כיצד מתפתחים עלים, גבעולים ופרחים לצורות המוכרות לנו? למרות שמבנים אלה נוצרים בדרכים דומות להפליא במינים רבים של צמחים, מדענים התקשו במשך עשרות שנים למצוא את ההוראות הגנטיות המשותפות שמנחות את התפתחותם.
כעת, במחקר חדש שפורסם בכתב העת Science, נחשף הקוד הנסתר שליבתו נשמרה לאורך כ-300 מיליון שנות אבולוציה. חשיפת התבנית העתיקה הזו משנה את האופן שבו אנו מבינים את אבולוציית הצמחים ומראה כיצד מנגנוני הבקרה המרכזיים נשמרים לאורך זמן, בשעה שאזורים אחרים משתנים על מנת לייצר את המגוון של צורות הצמח המוכרות לנו כיום. לממצאים אלה עשויות להיות השלכות חשובות לחקלאות: כוונון עדין של ויסות פעילות הגנים - במקום שינוי הגנים עצמם - עשוי להוביל לפיתוח של זנים עמידים ופוריים יותר.
הדנ"א של כל אורגניזם מכיל לא רק גנים, אלא גם הוראות בקרה, הקובעות מתי והיכן גנים אלה יופעלו. הגנים עצמם קלים יחסית לזיהוי ברצף הדנ"א – כמו חלקי הפינה בפאזל, שיש להם מאפיינים ברורים שמבליטים אותם. לעומת זאת, רצפי הבקרה קשים הרבה יותר לאיתור.
טכנולוגיות חדשות אפשרו למדענים לזהות רבים מהרצפים הללו בבעלי חיים, אך בצמחים המשימה מאתגרת במיוחד. השינויים הרבים שעברו גנומי הצמחים במשך מאות מיליוני שנים – שכפולים, ארגון מחדש והחלפת מקטעי דנ"א – הפכו אותם לפאזל מורכב במיוחד לפענוח.
צוות בינלאומי של חוקרים חשף רכיב חשוב במערכת הבקרה הגנטית של הצמחים, שנשמר לאורך כ-300 מיליון שנות אבולוציה. את המחקר הובילו פרופ' עידן עפרוני מהאוניברסיטה העברית בירושלים, פרופ' זאק ליפמן ממעבדת Cold Spring Harbor ופרופ' מדליין ברטלט מאוניברסיטת קיימברידג', יחד עם ד"ר קירק אמונדסון מאוניברסיטת מסצ'וסטס וד"ר ענת הנדלמן ממעבדת Cold Spring Harbor.
במסגרת מחקר השוואתי רחב, ניתחו החוקרים את הגנומים של 284 מיני צמחים בעזרת כלי חישובי חדש בשם Conservatory, שסייע להם להרכיב את הפאזל הגנומי על ידי השוואת בין מקטעי דנ"א דומים במינים שונים – גם כאלה שרחוקים מאוד זה מזה אבולוציונית. כך הצליחו החוקרים לזהות כ-2.3 מיליון רצפי דנ"א ששמרו על מבנה דומה לאורך האבולוציה, בהם יותר מ-3,000 רצפים שמקורם בתקופה שקדמה להופעת הצמחים הפורחים. בכך יצרו החוקרים את המפה המקיפה ביותר עד היום של רצפי הבקרה בגנום של צמחים והיו נסתרים עד כה.
החוקרים מצאו כי רבים מרצפי הדנ"א העתיקים ביותר נמצאים בסמוך לגנים הקובעים את מבנה הגוף של הצמח – למשל כאלה שמשפיעים על התפתחות עלים, גבעולים ופרחים. כאשר החוקרים יצרו מוטציות ניסיוניות ברצפים ליד גנים מסוימים ממשפחת HOMEOBOX, השתבשה תוכנית התפתחות הצמח. ממצא זה מעיד על כך שרצפי הדנ"א העתיקים הללו אינם שריד אבולוציוני בלבד, אלא ממשיכים למלא תפקיד מרכזי בהתפתחות הצמח גם כיום.
מחברי המחקר חשפו בנוסף עקרונות יסוד באבולוציה של קוד הבקרה הגנטי בצמחים: המרחק בין הרצפים יכול להשתנות עם הזמן, אך הסדר שלהם לאורך הדנ"א נשמר לעיתים קרובות. בנוסף, שינויים במבנה הכרומוזומים יכולים ליצור קשרים חדשים בין רצפי בקרה לבין גנים. במקרים רבים, רצפים עתיקים במיוחד נשמרים גם לאחר שכפול גנים, אף שחלקם מתפתחים בהמשך תפקידים ייחודיים במינים שונים של צמחים.
לדבריו של פרופ' עפרוני, מחקר זה מציג תמונה רחבת היקף של האבולוציה של רצפי הבקרה בצמחים לאורך מאות מיליוני שנים. "במשך שנים ידענו שתפקודם של גנים הקשורים להתפתחות נשמר היטב לאורך האבולוציה של הצמחים, אך רצפי הבקרה שמפעילים אותם נראו כאילו אבדו בתוך השינויים הרבים שעבר הגנום", אומר פרופ' עפרוני. "באמצעות פיתוח הכלי Conservatory הצלחנו לחשוף מחדש את ההוראות הגנטיות הנסתרות הללו ולהראות כי למרות מאות מיליוני שנים של שינויים בגנום, הלוגיקה הבסיסית של ויסות ההתפתחות בצמחים נשמרה. במקביל, הממצאים מראים כיצד האבולוציה משנה, משכפלת ובונה על הוראות בקרה עתיקות כדי ליצור את המגוון העצום של צורות הצמח שאנו רואים כיום".
כאמור, מעבר להבנה עמוקה יותר של האבולוציה של יצורים מורכבים, לממצאי המחקר ישנן השלכות חשובות לחקלאות. רבות מתכונות הגידולים החקלאיים אינן תלויות רק בגנים עצמם, אלא גם באופן שבו פעילותם מווסתת. על כן, הבנת מערכת הבקרה הגנטית השמורה הזו עשויה לפתוח אפשרויות חדשות לטיפוח מדויק של גידולים, לביולוגיה סינתטית ולפיתוח צמחים עמידים יותר בתנאי אקלים משתנים.
