מחקר חדש, שנערך באוניברסיטת חיפה ופורסם בכתב העת Nature Genetics, מתעמק במנגנוני ההגנה של מערכת החיסון הצמחית ומספק תשתית מחקרית יחודית לפיתוח והשבחה של זנים חדשים של צמחים עמידים למחלות.
המחקר מתאר לראשונה את "אטלס החלבונים בעלי הקינאזות הכפולות" (Tandem kinase Proteins -TKPs). קינאזות זו היא משפחה של אנזימים האחראים על הפעלה/הגברה של תהליכים בתא, ביניהם הקינאזות TKP, המפעילות מנגנון "התאבדות" מקומי של אותם התאים המותקפים על ידי מיקרואורגניזמים גורמי מחלות (פתוגנים). אטלס חלבוני ה-TKP נבחן במעלה מ-100 מיני צמחים המייצגים את כל ממלכת הצומח.
3 צפייה בגלריה
קציר חיטה
קציר חיטה
קציר חיטה
(צילום: Shutterstock)
החוקרים בדקו את מנגנוני החיסון של צמחים וניתחו את מכלול הגנים של 104 מיני צמחים שונים, תוך זיהוי 2,682 חלבוני TKP. החוקרים הסבירו כי המערכת החיסונית של צמחים מורכבת משתי שכבות הגנה: השכבה הראשונה מזהה גורמי מחלות באמצעות מערכת גלאים הממוקמת על פני השטח החיצוני של התא, והשנייה פנימית ומופעלת בתוך התאים להגנה מפני פתוגנים המנסים לחדור לתוך התאים.
בניגוד לבעלי חיים, להם יש תאי חיסון, כמו תאי דם לבנים, הניידים בזרם הדם ויכולים להגיע לרקמה הפגועה, לצמחים אין יכולת כזו ועל כן הם מסתמכים על מנגנונים ייחודיים הקיימים בכל אחד מתאי הצמח. מנגנוני ההגנה של הצמח יכולים להיות מופעלים ברמה של תא בודד, ריקמה או אף ברמה של כל הצמח החולה.
חלבוני המערכת החיסונית של הצמח, כגון TKP, ממלאים תפקיד מרכזי במאבק ומגנים על הצמח מפני מחוללי המחלות. על פי ארגון המזון והחקלאות של האו"ם (FAO), אובדן היבול השנתי בעולם כתוצאה ממחלות צמחים מגיע לכ-10-20% – נתון המוערך בנזקים של כ-200 מיליארד דולר בשנה, למרות השקעה של מיליארדי דולרים בכוח אדם, מיכון חקלאי וחומרי הדברה רעילים שאינם ידידותיים לאדם ולסביבה. נתונים אלה ממחישים ביתר שאת את היתרונות של פיתוח שיטות טיפוח והשבחה להדברה ברת קיימא של מחלות תוך שימוש בפתרונות שהאבולוציה הטבעית של צמחים יצרה עבורינו.
המחקר של פרופ' ציון פחימה ועמיתיו חשף כי בלמעלה מ-55% מחלבוני TKP, שולבו חלבוני הגנה נוספים, המשמשים כפיתיונות לחלבוני התקפה של גורמי המחלות. חלבוני פתיון אלה, ממלאים תפקיד חשוב בהפעלת מנגנוני ההגנה של הצמח מפני מחלות.
3 צפייה בגלריה
כוסמין
כוסמין
(צילום: shutterstock)
פרופ' פחימה וחוקריו מציעים מודל המסביר את מנגנון הפעולה. במהלך האבולוציה ההדדית של יחסי טפיל-פונדקאי, פיתחו הפתוגנים מנגנוני התקפה חדשים, תוך שימוש בחלבונים יחודיים הקרויים אפקטורים, אשר מאפשרים להם לפגוע בפעילותם של חלבוני ההגנה של הצמח ובכך לשתק את המערכת החיסונית שלו. אולם, הצמחים לא נשארו אדישים ופיתחו מערכת הגנה נגדית של הטעיות, הבנויה מאותם חלבוני הגנה המאוחים עם חלבוני TKPs.
