חוכמת השורשים

חוקרים בטכניון גילו מנגנון המסביר את הסתגלות הצמח לתנודתיות בזמינות מינרלים בסביבתו

פרופ' סיגל סבלדי-גולדשטיין. צילום: ניצן זוהר

פרופ' סיגל סבלדי-גולדשטיין. צילום: ניצן זוהר

חוקרים בפקולטה לביולוגיה בטכניון מציגים הסבר ליכולתם של שורשים לווסת את גדילתם בהתאם למצאי המינרלים בסביבה – מינרלים החיוניים להזנת הצמח (נוטריינטים). המאמר התפרסם בכתב העת Developmental Cell.

את המחקר הוביל הפוסט-דוקטורנט ד"ר עמר פאל סינג בהנחייתה של פרופ"ח סיגל סבלדי-גולדשטיין. עוד שותפים במחקר חברי צוות המעבדה של פרופ' סבלדי-גולדשטיין וחוקרים מהמעבדה של פרופ' משנה ארנון חן מהטכניון ומ ENS Lyon שבצרפת.

מאז ראשית דרכה המחקרית מתמקדת פרופ' סבלדי-גולדשטיין בצמחים כמערכת מודל מרתקת למחקר ביולוגי. מעבדתה בפקולטה לביולוגיה בטכניון עוסקת בהבנת עקרונות התפתחותיים של הצמח. לשם כך היא חוקרת את שני מקורות ההשפעה על גדילת הצמח – האותות הבאים מתוך הצמח והאותות המגיעים מהסביבה. מחקרה מתבסס על מגוון שיטות ניסוייות כגון הדמיה, פענוח שינויים בביטוי גנים ברזולוציה תאית ושיטות בגנטיקה התפתחותית.

"הצמחים חיוניים לחיים על פני כדור הארץ ומהווים אורגניזם-מודל מרתק" אומרת פרופ' סבלדי-גולדשטיין. "הם נבדלים מבעלי החיים בהיבטים שונים. בשעה שבעלי חיים יכולים לנוע ולנדוד למקומות בטוחים יותר, למאגרי מים וכן הלאה, הצמחים מקובעים למקומם. בניגוד לבעלי חיים, צמחים מייצרים איברים חדשים במשך כל חייהם ומווסתים את קצב גדילתם בהתאם לתנאי הסביבה – דבר החיוני להישרדותם. במהלך האבולוציה פיתחה ממלכת הצומח אסטרטגיות שונות כדי להסתגל לתנאי סביבה תנודתיים. לדוגמה, שורש יכול להאיץ או להאט את גדילתו וליצור שורשים חדשים המסתעפים ממנו בהתאם למצאי המינרלים בקרקע".

בתמונה הקבוצתית, עומדים מימין לשמאל: אריקה שפיץ, דן אייזלר, סאורב פאנדי, סיגל סבלדי-גולדשטיין; יושבים מימין לשמאל: מיכל אקרמן-לברט, יואב לילינג, יוליה פרידמן, לישי טננבאום, נטע הולנד. צילום: לידיה אורונוב

בתמונה הקבוצתית, עומדים מימין לשמאל: אריקה שפיץ, דן אייזלר, סאורב פאנדי, סיגל סבלדי-גולדשטיין; יושבים מימין לשמאל: מיכל אקרמן-לברט, יואב לילינג, יוליה פרידמן, לישי טננבאום, נטע הולנד. צילום: לידיה אורונוב

הורמונים סטרואידיים, הנקראים ברסינוסטרואידים, הכרחיים לגדילה ולהתפתחות הצמח. חוקרי הטכניון בחנו את פעילותם של ברסינוסטרואידים ושל חלבוני המסלול שהם מבקרים בשורש של צמח Arabidopsis  (בעברית תודרנית). הם גילו כי חלבוני המסלול הסטרואידי מושפעים גם מאותות שמקורם בהרכב המינרלים בסביבת השורש. החוקרים הראו כי הרכב המינרלים במצע הגידול (כלומר, בתנאי מעבדה) עשוי להשפיע בשני כיוונים מנוגדים: חסך בברזל בסביבת הצמח מגביר את עוצמתו של מסלול הברסינוסטרואידים ועל ידי כך מאיץ את התארכות השורש, ואילו חסך בזרחה (פוספט) בסביבה, המוביל להצטברות ברזל בשורש, מחליש את פעילות מסלול הברסינוסטרואידים ובכך מאט את התארכות השורש.

