מנגנון מרכזי בצמחים, שמסייע להם להתמודד עם תנאי יובש ומחסור במים התגלה במהלך מחקר שערכו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב. מדובר בחלבונים המניעים ומווסתים מולקולת סיגנל קטנה שמבקרת שני תהליכים חיוניים: סגירת הפיוניות בעלים כדי למנוע אובדן מים, וצמיחת מערך מסועף של שורשים צדדיים שקולטים מים מהאדמה. המחקר נערך בהובלת ד"ר יוצין ג'אנג ופרופ' אילון שני מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון בפקולטה למדעי החיים. במחקר הבינלאומי, שארך שש שנים וכלל שלבים רבים, השתתפו חוקרים מאוניברסיטת תל אביב וממכון ויצמן, משווייץ, מגרמניה, מארצות הברית, ומדנמרק. המאמר פורסם בכתב העת Science Advances.
פרופ' שני הסביר: "ההבנה של תגובת הצמחים לסביבתם המשתנה חשובה מאוד בעידן של שינויי אקלים מהירים, ויש לה משמעות רבה עבור גידולים חקלאיים המזינים את האנושות. כבר זמן רב ידוע כי אחת מתגובות הצמח למחסור במים היא סגירת הפיוניות - פתחים קטנים בעלים שמאפשרים מגע עם הסביבה. כשהפיוניות פתוחות גוברת הכניסה והיציאה של גזים, תהליך הפוטוסינתזה מואץ, והצמח מייצר אנרגיה, גדל ומניב פירות. אך כשהצמח מבקש לשמור על מעט המים העומדים לרשותו, הוא סוגר את הפיוניות ומקטין את הטרנספירציה - תהליך אידוי המים דרך העלים. מדובר במנגנון רגיש ומהיר במיוחד, באמצעותו שומר הצמח על האיזון הנכון בכל רגע: הוא פותח או סוגר פיוניות תוך שניות עד דקות בתגובה לכל שינוי קטן בזמינות המים, בטמפרטורה, ובכמות האור".
3 צפייה בגלריה
ביטוי ספציפי של חלבוני G17 או G18 (קיצור של ABCG17/18) בפיוניות בלבד (pKST) גורם לסגירת פיוניות. סיגנל אדום מעיד על עליה בטמפרטורת הצמח אשר מושפעת מסגירת הפיוניות
(צילום: מתוך המחקר)
לדברי החוקרים, כבר בשנות ה-60 של המאה הקודמת התברר כי אחד החומרים העיקריים במנגנון השליטה בפיוניות הוא הורמון צמחי הקרוי ABA - מולקולת סיגנל קטנה שמאותתת לפיוניות כי עליהן להיסגר. בנוכחות רמה גבוהה של ABA הפיוניות נסגרות, ולהפך: בהיעדרו הן נפתחות. הסברה הרווחת במשך שנים הייתה שה-ABA נוצר בשורשים בתגובה ליובש באדמה, ואז מטפס במעלה הגבעול אל העלים כדי לסגור את הפיוניות. במחקר הנוכחי בחנו החוקרים את ההשערה הזאת, ומצאו כי המציאות מורכבת הרבה יותר.
פרופ' שני הוסיף: "במהלך המחקר, שארך שש שנים, נעזרנו בצמח המודל ארבידופסיס (תודרנית לבנה) והשתמשנו במגוון רחב של טכניקות מתקדמות מתחום הגנטיקה המולקולרית: יצירת מוטציות בעריכה גנטית, הפעלה והשתקה של גנים המעורבים בתהליך בתאים ספציפיים, איפיונים פיזיולוגיים עם מכשור מתקדם ואף מבחני הובלה של ABA בביציות של צפרדעים. כמו כן נעזרנו בשילוב של מיקרוסקופים משוכללים עם שיטות כימיות וגנטיות שונות לסימון פלואורסנטי כדי לאתר בצמח את מיקומם המדויק של מולקולת ABA והחלבונים המעורבים".
3 צפייה בגלריה
ביטוי ספציפי של חלבוני G17 או G18 (קיצור של ABCG17/18) בפיונית בלבד (pKST) גורם לסגירת פיוניות. הסיגנל הפלורוסנטי הירוק מעיד על התגובה המולקולרית וההצטברות של ההורמון ABA
(צילום: מתוך המחקר)
הממצאים היו מפתיעים: החוקרים גילו כי מולקולת הסיגנל ABA נאגרת במצב "רדום" בעלים עצמם, בתאים הקרויים תאי מזופיל, שממלאים תפקיד מרכזי בתהליך הפוטוסינתזה. אגירה זו מתבצעת באופן אקטיבי על ידי שני חלבונים נשאים (טרנספורטרים) שלא היו מוכרים עד כה, ABCG17 ו-ABCG18, האחראים על העברת ה-ABA שמחוץ לתא, דרך ממברנת התא, אל תוך תאי המזופיל. כאן עובר ה-ABA למצב לא פעיל על ידי קשירה למולקולת סוכר, ונאגר לאורך זמן.
כדי לבחון את תפקידם של שני החלבונים החדשים יצרו החוקרים מוטציות שונות בגנים שמייצרים אותם, וביצעו מגוון ניסויים נוספים שהשפיעו על פעילות החלבונים בזמן ובמרחב. הם מצאו כי שינויים בייצור החלבונים ובפעילותם גורמים לתנודות בהעברת ובאגירת מולקולות ה-ABA בצמח, וכי בהיעדר החלבונים נותר ה-ABA חופשי, מגיע בריכוזים גבוהים לפיוניות, ומעודד את סגירתן. לדברי החוקרים, מנגנון זה מאפשר לצמחים להגיב במהירות לתנאי הסביבה המשתנים. ספציפית, כאשר הצמח חש עקת יובש יורדות הכמות והפעילות של שני החלבונים, ה-ABA 'מתעורר מתרדמתו', והפיוניות נסגרות בתוך זמן קצר.
עוד מצאו החוקרים כי התנועה ארוכת הטווח של ההורמון ABA בצמח הפוכה מכפי שסברו עד כה: באמצעות מערכת צרורות ההובלה, המקבילה למערכת הדם שלנו, נע ה-ABA מרחק גדול - דווקא מהעלים לשורשים, ולא להפך. תנועה זו מבוקרת אף היא על ידי אותם חלבונים נשאים, ABCG17 ו-ABCG18: ירידה בפעילותם של שני החלבונים בעלה גורמת לירידה באגירת ABA בתאי המזופיל במצב "רדום", וה-ABA החופשי נע בכיוון השורש. הצטברות ABA בשורש מבקרת התפתחות של שורשים צדדיים, שקולטים עוד מים מהאדמה.
פרופ' שני סיכם: "במחקר זה הוספנו נדבך חשוב להבנת המנגנון שבאמצעותו מתמודד הצמח עם תנאים משתנים כמו מחסור במים. לראשונה גילינו מנגנון בקרה שבאמצעותו אוגר הצמח מולקולות סיגנל ב'מחסן', ומשחרר אותן בתנאים הרצויים. תגלית זו עשויה לתרום תרומה משמעותית לחקלאות בעידן של שינויי אקלים מהירים, ובכך לשפר את ביטחון המזון בעולם. במחקרי המשך אנו בוחנים כעת מנגנונים דומים בשני גידולים חקלאיים חשובים: עגבנייה ואורז".
