לאורך ההיסטוריה האנושית, יובש ובצורת איתגרו את הציוויליזציה1. יובש הוא אחד מאתגרי הטבע המזיקים ביותר, הגורם לאיבוד רב של יבול חקלאי ופוגע באספקת המזון הגלובלית2.
אחת התגובות הפיזיולוגיות המאופיינות בצמחים תחת תנאי יובש היא עצירת גידול. בעת החזרת השקייה לאחר תקופת יובש, הצמחים נדרשים לחדש את הצמיחה באופן המהיר והיעיל ביותר.
תהליך התאוששות זה, מצריך שיקום תהליכים רבים, הכוללים אתחול של תהליכים מטבוליים, למשל כאלו המתקנים נזקים שנגרמו כתוצאה מהיובש והירידה בלחץ הטורגור בצמח, חזרה לגדילה ברמת התא ובצורה מסונכרנת ברמת הצמח השלם3.
בעבודת הדוקטורט שלי, בהנחייתו של פרופ׳ דודו וייס, בפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית, ניסינו למצוא צמחי עגבנייה עמידים ליובש. ניסינו להשיג מטרה זו ע״י איזון מחדש של הורמון הגדילה הצמחי – ג׳יברלין.
עבודות קודמות הראו שירידה ברמות הגי׳ברלין בצמח תורמות לעמידות הצמחים ליובש. אך כיוון שג׳יברלין הוא הורמון גדילה, ירידה ברמתו תגרום ברוב המקרים לצמחים מנונסים או מנונסים למחצה, מה שעלול להוריד את רמת היבול.
מטרתנו היתה לנסות ליצור שינוי מינורי במעבר סיגנל הג׳יברלין כך שנייצר הפרדה בין השפעת הג׳יברלין על גודל הצמח, לבין השפעת ההורמון על עמידות הצמחים ליובש.
ביצענו אנאליזה ביואינפורמטית שחשפה כי בעגבנייה ישנם שלושה קולטנים להורמון ג׳יברלין. ע״י שימוש בטכנולוגיית העריכה הגנומית CRISPR-Cas9 יצרנו מוטציות בכל אחד משלושת הקולטנים.
לאחר מכן באמצעות הכלאות קלאסיות יצרנו מוטנטים כפולים של הקולטנים, ומוטנט משולש – צמח ללא קולטנים להורמון כלל.
בכך שפגענו בכל פעם בקולטן אחד או שניים, יכולנו לזהות האם לכל אחד מהקולטנים תפקיד ייחודי בצמח, או שמא כולם עושים את אותה פעולה, באותה מידה.
תוצאות המחקר הראו כי לקולטנים ישנם מעט התמחויות, וחלקם בעלי מאפיינים ייחודים. לדוגמא, ישנו קולטן שהוא הדומיננטי בגדילה וקולטן אחר שנראה דומיננטי בבקרה על התארכות אברי הפרח.
לאחר אפיון מעמיק של הקווים השונים שיצרנו (מוטנטים בודדים ומוטנטים כפולים, סה״כ שישה שילובים שונים), אפיינו את תגובתם ליובש בחדרי הגידול שלנו בפקולטה.
התוצאות היו מרשימות, ואכן בעוד שרוב הקווים בתנאים רגילים נראו דומים ביותר לצמח הביקורת המסחרי, בעת שחשפנו אותם לתנאי יובש הקווים שיצרנו החזיקו מעמד זמן רב יותר ללא השקיה, דהיינו – עמידים יותר ליובש.
ההתרגשות מהמחשבה שעשויה להיות לנו תרומה לשיפור החקלאות ואף ליכולת לגדל גידולים חקלאיים בנפח השקיה נמוך יותר – היתה גדולה.
עוד בטרם התחלתי את לימודי התואר הראשון, עבדתי במשך שנה אצל פרופ׳ דני זמיר בפקולטה לחקלאות כעובדת שדה ומעבדה.
