בין מסה לצורה
חוקרים בטכניון מציגים מבט חדש על הארכיטקטורה של שורשי צמחים. ממצאי המחקר עשויים לשפר יבולים חקלאיים בעידן של שינויי אקלים
שינויי האקלים משפיעים על כל היבטי חיינו, לרבות חקלאות ומזון. נזקיהם של שינויים אלה קשורים בשורה של תופעות ובהן בצורת, שינוי בפריסת המשקעים, עלייה בטמפרטורות ובשכיחות גלי חום והתפרצות מחלות צמחים.
על פי דוח של משרד החקלאות וביטחון המזון, הנזק הכלכלי ליבולים חקלאיים צפוי להרקיע ליותר ממיליארד וחצי דולר בשנה – אלא אם יינקטו צעדים יעילים למניעתו.
אחת מדרכי ההתמודדות עם שינויים אלה היא הבנה מעמיקה יותר של מנגנוני ההתפתחות של צמחים – תחום שבו עוסקת פרופ’ סיגל סבלדי-גולדשטיין מהפקולטה לביולוגיה בטכניון. במאמר שפרסמה קבוצת המחקר שלה בכתב העת Nature Communications מתוארת מערכת הבקרה של הצמח על שורשיו – מערכת חיונית הקובעת את הדינמיקה של התפתחות והתפצלות השורש ועשויה לחרוץ את גורלו. את המחקר הובילה הפוסט-דוקטורנטית ד”ר היטאישי קנדל והשתתפו בו חוקרים ממיגל (מכון למחקר מדעי יישומי בגליל), מהאוניברסיטה העברית ומאוניברסיטת אוטרכט בהולנד.
“צמחים הם מומחים בתיאום,” מסבירה פרופ’ סבלדי-גולדשטיין. “העלים והגבעולים שמעל הקרקע, והשורשים שמתחתיה, פועלים כמערכת משולבת המנהלת את האנרגיה והמשאבים שברשותה באופן יעיל, זאת באמצעות אותות. ”
אחד האותות החיוניים להתפתחותו התקינה של הצמח מבוסס על ההורמון הסטרואידי ברסינוסטרואיד (BR). בהעדרו של הורמון זה התפתחות הצמח משתבשת והוא לרוב אינו פורה. מחקרים בשנים האחרונות, כולל במעבדת סבלדי, הובילו לקפיצת דרך בהבנה המולקולרית של השפעות מסלול ההורמון, החל ברמת הצמח השלם ועד לרמת התא הבודד, אולם החשיבות היחסית של פעילות ההורמון בנוף הצמח (כלומר בעלים ובגבעולים) לעומת השורשים, והשלכותיה על מערכת השורשים, נותרה שאלה פתוחה.
כדי להשיב על שאלה בסיסית זו יצרו חוקרי הטכניון מיקרו-הרכבות, כלומר, הרכיבו חלק עליון (נוף) על גבי חלק תחתון (שורש) שנחתכו מצמחים צעירים, כאשר כל חלק הוא בעל רקע גנטי שונה: או בעל רקע גנטי תקין, או כזה שאינו מייצר או קולט את ההורמון. הם אפיינו באופן מקיף ומעמיק את מערכות השורשים שנוצרו בצמחים המורכבים. האפיון כלל בחינת התצורה, פרופיל מטבולי ופרופיל ביטוי גנים, תוך שימוש במיקרוסקופיית אלקטרונים ובמודל מתמטי ייעודי שפותח בשיתוף עם חוקרים מאוניברסיטת אוטרכט. המחקר נערך בשני מיני צמחים: ארבידופסיס, המשמש כצמח מודל נפוץ במדעי הצמח, ועגבנייה, לצורך תיקוף הממצאים בצמח חקלאי.
הממצאים חשפו את ההבדל בין פעילותו של ההורמון BR בנוף הצמח ובשורש עצמו בקביעת תצורת מערכת השורשים:
- פעילות ההורמון בנוף חיונית לשליטה בכמות הפחמן (בצורת סוכרים) המוזרמת אל השורש, ובכך קובעת את הביומסה הכוללת של מערכת השורשים. לדוגמה, הממצאים הראו שפעילות BR בנוף מאפשרת שיקום מלא של ביומסת שורש שמקורה ברקע גנטי שאינו מייצר את ההורמון.
- פעילות ההורמון בשורש ממלאת תפקיד שונה: היא קובעת את הגאומטריה של תאי השורש ומכתיבה את כיוון גדילתם. כך היא משפיעה על פיזור הפחמן לאורך השורש בכלל ועל ויסות עובי דופן התא (שם אגור הפחמן) בפרט.
כדי לבחון תובנות אלו, פיתחו חוקרי הטכניון עם עמיתיהם באוניברסיטת אוטרכט מודל סימולציה מקורי בשם “grow and branch” (“לגדול ולהסתעף”). מודל זה משלב את ההשפעות השונות של הבקרה ההורמונלית בנוף הצמח ובשורשיו. הוא מראה כי שילוב תפקידיו של ההורמון בנוף (זמינות פחמן) ובשורשים (כיוון הגדילה) מספיק כדי להסביר את תצורת מערכת השורשים בצמח (הנגזרת מהדינמיקה של התארכות השורש והסתעפויותיו). יתרה מכך, המודל מצליח לנבא את ארכיטקטורת מערכות השורשים השונות שנצפו בצמחים תקינים, בצמחים לא-תקינים (שאינם מייצרים או קולטים הורמון) ובצירופים שונים של מיקרו-הרכבות. ממצאים אלה מצביעים על כך שמודל “grow and branch” מהווה כלי לקישור בין פעילות מולקולרית לבין ארכיטקטורת השורשים.
לדברי החוקרות, “גישה בין-תחומית זו תורמת להבנה מעמיקה יותר של התהוות הארכיטקטורה של מערכת השורשים וסוללת דרכים חדשות לבדיקת אופטימיזציה של שורשי גידולים חקלאיים בהשפעה על מסה, צורה, ותכונות גנטיות החשובות בהתמודדות עם תנאי סביבה מאתגרים. כל אלה, כאמור, חיוניים במיוחד נוכח שינויי האקלים והצורך בחיזוק ביטחון המזון בעולם.”
המחקר נתמך על ידי ה-ISF – הקרן הלאומית למדע.
למאמר: https://doi.org/10.1038/s41467-025-59202-6
