מחקר: החמנייה מורכבת מגנומים של מינים שונים

חוקרים מרחבי העולם הרכיבו את הפאן-גנום של החמנייה ולזהות מאות גנים, שחדרו לתוך הגנום לאורך השנים ומקורם במיני בר אחרים, אשר יחד יוצרים פסיפס גנומי מורכב. מחברי המחקר הסבירו כי עד היום, נהוג היה לחשוב שמספר הגנים בפרטים המשתייכים לאותו מין ביולוגי הוא קבוע וההבדל בין פרטים הוא תוצר של שינויים מבניים או נקודתיים באותם הגנים. הפאן-גנום הוא למעשה מצרף של כל הגנומים המאפיינים מין ביולוגי מסוים. במחקר שהתפרסם אמש (יום ב') במגזין Nature Plants נבחנו מאות גנומים של זני חמניות מרחבי העולם והממצאים מראים כי השינויים בין פרטים הם משמעותיים יותר וכוללים למעשה הבדלים גם בהרכב הגנטי. המחקר מראה שלא לכולם יש את אותם גנים וכי שליש מגנום החמנייה משתנה בין פרטים.

ד"ר שריאל היבנר, ילדיו וחמנייה(צילום: מכון המחקר מיגל)

המחקר, שנערך בהובלת ד"ר שריאל היבנר ממכון המחקר מיגל והמכללה האקדמית תל-חי ובשיתוף עם צוות חוקרים מאוניברסיטת בריטיש קולומביה בקנדה, אוניברסיטת ג'ורג'יה בארה"ב, מכון המחקר INRA בצרפת, חברת התוכנה SAP ועוד, מהווה אבן דרך משמעותית במחקר גנומי בצמחים.

פיצוח גנום החמנייה, שפורסם ב-2017 במגזין Nature איפשר לבחון גנומים של מאות זני חמניות ומיני בר קרובים ולחקור את המגוון הגנטי במספר רבדים שונים. על מנת לאפשר זאת, היה צורך בעיבוד של קרוב ל-500 גנומים מלאים, שכל אחד מורכב מכ-3.5 מיליארד אותיות. מממצאי המחקר החדש עולה, כי למעלה מ-30% מהגנים הקיימים בחמניות אינם משותפים לכל הזנים, אלא נמצאים בפרטים מסוימים ובאחרים לא. בנוסף נמצא כי כ-10% מגנום החמנייה מקורו בקרובי בר, שחלקם מוגדרים כמין ביולוגי אחר.

חמנייה(צילום: מכון המחקר מיגל)

מין ביולוגי, כפי שהוגדר על ידי מדענים מתחום הגנטיקה והאבולוציה באמצע המאה שעברה, אינו יכול להעמיד צאצאים פוריים עם מין אחר. על פי המחקר החדש, גנום החמנייה הוא למעשה פסיפס גנטי עם מקורות ממיני בר אחרים, חלקם אף די רחוקים מהחמנייה התרבותית. ממצאים אלה מאתגרים את האופן שבו אנו מגדירים מין ביולוגי.

"ייתכן שההגדרה הטובה ביותר היא אי-ההגדרה. ככל שהטכנולוגיה מתקדמת ומאפשרת לבחון את הגנטיקה והאבולוציה לעומק אנו רואים כי התמונה היא מורכבת יותר ותוקפן של הגדרות מתערער", הסביר ד"ר היבנר.

במהלך הפרוייקט עובדו נתונים מכ-500 גנומים ובסך הכל כ-12 טרה-בסיסים, השקולים למידע בנפח של למעלה מ-20 טרה-ביט. החוקרים אמרו כי האתגר החישובי היה עצום והתאפשר הודות לשיתוף פעולה עם חברת התוכנה SAP, שסיפקה את התשתית החישובית לעיבוד המידע העצום. "ההתקדמות הטכנולוגית בתחום הריצוף הגנומי של השנים האחרונות מאפשרת לקבל כמות מידע עצומה. עיבוד כמות כל כך גדולה של מידע דורש חשיבה אחרת לגמרי הכוללת תכנון כלכלי של קוד מחשב על מנת לקצר את זמני החישוב הארוכים", הסביר ד"ר היבנר.

מסתבר שגנום החמנייה כולל בתוכו גנים של מיני בר שונים שהוחדרו על ידי הכלאות בין-מיניות לאורך השנים. על ידי השוואות של הרצפים הגנומיים, הצליחו החוקרים לזהות את המקור של חלק ניכר מהגנים המרכיבים את הפאן-גנום של החמנייה.

אחת השאלות שנשאלו במחקר היא מה תפקידם של כל אותם גנים, שמקורם במיני בר אחרים. לדברי החוקרים, מסתבר שחלק ניכר מהגנים קשור בעמידות למחלות ומקנה יתרון לזנים המכילים גנים מהבר. ההבנה שיש במיני בר איכויות שיכולות לתרום לשיפור הגידולים החקלאיים קיימת זה זמן רב אך היכולת לזהות בבירור את הגנים מהבר הייתה מוגבלת.

בעזרת הגישה הפאן-גנומית, שבה אנו בוחנים ומצליבים מידע ממאות גנומים יחד מאפשר לזהות מגוון רחב של גנים אשר מגיעים ממקורות שונים. המהפכה הטכנולוגית בתחום הגנומיקה והביואינפורמטיקה מאפשרת היום לבחון תהליכים באופן הרבה יותר רחב ומעמיק. "בקרובי הבר קיים מרחב אפשרויות גנטי עצום, שיכול לתרום לשיפור גידולים חקלאיים, אך היכולת לנצל זאת היה מוגבל. ההתקדמות הטכנולוגית של השנים האחרונות משנה את הדרך שבה אנו עורכים את המחקר. יחד עם זאת, בעולם של כמות מידע כמעט אינסופי, יש חשיבות גדולה בהבנת הבסיס הביולוגי. ללא הבנה זו נשאר עם המון מידע ומעט מאוד ידע", סיכם ד"ר היבנר.