במהלך קיץ 2010 בעבודתי שם התאהבתי בעבודת השדה ומאז חסרה לי עבודת השדה במהלך שנות לימודיי.
המשכנו לאפיין פזיולוגית ע״י שימוש במערכת של ליזימטרים (מערכת משקלים המנטרת מדדים של כל צמח במהלך הניסוי), וראינו שאכן האידוי בקווים שלנו נמוך יותר, דבר המאפשר שימוש איטי יותר בתכולת המים הקיימת בקרקע.
למרות התוצאות המבטיחות, חשבתי שאם פנינו להשפיע על החקלאות, ראוי לבחון את הקווים שלנו בתנאים מסחריים בשדה. לשמחתי כל אותם השנים, פרופ׳ זמיר ממשיך לקיים ניסויי שדה גדולים ויש לו צוות מיומן ששמח לעזור ולאפשר לנו לגדל את הקווים שלנו בשדה, ולבחון את עמידותם ליובש תחת תנאים משתנים.
נרגשת יצאתי לזריעות בחישתיל אשקלון וכשבועיים לאחר מכן לשתילות בשדה. לאחר מספר שבועות משתילה, כאשר הגענו לצפות בצמחים שלנו עוד בטרם התחלת טיפול היובש, נדהמנו.
התדהמה היתה אכזבה מהולה תחילה במבוכה, שכן השורות היו מלאות בצמחים במגוון גדלים בלתי מבוקר. והרי כל חקלאי מבין חשיבותה של אחידות הגידול.
המבוכה היתה כיוון שהמחשבה הראשונה שעלתה לראשי היתה שעשיתי טעות בזריעת הקווים והכנסתי גנוטיפים שונים בעמדות השונות.
אך בדיקה גנטית פשוטה לקווים, גילתה שלא נפלה טעות במיקום הקווים, ואכן הקווים היו מסודרים בשורה בדיוק כמו שחשבנו. אם כן, מניין השונות הזו? זו היתה תופעה שלא ראינו כאשר גידלנו את הצמחים בחדרי הגידול שלנו במתקני הפקולטה.
התצפית שבתנאי שדה היתירות הגנטית בין הקולטנים השונים אבדה – והתגלה חוסר אחידות בגודל הצמח בתוך הקווים המוטנטים שיצרנו – עניינה אותנו מאוד.
לאחר העמקה מולקולרית נוספת, עלתה השערה הנגזרת מתוך הידע הקיים, על כך שתנאי סביבה משתנים (כגון: אור, טמפרטורה וכו׳) משפיעים על רמות הורמון הג׳יברלין.
השערתנו היא כי תחת תנאי גידול אופטימלים כל אחד מהקולטנים יכול לבצע את כלל הפעולות הנדרשות לייצור צמח נורמלי.
אך יתכן כי תחת תנאי גידול משתנים בשדה, כל שלושת הקולטנים דרושים על מנת לאפשר גידול תקין וכדי לשמור על רמות מאוזנות של ההורמון.
ממחקר זה למדתי דברים רבים. אחד מהם הוא חשיבות בחינת התופעה בתנאי היעד ולא רק בתנאים מבוקרים במעבדה.
מתוך החשיפה לתנאים המשתנים, התגלה מנגנון שעשוי להיות חשוב בהתפתחות וגדילה תקינה של הצמח והוא החפיפה התפקודית בין שלושת הקולטנים של ההורמון.
בנוסף למדתי שעמידות ליובש היא תכונה מורכבת ובעוד שאנחנו ״מרוויחים״ משהו (עמידות ליובש), במקרים רבים יש לכך תשלום בדבר אחר (גודל הצמח).
כעת אני בתחילת הפוסט-דוקטורט שלי במכון סאלק בסן דייגו. בחרתי להתמקד בתהליך הרבה פחות נחקר, שהוא שלב ההתאוששות מיובש. כיצד צמח חש בהחזרת השקיה?
