פריצת דרך מדעית תסייע להגדיל את היבול של צמחים בתנאים של יובש

תגלית חדשה של חוקרי בית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון מהפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל אביב, הצליחה ליצור ולאפיין זנים של עגבנייה בעלי יעילות נצילות מים גבוה יותר ללא פגיעה ביבול. החוקרים נעזרו בטכנולוגית הקריספר ובאמצעות עריכה גנטית הצליחו לגדל עגבנייה שצורכת פחות מים מבלי שתהיה פגיעה ביבול ובאיכות ובטעם.  

המחקר נערך במעבדתם של פרופ' שאול ילובסקי וד"ר ניר שדה ובהובלת צוות חוקרים מבית הספר למדעי הצמח, הפקולטה למדעי החיים באוניברסיטת תל אביב: Dr. Malikarjuna Rao Puli לשעבר פוסטדוקטונט בהנחייתו של פרופ' שאול ילובסקי ו- Purity Muchoki, סטודנטית לד״ר בהנחיה משותפת של פרופ' ילובסקי וד"ר ניר שדה. למחקר היו שותפים גם סטודנטים ופוסטדוקטורנטים נוספים מבית הספר למדעי הצמח באוניברסיטת תל אביב, חוקרים מאוניברסיטת בן גוריון וחוקר מאוניברסיטת אורגון בארה״ב. המחקר פורסם בכתב העת האקדמי PNAS. 

 
החוקרים מסבירים כי לאור ההתחממות הגלובלית והצמצום במקורות מים שפירים יש ביקוש הולך ועולה לגידולים חקלאים שיצרכו פחות מים ללא שתהיה פגיעה ביבול. יחד עם זאת, באופן טבעי, וכיוון שגידולים חקלאיים ניזונים ממים כדי לגדול ולהתפתח, ישנו קושי רב לאתר זני צמחים מתאימים. 
צמחים מאדים מים בתהליך הדיות (טרנספירציה) וקולטים פחמן דו חמצני, שאותו הם הופכים לסוכר בתהליך הפוטוסינתזה, דרך פתחים בעלה הנקראים פיוניות. שני תהליכים אלו: דיות המים וקליטת פחמן דו חמצני מתרחשים בו זמנית דרך פתחי הפיוניות. הפיוניות בעלים הם פתחים שנפתחים ונסגרים ועל ידי כך הצמח שולט על משק המים שלו. 
 

החוקרים מוסיפים כי בתנאים של יובש, הצמח סוגר את הפיוניות ועל ידי כך מאבד פחות מים. הבעיה היא, שבגלל הצימוד בין הדיות (איוד המים) לקליטת הפחמן הדו חמצני, הסגירה של הפיוניות גורמת לירידה בכמות הפחמן הדו חמצני שנקלט בצמח. כאשר צמחים קולטים פחות  פחמן דו חמצני יש ירידה בפוטוסינתזה שכתוצאה ממנה הצמחים מיצרים פחות סוכר. הצמחים זקוקים לסוכר שנוצר בפוטוסינתזה כמקור לאנרגיה  ולכן ירידה בפוטוסינתזה פוגעת בגדילה של צמחים. בצמחי יבול, הירידה בפוטוסינתזה מתבטאת בירידה בכמות היבול ואיכותו. בעגבנייה למשל הפגיעה ביבול באה לידי ביטוי בירידה במספר הפירות ומשקלם ובכמות הסוכר בפרי. זאת אומרת שיש פגיעה הן בכמות הפירות והן באיכות שלהם, שכן פירות עם תכולת סוכר נמוכה יותר יהיו פחות טעימים ומזינים.

 
במסגרת המחקר הנוכחי, החוקרים יצרו שינוי בעגבנייה בעזרת עריכה גנטית בשיטת CRISPR בגן שנקרא ROP9. חלבוני ה ROP מתפקדים כמתגים שנמצאים במצב פעיל או לא פעיל. 
פרופ' ילובסקי: "אנו גילינו, שפגיעה בפעילות של ה- ROP9 (כאשר הם אינם פעילים) גורמת לסגירה חלקית של הפיוניות במיוחד בשעות הצהרים כאשר קצב איבוד המים מהצמחים בתהליך הדיות הוא הגבוה ביותר. לעומת זאת בשעות הבוקר ואחר הצהרים כאשר קצב הדיות נמוך יותר לא היה הבדל משמעותי בקצב אובדן המים בהשוואה בין צמחי ביקורת לצמחים שפגועים ב ROP9. בגלל שהפיוניות היו פתוחות בשעות הבוקר ואחר הצהרים הצמחים יכלו לקלטו מספיק פחמן דו חמצני ולא הייתה ירידה בפוטוסינתזה גם בשעות הצהרים, אשר בהן הפיוניות סגורות יותר בצמחים שפגועים ב ROP9".

 
על מנת לבדוק מה ההשפעה של הפגיעה ב ROP9 על היבול החוקרים עשו ניסוי שדה עם מאות צמחים. הניסוי  הראה שלמרות שהצמחים שפגועים ב ROP9 מאבדים פחות מים בתהליך הדיות אין פגיעה בפוטוסינתזה, בכמות היבול ובאיכותו (כמות הסוכר בפירות). כמו כן, המחקר זיהה מנגנון חדש ומפתיע לבקרה על הפתיחה והסגירה של הפיוניות שקשור לרמה של חומרים מחמצנים בפיוניות ולכן יש לו היבטים חשובים מאוד גם למדע הבסיסי.

 
ד"ר שדה: "יש דמיון רב בין ה ROP9 מעגבנייה לבין חלבוני  ROP מצמחי יבול אחרים כמו פלפל, חציל וגם חיטה. לפיכך, יתכן והתגליות שלנו המתוארות במאמר יוכלו להוות בסיס לפיתוח צמחי יבול נוספים בעלי יעילות נצילות מים משופרת ולהבנה מעמיקה יותר של הקרה על הסגירה והפתיחה של פיוניות".