מחקר של USC מגלה שצמחים משתמשים בשעונים הצירקדיים שלהם ובחלבון ספציפי, ABF3, כדי לנהל מתח סביבתי, ומציע גישות חדשות לפיתוח יבולים עמידים לבצורת ולמליחות הקרקע. מחקר זה סולל את הדרך ליבולים משופרים גנטית, העלולים להגביר את החוסן והתפוקה מול שינויי האקלים.
מחקר עדכני מגלה שצמחים משתמשים במקצבים הצירקדיים הפנימיים שלהם כדי להסתגל לתנודות בזמינות המים וברמות המלחים, ומציגים אסטרטגיה חדשה לפיתוח יבולים שיכולים לעמוד בתנאי בצורת.
שינויי האקלים משפיעים כיום על הפריון החקלאי ועשויים להוות בסופו של דבר סיכון ניכר לביטחון המזון העולמי. פיתוח גידולים עמידים יותר, המסוגלים לעמוד בתנאים כמו בצורת או מליחות קרקע מוגברת, הופך להיות צורך דחוף.
מחקר חדש מבית הספר לרפואה Keck של USC, במימון חלקי על ידי ה המכונים הלאומיים לבריאות, חושף פרטים על האופן שבו צמחים מווסתים את תגובותיהם ללחץ שעלול להתברר כמכריע למאמצים אלה. חוקרים מצאו שצמחים משתמשים בשעונים הצירקדיים שלהם כדי להגיב לשינויים ברמות המים והמלח החיצוניים במהלך היום. אותו מעגל – לולאת משוב אלגנטית הנשלטת על ידי חלבון המכונה ABF3 – עוזרת גם לצמחים להסתגל לתנאים קיצוניים כמו בצורת. התוצאות פורסמו לאחרונה בכתב העת הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.
"השורה התחתונה היא שצמחים תקועים במקומם. הם לא יכולים להתרוצץ ולשתות מים. הם לא יכולים לעבור לצל כשהם רוצים או הרחק מאדמה שיש בה עודף מלח. בגלל זה, הם התפתחו להשתמש בשעונים הצירקדיים שלהם כדי למדוד ולהסתגל בצורה מעולה לסביבה שלהם", אמר המחבר הבכיר של המחקר, סטיב א.קיי, דוקטורט, אוניברסיטה ופרופסור פרופסור לנוירולוגיה, הנדסה ביו-רפואית וביולוגיה חישובית כמותית ב- בית הספר לרפואה Keck ומנהל ה- USC מרכז מיכלסון למדע ביולוגי מתכנס.
תמונה ביולוגית של שתילי ארבידופסיס המבטאים גנים של כתבי שעון יממה בתגובה ללחץ מים." קרדיט: מעבדת ד"ר טונג ליאנג/קיי, USC
הממצאים מבוססים על שורה ארוכה של מחקרים מהמעבדה של קיי על תפקידם של חלבוני השעון הצירקדי בצמחים ובבעלי חיים כאחד. חלבוני שעון, המווסתים שינויים ביולוגיים במהלך היום, עשויים לספק פתרון ממולח לאתגר מתמשך בהנדסת גידולים. יצירת צמחים עמידים לבצורת היא קשה, מכיוון שצמחים מגיבים ללחץ על ידי האטת הצמיחה וההתפתחות של עצמם – תגובת לחץ מוגזמת פירושה צמח בעל ביצועים לא טובים.
"יש איזון עדין בין הגברת סבילות הלחץ של הצמח תוך מיקסום הצמיחה והתפוקה שלו", אמר קיי. "פתרון האתגר הזה נעשה דחוף יותר בגלל שינויי האקלים."
מציאת לולאת המשוב
מחקר ביולוגי קודם של צמחים הראה שחלבוני השעון מווסתים כ-90% מהגנים בצמחים והם מרכזיים בתגובתם לטמפרטורה, לעוצמת האור ולאורך היום, כולל שינויים עונתיים הקובעים מתי הם פורחים. אבל שאלה אחת גדולה בולטת הייתה האם וכיצד חלבוני השעון שולטים באופן שבו צמחים מטפלים ברמות מליחות המים והקרקע המשתנות.
כדי לחקור את הקשר, קיי וצוותו חקרו את ארבידופסיס, צמח נפוץ במחקר מכיוון שהוא קטן, בעל מחזור חיים מהיר, גנום פשוט יחסית וחולק תכונות וגנים משותפים עם גידולים חקלאיים רבים. הם יצרו ספרייה של יותר מ-2000 גורמי התעתוק של ארבידופסיס, שהם חלבונים השולטים באופן שבו גנים באים לידי ביטוי בנסיבות שונות. גורמי שעתוק יכולים לספק תובנות מפתח לגבי ויסות של תהליכים ביולוגיים. לאחר מכן בנו החוקרים צינור לניתוח נתונים כדי לנתח כל גורם תמלול ולחפש אסוציאציות.
"קיבלנו הפתעה גדולה מאוד: שרבים מהגנים שהשעון מווסת היו קשורים לתגובות בצורת", אמר קיי, במיוחד אלה השולטים בהורמון האבסקיס. חוּמצָהסוג של הורמון לחץ שצמחים מייצרים כאשר רמות המים גבוהות מאוד או נמוכות מאוד.
הניתוח גילה שרמות החומצה האבססיסית נשלטות על ידי חלבוני שעון כמו גם גורם השעתוק ABF3 במה שקיי מכנה "לולאת משוב הומאוסטטית". במהלך היום, חלבוני השעון מווסתים את ABF3 כדי לעזור לצמחים להגיב לרמות המים המשתנות, ואז ABF3 מזין מידע בחזרה לחלבוני השעון כדי לשמור על תגובת הלחץ בשליטה. אותה לולאה עוזרת לצמחים להסתגל כאשר התנאים הופכים קיצוניים, למשל במהלך בצורת. נתונים גנטיים חשפו גם תהליך דומה לטיפול בשינויים ברמות מליחות הקרקע.
"מה שבאמת מיוחד במעגל הזה הוא שהוא מאפשר לצמח להגיב ללחץ חיצוני תוך שמירה על תגובת הלחץ שלו תחת שליטה, כך שהוא יכול להמשיך לגדול ולהתפתח", אמר קיי.
הנדסת יבולים טובים יותר
הממצאים מצביעים על שתי גישות חדשות שעשויות לעזור להגביר את עמידות היבול. ראשית, מגדלים חקלאיים יכולים לחפש ולבחור מגוון גנטי טבעי במעגל ABF3 הצירקדי המעניק לצמחים יתרון קל בתגובה ללחץ מים ומליחות. אפילו עלייה קטנה בחוסן יכולה לשפר באופן משמעותי את תפוקת היבול בקנה מידה גדול.
קיי ועמיתיו מתכננים גם לחקור גישת שינוי גנטי, תוך שימוש ב-CRISPR כדי להנדס גנים המקדמים ABF3 על מנת לעצב צמחים בעלי עמידות גבוהה לבצורת.
"זו יכולה להיות פריצת דרך משמעותית בחשיבה על איך להתאים צמחי יבול להיות עמידים יותר לבצורת", אמר קיי.
עבודה זו נתמכת על ידי המכון הלאומי למדעי הרפואה הכלליים של המכונים הלאומיים לבריאות (R37 GM067837).