מה התהליכים הראשונים שקורים בעת הזיהוי של החזרת מקור מים? מה מדרג התהליכים, למשל האם מיד נראה שינוי בביטוי גנים המעיד על גדילה, או שמא תחילה יהיו תהליכי ניקוי תאיים של מולקולות מזיקות שהצטברו כתוצאה מהיובש ורק בשלב מאוחר יותר החזרה של תהליכי גדילה?
את כל השאלות האלה אני בוחנת ע״י עבודה על צמח המודל ארבידופסיס (Arabidopsis thaliana), ע״י שימוש בשיטות מתקדמות המאפשרות להסתכל על ביטוי דיפרנציאלי של גנים בתא בודד (המוני תאים בודדים).
השיטות האלה מאפשרות לנו להסתכל ברזולוציה מאוד גבוהה על התהליכים המולקולריים והגנטיים המתרחשים בצמח בנקודה המסוימת המעניינת אותנו.
תוצאות ראשוניות מראות שבצמחים שיובשו לתכולת מים בקרקע של 30%, כבר לאחר 15 דקות מהחזרת ההשקיה, ישנו דפוס ביטוי גנים שונה, כלומר הצמח מגיב מאוד מהר להחזרת ההשקיה.
דפוס ביטוי זה, לאחר 15 דקות, שונה מדפוס הביטוי לאחר 30 דקות, 45 דקות ואילך, עד לשש שעות, ששם כבר ניתן לראות דפוס ביטוי דומה יותר לדפוס הביטוי בצמחי הביקורת המושקים. יש לי עוד עבודה רבה שבסופה אני מקווה לשפוך מעט אור על התהליך של התאוששות מיובש.
- Chaves, M. M., Flexas, J. & Pinheiro, C. Ann. Bot. 103, 551–560 (2009).
- Dai, A. Nat. Clim. Chang. 3, 52–58 (2013).
- Dubouzet, J. G. et al. Plant J. 33, 751–763 (2003).
למידע נוסף אודות העבודה המתוארת בכתבה:
Illouz-Eliaz, N., Nissan, I., Nir, I., Ramon, U., Shohat, H. and Weiss, D. (2020) Mutations in the tomato gibberellin receptors suppress xylem proliferation and reduce water loss under water-deficit conditions, J Exp Bot. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/eraa137.
Illouz-Eliaz, N., Ramon, U., Shohat, H., Blum, S., Livne, S., Mendelson, D., and Weiss, D. (2019). Multiple gibberellin receptors contribute to phenotypic stability under changing environments. Plant Cell. 31: 1506–1519. DOI: https://doi.org/10.1105/tpc.19.00235
בוקסה בצבע
הקימה תכנית לקידום שוויון מגדרי במדע
ד"ר נתנאלה אילוז–אליעז עשתה את הדוקטורט שלה באוניברסיטה העברית, בפקולטה לחקלאות ברחובות.
היא נשואה, בת 35. נולדה בשלומי, התחנכה בקיבוץ ראש הנקרה. אמא לשתי בנות ולצורך מחקר הפוסט-דוקטורט נסעה עם משפחתה לסן דייגו, קליפורניה.
נתנאלה נמצאת במכון סאלק ,(The Salk Institute for Biological Studies) במעבדתו של פרופ' ג'ו אקר המתמחה בגנומיקה, אפיגנטיקה וטכנולוגיות מתקדמות במדעי הצמח ומדעי המוח.
בתחילת השנה זכתה במענק מחקר דו-שנתי מקרן ארצות הברית – ישראל, BARD, ומענק של האוניברסיטה העברית בירושלים לקידום פוסט דוקטורנטיות.
לאחרונה הקימה נתנאלה תוכנית חניכה לפוסט-דוקטורנטיות ישראליות ע"י חוקרים מהאקדמיה בישראל, שמטרתה לקדם שוויון מגדרי בתחומי המדע והמחקר השונים, פרטים נוספים על תוכנית זו ניתן למצוא ב-https://www.bard-isus.com/localfiles/Details/135.
מאמר עגבניות עמידות ליובש | צילום: אלבום פרטי
