פיצוח גנום חיטת הבר והקשר הישראלי

כולנו מכירים את המראה המרהיב של שדה חיטה הממתין לקציר, כולו שיבולים שיבולים זקופות ועמוסות גרעינים. לכאורה - אחד המראות הטבעיים והקדומים ביותר בעולם. ובכן, מסתבר שלא כך היה בעבר: חוקרים מאוניברסיטת תל-אביב מצאו כי השיבולים המאוגדות הן תוצר של תירבות החיטה בידי האדם עם התפתחות החקלאות, לפני כ-10,000 שנה בלבד. תכונה זו היא ההבדל המרכזי בין החיטה התרבותית שנקצרת בידי אדם, לבין אמה הקדמונית, חיטת הבר - ששיבוליה מתפרקות ומפיצות את הזרעים לכל עבר, כדי שינבטו במרחק מה זה מזה בעונת הגשמים הבאה. המחקר מתפרסם הערב (יום ה') בכתב העת המדעי Science - מהיוקרתיים והחשובים ביותר בעולם.

במחקר פורץ דרך הצליחו עתה חוקרים במכון לחקר הדגנים שבפקולטה למדעי החיים של אוניברסיטת תל אביב, בהובלת ד"ר אסף דיסטלפלד, לרצף את גנום חיטת הבר, ולאתר בו שתי מוטציות גנטיות האחראיות על תכונת השיבולים המאוגדות. "מצאנו ששתי המוטציות הללו קיימות בכל זני החיטה התרבותית שגדלים היום ברחבי העולם, אך לא קיימות בחיטת הבר", הסביר ד"ר דיסטלפלד. "שתי המוטציות הן ממש כמו לוגו, סימן מסחרי של חיטה תרבותית". המחקר בוצע עם החברה הישראלית NRGene מנס ציונה, ועם מעבדות מובילות בגרמניה, באיטליה, בקנדה, בישראל ובארה"ב.

שיבולת של חיטת בר(צילום: רז אבני - אוניברסיטת תל אביב)

תחילתו של המחקר בפיצוחו של גנום חיטת הבר בעזרת אלגוריתם חדשני של החברה הישראלית NRGene מנס ציונה. "גנום החיטה נחשב לאחד המורכבים ביותר בטבע – 17 מיליארד אבני בניין (נוקלאוטידים/אותיות) בחיטת הלחם ו-12 מיליארד בחיטת הבר ובחיטת הדורום (פסטה) - לעומת 3 וחצי מיליארד בלבד בגנום של האדם", אומר ד"ר דיסטלפלד. "במהלך העשור האחרון ניסו חוקרים בכל העולם, מגובים בתקציבי עתק, לרצף את גנום החיטה, אבל התוצאות היו חלקיות בלבד. הטכנולוגיה של NRGene איפשרה לנו באוניברסיטת תל אביב, בתקציבים מוגבלים יחסית, להרכיב סוף סוף את הפאזל של גנום חיטת הבר".

שיבולת של חיטת בר(צילום: רז אבני - אוניברסיטת תל אביב)

הדוקטורנט רז אבני, מעורכי המחקר, מסביר: "כשמרצפים את ה-DNA בטכנולוגיה המקובלת, מקבלים מספר רב של רצפי DNA קצרים, באורך של 250 אבני בניין (אותיות) כל אחד. התוכנה של NRGene איפשרה לנו לבנות מהרצפים הקצרים הללו רצפים ארוכים הרבה יותר - 7 מיליון אבני בניין בממוצע. כעת ביקשנו לסדר את הרצפים הארוכים בסדר הנכון, על מנת לבנות את הגנום השלם. לשם כך פיתחנו במעבדה שלנו מה שמכונה במדע 'אוכלוסיה גנטית': 150 פרטים שהם צאצאים של שני הורים חיטה תרבותית וחיטת בר. מיפינו את האוכלוסייה הזו בעזרת אלפי סמנים גנטיים, ויצרנו מהם מעין 'עוגנים', שהתוו את סדר הרכבתם של הרצפים הארוכים. בסופו של דבר בנינו כ-90% מגנום חיטת הבר: כ-10.5 מיליארד אבני בניין שמכילות 65,000 גנים (לעומת 20,000 גנים בגנום האנושי)".

שיבוליות של חיטת בר מפוזרות על הקרקע(צילום: רז אבני - אוניברסיטת תל אביב)

כעת ניגשו החוקרים אל השאלה הבאה: מה תפקידם של הגנים השונים, ובעיקר, אילו הם הגנים האחראים על תכונות שייחודיות לחיטה? "התכונה הראשונה שחיפשנו בגנום הייתה זו שמבדילה בין החיטה התרבותית לחיטת הבר: איגוד הזרעים בשיבולים לעומת התפרקות השיבולים ופיזור הזרעים", מסביר ד"ר דיסטלפלד. "לשם כך חילקנו את האוכלוסייה הגנטית שלנו לכמה קבוצות: צמחים שירשו את תוכונת איגוד השיבולים, לעומת כאלה ששיבוליהם מתפרקות או מתפרקות חלקית. השוואה בין ה- DNA של הקבוצות השונות חשפה שתי מוטציות ספציפיות, שמצויות רק בחיטה בעלת שיבולים מאוגדות".

שיבולת מתפרקת של חיטת בר(צילום: רז אבני - אוניברסיטת תל אביב)

כדי לוודא שאלה אכן המוטציות האחראיות על תירבות החיטה בראשית ימי החקלאות, בחנה הדוקטורנטית מורן נוה 113 צמחי חיטת בר ממקומות שונים במזרח התיכון - מישראל ועד טורקיה, איראן, עיראק וסוריה, מול 94 זנים של חיטה תרבותית מכל העולם. והתוצאות היו חד משמעיות: שתי המוטציות נמצאו בכל זני החיטה התרבותית, ובאף אחת מחיטי הבר.

"מבחינתנו זהו רק צעד ראשון", מסכם ד"ר דיסטלפלד. "באמצעות הכלים שיש בידינו היום, ואף הופצו לכל העולם, נוכל לאתר בגנום החיטה גם גנים האחראים לתכונות נוספות - כמו ערך תזונתי, יצרנות (יבול), עמידות בפני מזיקים, עמידות בפני תנאי אקלים משתנים כמו קור, חום ויובש, ועוד. מידע זה צפוי לשמש בסיס חיוני לשיפור עתידי של זני החיטה שמגדל האדם - כמענה מרכזי לאתגר קריטי ביותר: הזנת האנושות במאה ה-21".