במחקר חדש התגלה כי כאשר צמחים מתאוששים מיובש, הם מפעילים תגובה חיסונית שמגינה עליהם מפני פתוגנים – עוד לפני שהם שבים להשקיע משאבים בצמיחה מחודשת.
פרסומת
יובש הוא מתנאי הסביבה המאיימים ביותר על החקלאות כיום. בתנאי יובש צמחים רבים מאיטים את קצב גידולם כדי לחסוך במים, וכתוצאה מכך היבול פוחת במידה משמעותית [1]. למרות שתחום זה נחקר במשך שנים רבות ויש לנו ידע רב על תהליכי ההתמודדות של צמחים עם יובש, במחקר עדיין מתקשים לפתח זני צמחים שיהיו עמידים ליובש ויעמדו בסטנדרטים חקלאיים – זנים יציבים בתנאי שדה, המניבים לפחות כמו הזנים המסחריים המוצלחים.
במחקר שפרסמנו לאחרונה בעיתון Nature Communications התמקדנו בשלב פחות נחקר של התמודדות הצמחים עם שינויים בזמינות המים – השלב שבו אספקת המים מתחדשת לאחר תקופת יובש [2]. השתמשנו בצמח המודל תודרנית לבנה (Arabidopsis thaliana), המקביל הבוטני של מודל עכבר המעבדה במחקר ביולוגי טיפוסי.
תחילה בחנו אם ישנם גנים המופעלים רק בתהליך ההתאוששות מיובש. גילינו כי יש יותר מ־3,000 גנים אשר אינם מתבטאים בתגובה ליובש, אלא דווקא בתגובה להחזרת ההשקיה, בעת ההתאוששות. תגובה זו נבחנה בשמונה נקודות זמן, מ־15 דקות ועד 48 שעות לאחר החזרת ההשקיה. כך יכולנו לעקוב אחר השינויים בביטויי הגנים בטווחי זמן קצרים וארוכים במהלך ההתאוששות.
לאחר מכן רצינו לבדוק אם תאים מסוגים שונים בעלה מגיבים באופן שונה להחזרת ההשקיה. לשם כך השתמשנו בשיטה המאפשרת ריצוף RNA ברמת תא בודד (single-cell RNA-seq).
מה פירוש 'סוגי תאים בעלה'? בעלה יש כמה רקמות, ובכל רקמה תאים מסוגים שונים. למשל, ברקמת האפידרמיס, הרקמה החיצונית של העלה, נמצאים, בין היתר, "טריכומות" – תאים דמויי־שיער, וכן "תאי שמירה" – תאים האחראים לפתיחה וסגירה של הפיוניות, שהן נקבים קטנים בעלה אשר מאפשרים אידוי מים וכניסה של פחמן דו־חמצני, הדרוש לתהליך הפוטוסינתזה.
לאחר שלמדנו אילו תאים מפעילים אילו גנים בתגובה ליובש ולהתאוששות ממנו, השתמשנו בשיטה מעניינת שאפשרה לנו לראות היכן בדיוק הגנים האלה מתבטאים – ממש על גבי רקמת העלה. באמצעות שיטה זו, הנקראת MERFISH, יכולנו לבחון את המיקום הפיזי המדויק של ביטוי הגנים בתגובה ליובש ובהתאוששות ממנו – ולא של גן בודד, אלא של אלף גנים בו־זמנית! (ראו דוגמה לביטוי של שלושה גנים בתמונה 1.)
ממצא מסקרן במיוחד שעלה במחקר, היה שרבים מן הגנים שהופעלו בדקות שמיד לאחר החזרת ההשקיה הם גנים הקשורים למערכת החיסון של הצמח. הופתענו לגלות כי גנים אלו הופעלו כחלק מתחילת תהליך ההתאוששות מיובש, גם בהיעדר פתוגנים בסביבה. כלומר, הצמח הפעיל מעין תגובת חיסון מונעת בתחילת ההתאוששות מתקופת היובש.
תמונה 1: ביטוי גנים בעלה לאחר תקופת יובש (למעלה) ו-15 דקות לאחר מכן, בעת התאוששות מיובש (למטה). למעלה: חתך רוחב של עלה שהיה תחת תנאי יובש במשך שבעה ימים. למטה: חתך רוחב של עלה לאחר 15 דקות מהחזרת השקייה (התאוששות מיובש). כל נקודה בחתכים המתוארים מייצגת תעתיק של גן. הצבעים השונים (סגול, ירוק, וכחול) מייצגים שלושה גנים שונים בעלי ביטוי ספציפי בשלב הראשוני של החזרת ההשקיה. קרדיט: נתנאלה אילוז-אליעז.
