הגן שיסייע במאבק מול החילדון הצהוב הפוגע בחיטה

לראשונה התגלתה משפחת גנים שנמצאת ברוב המשפחות של צמחי המאכל ותפקידה להילחם במחלות שפוגעות בצמח כך עולה ממחקר חדש, שנערך במכון לאבולוציה של אוניברסיטת חיפה. המחקר גם הדגים את היישום הראשון של הממצאים: העברה של הגן Yr15, השייך למשפחה זו ומקורו בחיטת הבר ("אם החיטה" שגילה אהרון אהרונסון), לתוך זנים מודרניים של חיטת לחם וחיטת פסטה, על מנת להקנות להם עמידות כנגד מחלת החילדון הצהוב של החיטה הגורמת נזק של מיליארד דולר בשנה ברחבי העולם.

חיטה שנפגעה(צילום: מתוך המחקר)

"התגלית שלנו היא תוצאה של מחקר שארך כ-25 שנים בחיטת הבר, אבל ברגע שהצלחנו לפענח ולרצף את הגן שמעניק עמידות למחלת החילדון הצהוב בחיטת הבר, הצלחנו לגלות גנים שבנויים ופועלים בצורה דומה כמעט בכל צמחי המאכל הקיימים", אמר פרופ' ציון פחימה, שעמד בראש המחקר. "זוהי פריצת דרך אמיתית הפותחת אפשרויות חדשות להפחתת הנזקים הנגרמים ליבולים של צמחי מאכל כחלק מהמאבק להבטיח את אספקת המזון העולמית".

בשנה האחרונה הצליחו קונסורציומים רבי משתתפים של מדענים מכל העולם, כולל חוקרים מאוניברסיטת חיפה ואוניברסיטת תל-אביב, לפענח את הגנומים של החיטה התרבותית וחיטת הבר. כבר בשלבים מוקדמים של המחקר הכריזו החוקרים כי ריצוף גנום החיטה יאפשר להם לזהות גנים חשובים במהירות יחסית, ובכך להגיע לקפיצות דרך משמעותיות במאבק במשבר הרעב המאיים על האנושות. כעת, כעבור חודשים ספורים בלבד, מציג פרופ' פחימה, שהיה נציג ישראל בקונסורציום הבינלאומי, כיצד פיענוח גנום החיטה סייע לו להשלים מחקר עליו הוא עומל במשך כ-25 שנים: מציאת דרכים לפתח זני חיטה שעמידים למחלות הרסניות.

חיטה שנפגעה(צילום: מתוך המחקר)

מחלת החילדון הצהוב היא מחלה הנגרמת על ידי פטריה טפילית, שגורמת להפסד של כחמישה מיליון טון חיטה בשנה, נזק שנאמד בכמיליארד דולר בשנה. באוניברסיטת חיפה הסבירו כי הגן Yr15, שמקורו בחיטת הבר, מעניק לחיטה עמידות כנגד כ-3,000 גזעים של הפטריה הטפילית שגורמת למחלה, אלא שגן זה לא נמצא בזנים של החיטה התרבותית. כיום, כתוצאה מהופעת זנים אלימים חדשים של הפטרייה שגורמת למחלה, כ-90% מזני החיטה התרבותית עלולים להיפגע מהמחלה, מה שמעמיד בסכנה את אספקת המזון העולמית, כיוון שחיטה מספקת כ-20% מצריכת החלבונים והקלוריות בתפריט שלנו.