בנוסף, החוקרים מצאו את הגורם המתווך בין הסביבה לצמח בתהליכים אלה – חלבון בשם BKI1. הם גילו כי חלבון זה, המבקר את המסלול הסטרואידי, מושפע גם מתנאי הסביבה; חסך בברזל מוריד את רמת החלבון וכך מאיץ את התארכות השורש, וחסך בזרחה מגביר את רמתו ומאט את התארכות השורש.  כלומר, BKI1 נמצא על "פרשת דרכים" בין מסלול שמקורו באות פנימי של הצמח (הורמון סטרואידי) ומסלול שמקורו באותות מהסביבה (מצאי מינרלים).

החוקרים גם גילו שישנה השפעה בכיוון ההפוך: עוצמת מסלול הברסינוסטרואידים משפיעה על רמת הברזל הנצברת בשורש וכך נוצר משוב המבטיח כנראה כי גדילת השורש תתאים לתנאי הסביבה. "למעשה גילינו מנגנון המקשר בין זמינותם של שני היסודות האלה – זרחה וברזל – והמסלול הסטרואידי, אשר יחד מווסתים את גדילת השורש."  הבנת המורכבות של תגובת הצמח למחסור בזמינות מינרלים עשויה לסייע בעתיד להגדלת היבולים של צמחים חקלאיים תוך הפחתת הצורך בדישון.

למאמר המלא ב- Developmental Cell לחצו כאן

המחקר על שער המגזין Developmental Cell קרדיט: סמדר גולדשטיין, גוש גולדשטיין

המחקר על שער המגזין Developmental Cell קרדיט: סמדר גולדשטיין, גוש גולדשטיין

ד"ר עמר פאל סינג

ד"ר עמר פאל סינג

הדמייה במיקרוסקופ קונפוקאלי של שורש גדל המבטא פקטור שיעתוק מאוחה לסמן פלואוריסנטי פקטור השיעתוק משתתף במסלול הסטרואידי ונודד בין הגרעין (עיגולים עם צבע) בו הוא פעיל ומעודד גדילה, אל מחוצה לו (ואז אינו פעיל), באזור בשורש בו התאים מתארכים (חץ אדום). נדידה זו מבוקרת על ידי רמת ההורמון הסטרואידי, אך גם, כפי שגילו החוקרים, על ידי זמינות מצאי המינרלים בקרקע. למשל, בתגובה לחסך בזרחה החלבון נמצא מחוץ לגרעין (שורש אמצעי) וגדילת השורש מעוכבת. כתוצאה מכך שערות השורש (יונקות) קרובות יותר לקצה השורש. לעומת זאת, בתגובה לחסך בברזל, החלבון מצטבר בגרעין ומביא להאצת הגדילה (שורש ימני).

הדמייה במיקרוסקופ קונפוקאלי של שורש גדל המבטא פקטור שיעתוק מאוחה לסמן פלואוריסנטי. פקטור השיעתוק משתתף במסלול הסטרואידי ונודד בין הגרעין (עיגולים עם צבע) בו הוא פעיל ומעודד גדילה, אל מחוצה לו (ואז אינו פעיל), באזור בשורש בו התאים מתארכים (חץ אדום). נדידה זו מבוקרת על ידי רמת ההורמון הסטרואידי, אך גם, כפי שגילו החוקרים, על ידי זמינות מצאי המינרלים במצע הגידול. למשל, בתגובה לחסך בזרחה החלבון נמצא מחוץ לגרעין (שורש אמצעי) וגדילת השורש מעוכבת. כתוצאה מכך שערות השורש (יונקות) קרובות יותר לקצה השורש. לעומת זאת, בתגובה לחסך בברזל, החלבון מצטבר בגרעין ומביא להאצת הגדילה (שורש ימני).