלוטין.
שוברים את המכונית
לבסוף, פרופסור מכובד באוניברסיטה במחלקה לביוכימיה וביולוגיה מולקולרית של המכללה למדעי הטבע של MSU ובמחלקה לביולוגיה של צמחים, מציע אנלוגיה שימושית כדי להסביר כיצד גנטיקאי ניגש לביולוגיה. "דמיין שאתה מנסה להבין איך מכונית עובדת על ידי שבירת רכיב אחד בכל פעם", אמר. "אם אתה משטח צמיגים של מכונית ומבחין שהמנוע עדיין פועל, גילית עובדה קריטית גם אם אתה לא יודע מה בדיוק הצמיגים עושים."
החלף חלקי רכב עבור גנים, ותקבל תמונה ברורה יותר של העבודה שהושגה על ידי המעבדה האחרונה כדי לפצח עוד יותר את הקוד בסוכרי שורש.
בהסתכלות על נתוני הרצף הגנטי הציבורי, קרווין הבחין שלרבים מהגנים המתבטאים בייצור אצילסוגר טריכום עגבניות היו קרובים בשורשים. לאחר זיהוי אנזים שנחשב לשלב הראשון בביו-סינתזה של שורש אצילסוגר, החוקרים החלו "לשבור את המכונית".
כשהם דפקו את הגן המועמד אסילסוגר לשורש, ייצור אסילסוגר שורש נעלם, והותיר את ייצור האצילסוגר של טריכום ללא פגע.
בינתיים, כאשר הגן של טריכום אצילסוגר שנחקר היטב הודח, ייצור אצילסוגר שורש המשיך כרגיל.
ממצאים אלה הציעו הוכחה בולטת לשיקוף מטבולי חשד.
"לצד מסלול ה-acylsugar מעל הקרקע שאנו חוקרים במשך שנים, כאן אנו מוצאים את היקום השני המקביל הזה שקיים מתחת לאדמה", אמר לאסט.
"זה אישר שיש לנו שני מסלולים המתקיימים במקביל באותו צמח", הוסיף קרווין.
כדי להניע את פריצת הדרך הזו, ג'ייני הארט, חוקרת פוסט-דוקטורט ומחברת שניה במאמר האחרון, הסתכלה מקרוב על הפונקציות של אנזימי טריכום ושורש.
בדיוק כפי שאנזימי טריכום והאצילסוכרים שהם מייצרים הם התאמה כימית שנחקרה היטב, היא מצאה קשר מבטיח בין אנזימי השורש גם לסוכרי השורש.
"לימוד אנזימים מבודדים הוא כלי רב עוצמה לבירור פעילותם והסקת מסקנות לגבי תפקידם התפקודי בתוך תא הצמח", הסביר הארט.
ממצאים אלו היו הוכחה נוספת למסלולים המטבוליים המקבילים הקיימים בצמח עגבנייה בודד.
"צמחים ומכוניות הם כל כך שונים, אך דומים בכך שכשאתה פותח את מכסה המנוע הפתגם אתה מודע לשפע החלקים והחיבורים שגורמים להם לתפקד. עבודה זו מעניקה לנו ידע חדש על אחד מאותם חלקים בצמחי עגבניות ומעוררת מחקר נוסף על האבולוציה והתפקוד שלו והאם נוכל לעשות בו שימוש בדרכים אחרות", אמר Pankaj Jaiswal, מנהל תוכנית בקרן הלאומית למדע בארה"ב. שמימן את העבודה.
"ככל שנלמד יותר על יצורים חיים – מעגבניות וגידולים אחרים ועד לבעלי חיים וחיידקים – כך גדלות ההזדמנויות להשתמש בלמידה זו כדי להועיל לחברה", הוסיף.
אשכולות בתוך אשכולות
המאמר מדווח גם על תפנית מרתקת ובלתי צפויה הנוגעת לצבירי גנים ביו-סינתטיים, או BGCs.
BGCs הם אוספים של גנים המקובצים פיזית על הכרומוזום ותורמים למסלול מטבולי מסוים. בעבר, המעבדה האחרונה זיהתה BGC המכיל גנים הקשורים לטריכום אצילסוכרים בצמחי עגבניות. קרווין, הארט ומשתפי הפעולה שלהם גילו כעת שהאנזים האצילסוגר שבא לידי ביטוי בשורש שוכן באותו אשכול.
"בדרך כלל ב-BGCs, הגנים באים לידי ביטוי באותן רקמות ובתנאים דומים", אמר קרווין. "אבל כאן, יש לנו שתי קבוצות נפרדות אך מקושרות זו לזו של גנים. חלקם מתבטאים בטריכומות, וחלקם מתבטאים בשורשים".
גילוי זה הוביל את קרווין לצלול לתוך המסלול האבולוציוני של הסולניים מִין, עם תקווה לזהות מתי וכיצד התפתחו שני מסלולי האצילסוגר הייחודיים הללו. באופן ספציפי, החוקרים הסבו את תשומת הלב לרגע לפני כ-19 מיליון שנה שבו הוכפל האנזים האחראי לטריכום אצילסוכרים. אנזים זה יהיה יום אחד אחראי למסלול האצילסוגר החדש שהתגלה לאחרונה.
המנגנון המדויק ש"הפעיל" את האנזים הזה בשורשים נותר לא ידוע, מה שסלל את הדרך למעבדה האחרונה להמשיך ולפרוק את הסודות האבולוציוניים והמטבוליים של משפחת נר הלילה.
"העבודה עם Solanaceae מספקת כל כך הרבה משאבים מדעיים, כמו גם קהילה חזקה של חוקרים", אמר קרווין.
"בגלל חשיבותם כגידולים ובגננות, אלה צמחים שבני אדם דאג להם במשך אלפי שנים."
עבור Last, פריצות הדרך הללו הן גם תזכורת לחשיבותם של חומרי הדברה טבעיים, שבסופו של דבר מייצגים מטבוליטים הגנה כמו אצילסוכרים.
"אם נגלה שסוכרי השורש הללו יעילים בדחיית אורגניזמים מזיקים, האם ניתן לגדל אותם לגלי לילה אחרים, ובכך לעזור לצמחים לצמוח ללא צורך בקוטלי פטריות סינתטיים וחומרי הדברה מזיקים?" נשאל אחרון.
"אלה הן שאלות בבסיס החתירה של האנושות למים טהורים יותר, מזון בטוח יותר והסתמכות מופחתת על כימיקלים סינתטיים מזיקים."