אולם, למרות שהחוקרים ידעו שהגן Yr15 מעניק עמידות למחלה, גודלו העצום של גנום החיטה - הבנוי מכ-16 מיליארד אותיות - הפך את המשימה למציאת הרצף המדויק של הגן לכמעט בלתי אפשרית. "על מנת לגלות את מנגנון הפעולה של הגן, לא מספיק לדעת שקיים גן האחראי על התכונה. גילוי המנגנון מחייב מיפוי מדוייק של הגן שמאפשר למצוא את מיקומו בתוך הגנום הענק של חיטה - פי 5 מהגנום האנושי - וזיהוי ודאי של רצף האותיות המרכיבות אותו שמהוות את הקוד הגנטי השולח את הפקודות הנדרשות להפעלת העמידות כנגד המחלה. אינפורמציה זו מאפשרת להחדיר את הגן לזני חיטה אחרים, או להעביר אותו ביעילות בשיטות טיפוח קלאסיות", הסביר פרופ' אברהם קורול מהמכון לאבולוציה באוניברסיטת חיפה.

רצף של 4,500 אותיות

כאמור, כבר 25 שנים עמל פרופ' פחימה על ריצף הגן Yr15, וכעת במחקר שנערך יחד עם תלמידי המחקר ולנטינה קלימיוק, אליצור יניב, הואנג לין, דינה ראטס ואנדרי פטיוחה, ובשיתוף עם חוקרים אחרים בארץ ובעולם, המשימה סוף-סוף הושלמה. החוקרים מצאו כי הגן נמצא על כרומוזום 1B של חיטה והם הצליחו לקבוע את הרצף של 4,500 האותיות המרכיבות את הגן.

חיטה שנפגעה(צילום: מתוך המחקר)

עוד הם מצאו כי הגן מורכב משני חלבונים (קינאז-פסיאודוקינאז). "ברגע שהצמח נפגע על ידי פטריית החילדון הצהוב, החלבונים המעורבים בתגובת העמידות מפעילים תמותה מתוכנתת של התאים הנגועים, ולמעשה גורמים ל'התאבדות' של תאי הצמח הנגועים, ביחד עם גורם המחלה המנסה לפלוש אליהם, בסיגנון תמות נפשי עם פלישתים", אמרה קלימיוק, שחקרה את הנושא במסגרת עבודת הדוקטורט שלה, בהנחייתם של פרופ' פחימה ופרופ' קורול.

ברגע שפענחו החוקרים את מבנה החלבון של הגן, נפתחו בפניהם אופקים חדשים שהם כלל לא שיערו שקיימים. החוקרים זיהו דמיון בין מבנה החלבון של הגן Yr15 לבין חלבונים בעלי ארכיטקטורה דומה שקיימים בבני האדם. "חלבונים אלה, שמהווים חלק מהמערכת החיסונית של הגוף האנושי, מפעילים תמותת תאים מתוכנתת של תאים אנושיים הנגועים בגורמי מחלה, כגון וירוסים וחיידקים, על מנת להשמיד אותם, כחלק ממנגנון ההגנה של הגוף. כשהבנו את הדמיון האבולוציוני הזה, חשבנו לבדוק האם המגנון הזה קיים גם בצמחים אחרים", אמר הדוקטורנט אנדרי פטיוחה ממעבדתו של פרופ' פחימה.

ואכן, בבדיקה של עשרות מינים של צמחים המייצגים את כל ממלכת הצומח, גילו החוקרים כי כמעט בכולם קיימים חלבונים בעלי מבנה דומה, שקשורים בתגובות הגנה של הצמח. החוקרים מעריכים שלמשפחת חלבונים זו תפקיד חשוב בהגנה על הצמח בפני מחלות הנגרמות על ידי פטריות וצופים שבעתיד ניתן יהיה לנצלם למטרה זו. למשפחת הגנים החדשה קראו החוקרים (TKPs) Tandem kinase-pseudokinases. "מדובר במשפחה חדשה של חלבונים שאותה זיהינו לראשונה. אלה גנים שיש להם מבנה ארכיטקטוני דומה והם פועלים באופן דומה, ומרתק לראות כיצד האבולוציה של המערכת החיסונית בצמחים ובבעלי חיים הגיעה במקביל לפתרונות דומים, במינים שונים כל כך", סיכם פרופ' פחימה.

למחקר המלא:

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06138-9