שיטת העברת ה-DNA המוצגת כוללת שימוש במזרק כדי להחדיר זן ספציפי של חיידק לסטיגמת הפטוניה כדי להפעיל גנים ממוקדים, ואז לבודד את החלבונים שנוצרו. קרדיט: תמונה של Purdue Agricultural Communications/טום קמפבל
סמן חזותי בפרחי פטוניה שופך אור על תהליך שאינו ידוע.
צוות מחקר בראשות אוניברסיטת פרדו החל לתרגם את השפה המולקולרית המורכבת של פטוניות. הדקדוק ואוצר המילים של שפה זו חבויים עמוק בתוך אינספור חלבונים ותרכובות אחרות המאכלסות את תאי הפרחים.
בהיותם מושרשים לאדמה, צמחים אינם יכולים לברוח מחרקים, פתוגנים או איומים אחרים על הישרדותם. אבל מדעני צמחים יודעים זה מכבר שהם אכן שולחים אזהרות זה לזה באמצעות כימיקלים ריחניים הנקראים תרכובות אורגניות נדיפות.
"הם משתמשים בחומרים נדיפים כי הם לא יכולים לדבר", אמרה נטליה דודרבה, פרופסור נכבד לביוכימיה וגננות ואדריכלות נוף ב-Purdue. "צמחים מודיעים לצמחים שכנים על התקפות פתוגנים. זה נראה כמעט כמו חיסון. בתנאים רגילים, אתה לא רואה שום שינויים במפעל המקלט. אבל ברגע שצמח קולט נדבק, הוא מגיב הרבה יותר מהר. זה מוכן לתגובה".
מדעני צמחים יודעים מזה זמן רב על התחלת החיסון הזו, אך עד לפני מספר שנים לא הייתה להם דרך לחקור את התהליך. הם נזקקו לסמן שמראה שהצמחים זיהו את התרכובות הנדיפות.
תגליות חדשות בתחום איתות צמחים
דודרבה ו-13 מחברים משותפים מתארים פרטים חדשים על תהליך האיתור במאמר שפורסם לאחרונה בכתב העת מַדָע. הצוות כולל חוקרים מ-Purdue, Université Jean Monnet Saint-Etienne בצרפת ומאוניברסיטת קליפורניה-דייוויס.
המועמדת לדוקטורט שאנון סטירלינג במעבדה של נטליה דודרבה, מעבירה DNA לתוך פטוניה באמצעות מזרק כדי להחדיר חיידק לסטיגמה כדי להפעיל גנים ממוקדים, ולאחר מכן לבודד את החלבונים שנוצרו. קרדיט: תמונה של Purdue Agricultural Communications/טום קמפבל
מדענים יודעים מעט על קולטני צמחים לחומרים נדיפים. גם ליונקים ולחרקים יש אותם, אבל האופן שבו הם תופסים חומרים נדיפים שונה מכדי לעזור לחוקרים לחקור את התהליך בצמחים, אמר דודרבה.
צוות מחקר בראשות מדענים מאוניברסיטת פרדו תיעד פרטים חדשים על האופן שבו פטוניות משתמשות בתרכובות אורגניות נדיפות כדי לתקשר.
תפקידם של חומרים נדיפים בהגנת הצומח
בשנת 2019, בכתב העת ביולוגיה כימית של הטבע, דודרבה ושותפיה פרסמו את גילוים של תהליך פיזיולוגי חדש, "חיטוי טבעי כמנגנון להובלה נדיפה בין איברי פרחים". המחקר תיאר כיצד הצינורות הפרחוניים של הצמח מייצרים תרכובות נדיפות כדי לעקר את הסטיגמה שלהם, החלק של הפיסטיל שאוסף אבקה, כדי להגן מפני התקפה על ידי פתוגנים.