החוקרים הוסיפו כי ברגע שחלבוני האפקטור של הפתוגן מנסים לשתק את חלבוני המטרה שלו, הם מזוהים על ידי ה- TKPs, המפעילים כנגד גורמי המחלה מנגנון התאבדות של מוות תאי מקומי, מה שמביא למוות של הפתוגן יחד עם התאים המודבקים, ובך נעצרת ההתקפה של גורם המחלה.
מחקר זה מדגיש את הפוטנציאל המשמעותי ביישום מנגנון זה בגידולים חקלאיים מרכזיים, כגון חיטה, שעורה, תירס, ואורז, ומשמעותו במאבק במחלות הגורמות לנזקים סביבתיים, בריאותיים, כלכליים וחברתיים. החוקרים מציינים כי תוצאות המחקר יאפשרו לפתח צמחים עמידים יותר באמצעות שיטות טיפוח קלאסיות, וגם באמצעות הנדסה גנטית, ובכך להבטיח ביטחון תזונתי ולצמצם את הנזקים הכלכליים הכבדים שנגרמים מדי שנה למגדלים ברחבי העולם. הפרסום של "אטלס החלבונים בעלי הקינאזות הכפולות" מספק בסיס מדעי ראשון מסוגו לחקר מנגנוני חיסון צמחיים, ופותח אופקים חדשים לתכנון מערכות חיסון בצמחים שיאפשרו להם להתמודד עם האתגרים שמציבות מחלות שונות.
3 צפייה בגלריה
פרופ' ציון פחימה
פרופ' ציון פחימה
פרופ' ציון פחימה
(צילום: פרטי)
פרופ' ציון פחימה אמר: "הבנת המנגנונים האבולוציוניים של חלבוני TKP עשויה לספק כלים חשובים למחקר עתידי, לפיתוח זני צמחים עמידים למחלות, ולהגברת הביטחון התזונתי בעולם. זיהוי חלבונים אלו ב-104 מיני צמחים, כולל גידולים מסחריים כמו חיטה, אורז ושעורה, מדגיש את הפוטנציאל להרחבת השימוש במגוון גידולים נוספים. חלבונים ממשפחת TKP תורמים ליכולתם של הצמחים להתמודד עם גורמי מחלות שונים, כמו חיידקים, ופטריות, תוך הפחתת התלות בשימוש בחומרי הדברה כימיים. הממצאים שלנו שופכים אור חדש על מערכת החיסון של הצמחים ועשויים לסלול את הדרך לפיתוח זנים עמידים למחלות בצורה ידידותית יותר לסביבה".
במחקר השתתפו תלמידי הדוקטורט ובתר דוקטורט של פרופ' פחימה - תמרה רווגוק, אנדרי פטיוחה, איבגני פוטפנקו, ולנטינה קלימיוק, והחוקר ד"ר חנן סלע, במחלקה לביולוגיה אבולוציונית וסביבתית והמכון לאבולוציה באוניברסיטת חיפה, פרופ' גיתה קואקר מאוניברסיטת קליפורניה, ד"ר תומס ויקר מאוניברסיטת ציריך בשוויץ, ד"ר ינגהוי לי מהאוניברסיטה החקלאית של סיצ'ואן שבסין, ד"ר איוואן רוגוק ממבית הספר הפוליטכני של פריז, ופרופ' קרטיס פוזניאק מאוניברסיטת סאסקאצ'ואן בקנדה. המחקר מומן על ידי הקרן הדו-לאומית למדע ארה"ב-ישראל (BSF) , הקרן הדו-לאומית למחקר ופיתוח חקלאי ישראל-ארה"ב (BARD), הקרן הלאומית למדע של ארה"ב(NSF), הקרן הלאומית למדע של ישראל, משרד החקלאות האמריקני (USDA) , והמכון הלאומי לבריאות של ארה"ב (NSF).