אבל למה בעצם הצמח משקיע אנרגיה בהפעלת מערכת החיסון בשלב זה? מתברר ממחקרים קודמים כי בתנאי יובש הצמח משתיק גנים הקשורים למערכת החיסון [3]. גם הפיוניות, שהזכרנו קודם, קשורות לכך: בתנאים מיטביים, תאי השמירה של הפיוניות נפתחים ונסגרים במהלך היום כדי לשמור על מאזן מים תקין בצמח. בתקופות יובש, כאשר זמינות המים מוגבלת, תאי השמירה נסגרים כדי למנוע איבוד מים. לאחר גשם או השקיה הצמח פותח מחדש את הפיוניות, וכך הוא מאפשר את חידוש זרימת המים מהשורש אל חלקי הצמח העליונים. אך פתיחה זו יוצרת גם נקודת תורפה – היא מאפשרת לפתוגנים לחדור אל תוך רקמות העלה, למשל מטיפות גשם שעלולות להכיל מיקרואורגניזמים שונים [4], חלקם מזיקים לצמח. כלומר, שלב ההתאוששות מיובש אינו רק רגע של חיים מחודשים, אלא גם שלב שבו הצמח פגיע במיוחד (תמונה 2). אם כן, ההשערה היא שהצמחים פיתחו מערכת הגנה מונעת המגינה עליהם מפני הדבקה בפתוגנים בעת ההתאוששות מיובש.
ממצא חשוב נוסף: כאשר עקבנו אחר הצמחים לאורך זמן במהלך ההתאוששות מיובש, מצאנו כי הגנים הקשורים לגדילה ולהתארכות של תאים בצמח מופעלים רק כשעתיים לאחר החזרת ההשקייה, ורק לאחר הפעלתה של מערכת החיסון. נראה כי הצמח מתמקד תחילה בהגנה ובמניעה, ורק לאחר מכן מפנה משאבים לגדילה ולהתפתחות תקינה.
תמונה 2. מודל המתאר את היחס בין זמינות המים להפעלת מערכת החיסון של הצמח. בתנאים מיטביים של השקיה (משמאל) יש מאזן בין מערכת החיסון של הצמח לבין הגורמים הביוטיים שאליהם הוא חשוף לבין הגורמים הביוטיים שאליהם חשופים חלקי הצמח השונים – השורש והחלקים שמעל לפני הקרקע. בזמן יובש (באמצע), כאשר זמינות המים יורדת, מערכת החיסון של הצמח מושתקת, והפיוניות בעלה נסגרות. סביבה יבשה אינה אידיאלית עבור פתוגנים – הן מבחינת הדבקה של הצמח והן מבחינת גדילה. בשלב התאוששות מיובש, כלומר לאחר החזרת ההשקיה (מימין), יש פתיחה מהירה של הפיוניות, בעוד מערכת החיסון מוחלשת בשל עקת היובש, ומגוון פתוגנים מגיעים עם זרמי המים לרקמת העלה המתאושש. תנאים אלו אלה מציבים את העלה בסכנה ברגעים הראשונים של תהליך ההתאוששות. הגנים שמצאנו שמופעלים מיד בתגובה להחזרת ההשקיה, קשורים ככל הנראה להפעלה של מערכת החיסון בשלב זה, שבו הצמח רגיש להדבקה. קרדיט: Rob Soto
למה כל זה חשוב? יובש הוא אחד האיומים המרכזיים על החקלאות בעידן של שינויי אקלים. גם אם צמח מצליח לשרוד תקופה יבשה, הוא עלול להיפגע דווקא עם חידוש ההשקיה – אולי בגלל פתוגנים, אולי בשל קושי כללי לחזור לתצורת גידול מיטבית ויצרנית, ואולי משתי הסיבות גם יחד. הבנה מעמיקה של תהליכי ההתאוששות מיובש ושל האופן שבו הצמח מפעיל את "מערכת החיסון המונעת" שתיארנו פה עשויה לאפשר פיתוח זנים חדשים של גידולים כגון חיטה, אורז, תירס ואחרים – זנים שיהיו לא רק עמידים יותר ליובש אלא גם חסינים יותר למחלות, וכך יוכלו להניב יבול יציב יותר בתנאי סביבה משתנים.
נתנאלה אילוז־אליעז היא חוקרת בתר־דוקטורט במכון סאלק שבקליפורניה. מחקרה עוסק בשאלה כיצד צמחים מתמודדים עם עקות סביבתיות, ובייחוד עם יובש, ומהי השפעתן המתמשכת של עקות, גם לאחר שהן חולפות. היא מנסה לגלות מנגנונים שאינם מוכרים כיום למדע, שבאמצעותם הצמחים מצליחים להתאושש מעקות, וזאת בשאיפה להבין איך אפשר לפתח גידולים עמידים וחסינים יותר בעולם המתמודד עם אקלים קיצוני.
עריכה: סמדר רבן
מקורות והרחבות