"יש הרבה סוכרים על הסטיגמה, במיוחד בפטוניות. זה אומר שחיידקים יגדלו יפה מאוד בלי שהחומרים הנדיפים האלה יהיו נוכחים", אמר דודרבה. "אבל אם הסטיגמה לא מקבלת חומרים נדיפים המיוצרים בצינור, היא גם קטנה יותר. זו הייתה תקשורת בין איברים. עכשיו היה לנו סמן טוב – גודל סטיגמה – לחקור את תהליך התקשורת הזה".
צוות מחקר בראשות מדענים מאוניברסיטת Purdue תיעד פרטים חדשים על האופן שבו פרחי פטוניה משתמשים בתרכובות אורגניות נדיפות כדי לתקשר. קרדיט: תמונה של Purdue Agricultural Communications/טום קמפבל
מדידות שנעשו מתצלומים הראו הבדלים סטטיסטיים בגודל הסטיגמה בחשיפה לחומרים נדיפים, אמרה המחברת הראשית של מחקר המדע, שאנון סטירלינג, דוקטורנט. סטודנט לגננות ואדריכלות נוף בפורדו. "אפשר לראות שזו מגמה עקבית", אמרה. "לאחר שהסתכלת על מספיק סטיגמות, אתה יכול לראות בעין שיש הבדל קל בגודל."
פריצת דרך בהבנת תגובות הצמח
בשילוב עם המניפולציה הגנטית של החלבונים הפוטנציאליים המעורבים, העבודה חשפה באופן מפתיע שמסלול איתות דמוי קאריקין שיחק תפקיד מפתח באיתות תאי פטוניה.
"קאריקין לא מיוצר על ידי צמחים," אמר סטירלינג. "הם נוצרים כאשר צמחים נשרפים, והצמחים שלנו מעולם לא נחשפו לעשן או לאש."
הצוות גם תיעד את החשיבות של המסלול דמוי הקאריקין בזיהוי ססקוויטרפנים נדיפים. צמחים רבים משתמשים בססקוויטרפנים כדי לתקשר עם צמחים אחרים, בין היתר.
באופן מפתיע, הקולטן לקריקין שזוהה הראה את היכולת לתפוס סלקטיבית איתות מסוג אחד של תרכובת ססקוויטרפן אך לא תמונת המראה שלו, תכונה הנקראת "סטריאוספציפיות". נראה שהקולטן סלקטיבי מאוד לתרכובת, אמר מחבר המחקר מתיו ברגמן, חוקר פוסט-דוקטורט בביוכימיה ב-Purdue.
"המפעל מייצר תרכובות נדיפות רבות ושונות וחשוף להרבה אחרות", אמר ברגמן. "זה די מדהים עד כמה הקולטן הזה סלקטיבי וספציפי באופן בלעדי לאות הזה שנשלח מהצינורות. ספציפיות כזו מבטיחה שאף אותות נדיפים אחרים לא מסתדרים. אין איתות שווא."
אתגרים מתודולוגיים וחידושים
עבור סטירלינג, המחקר דרש שליטה בשיטה קפדנית לשינוי זמני של רמות החלבונים של הפטוניה כדי לזהות את האינטראקציות של חלבון קולטן האותות. "זבלונים וסטיגמות הם קטנים. קצת קשה לעבוד איתם בגלל הגודל שלהם", אמרה. "אפילו הכמות העצומה של סטיגמות שאתה צריך כדי לקבל מספיק דגימה לכל דבר היא די גדולה כי הן לא שוקלות הרבה."
שיטה זו כללה הזרקת מסויים מִין של חיידק לתוך הסטיגמה כדי להכניס גנים ממוקדים, ואז לבודד את החלבונים שנוצרו.
"זה לא קל לתפעל איבר כל כך קטן", ציין ברגמן. "אבל שאנון הצליחה לדקור בעדינות את הסטיגמה עם מזרק ולהסתנן אליה עם החיידק הזה בצורה כל כך עדינה. היא די מומחית בזה".
הפטוניות הן לעתים קרובות בצבעים עזים ומריחות נעים, אך מדעני Purdue מעריכים אותן גם משום שהן משמשות כמערכת מודל פורייה למחקר שלהן.
"הם הוכיחו שהם די פוריים עד כה", אמר ברגמן.
