פריצת דרך מדעית: שיפור משמעותי לתהליך השיבוט הגנטי של צמחים

במחקר בינלאומי נרחב ורב-שלבי שארך 8 שנים, בהובלת חוקרים מבית הספר למדעי הצמח באוניברסיטת תל אביב וממכון וולקני , פותחו חומרים חדשים שמגדילים משמעותית את אחוזי ההשרשה של  ייחורים שנלקחו מעצים. החוקרים מסבירים שהשרשת ייחורים היא גורם קריטי בחקלאות המודרנית:  "חלק ניכר מעצי הפרי, כמו גם עצי יער וצמחי נוי, מתבססים כיום על השרשת ייחורים: יצירת צמחים שהם שיבוטים גנטיים של פרט בעל תכונות רצויות. שיפור תהליך ההשרשה יכול לתרום לחקלאות העולמית במגוון היבטים: פיתוח זנים איכותיים חדשים, הוזלת מחירים לחקלאי ולצרכן, הגדלת הכלכליות של גידולים רבים, והתאמת גידולים לתנאי האקלים המשתנים."

המחקר הובל על ידי ד"ר רועי ויינשטיין ותלמיד המחקר אהד רוט מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון באוניברסיטת תל אביב, וד"ר עינת שדות מהמכון למדעי הצמח במכון וולקני. כמו כן השתתפו במחקר: ד"ר אינה וינץ מבית הספר למדעי הצמח באוניברסיטת תל אביב, פרופ' ניר בן-טל וד"ר עמית קסל מבית הספר לנוירוביולוגיה, ביוכימיה וביופיסיקה באוניברסיטת תל אביב, סלע יחזקאל, אורי סררו, אבי אליהו, פן צאלה, ד"ר ויקאס דיוודי, ד"ר מירה כרמלי-וייסברג, פליקס שעיה, וד"ר עדי פייגנבוים-דורון ממכון וולקני, ופרופ' יוסף ריוב מהפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית. המחקר בוצע בשיתוף פעולה עם חוקרים מארה"ב, מגרמניה, מדנמרק ומאנגליה, ותוצאותיו פורסמו בכתב העת היוקרתי Nature Biotechnology.

מסבירה ד"ר שדות: "שיטת הייחורים משמעה ריבוי א-מיני של צמחים, שלא באמצעות זרעים. בשיטה זו נלקח ענף מפרט נבחר בעל תכונות רצויות (טעם הפרי, עמידות ליובש, עמידות למחלות וכד'), וחלקים מאותו ענף, הנקראים ייחורים, נחשפים לתנאים שגורמים להם להצמיח שורשים ולהפוך לצמחים עצמאיים. הפרטים החדשים שנוצרים בדרך זו הם למעשה שיבוטים, בעלי גנטיקה זהה לזו של צמח האם. כדי שהגידול יהיה כלכלי, יש צורך באחוזי השרשה של 60-50% לפחות, ונתון זה מהווה שיקול משמעותי בבחירת החקלאי. אחוזי ההשרשה משתנים בין סוגים שונים של אותה משפחה, בין מינים שונים של אותו סוג, ואף בין זנים שונים של אותו מין, וקיימים צמחי חקלאות חשובים שקשה במיוחד להשרישם."

כדי לשפר את אחוזי ההשרשה נהוג לחשוף ייחורים להורמון הצמחי אוקסין – הליך שהתגלה כבר לפני כ-70 שנה וכמעט שלא השתנה מאז. ד"ר ויינשטיין: "יעילות הטיפול הקיים באוקסין משתנה מגידול לגידול. יש סוגי צמחים רבים שמגיבים אליו במידה מועטה בלבד, ואחוזי ההשרשה שלהם נותרים נמוכים. במחקר שלנו ביקשנו להגביר את השפעת האוקסין על הייחורים. מספר עדויות בספרות המחקרית ותצפיות של אנשי מקצוע בשטח הובילו אותנו לשאלת המחקר: האם שחרור איטי של האוקסין בצמח יגדיל את הצלחת ההשרשה של הייחורים?" בשלב הראשון יצרו החוקרים 'ספרייה' של חומרים המבוססת על תצמידי אוקסינים סינטטיים – מולקולות בהן אוקסין סינטטי מחובר לקבוצה כימית אחרת, המנטרלת את פעילותו. השפעת החומרים נבדקה על ייחורים של העץ אקליפטוס גרנדיס, אשר בטיפול סטנדרטי באוקסין מגיעים לאחוזי השרשה נמוכים של כ-15-10% בלבד. 

מסביר תלמיד המחקר אהד רוט: "הבחינה הראשונית איתרה מספר חומרים בעלי השפעה חיובית על תהליך ההשרשה והמשך המחקר התמקד בחומר היעיל ביותר. גילינו שחומר זה מאפשר שילוב של חדירות גבוהה לצמח  עם שחרור ממושך של החומר הפעיל, האוקסין הסינטטי, כך שהאוקסין שוהה בצמח הרבה יותר זמן - עד שבוע וחצי במקום יומיים בטיפול הרגיל." ואכן, הטיפול המשודרג הקפיץ את אחוזי ההשרשה של ייחורי האקליפטוס גרנדיס ל-60% - עד פי 6 מהשיטה הסטנדרטית.

בהמשך, על מנת להבין לעומק את אופן פעילותו של החומר החדש, השתמשו החוקרים בצמח הארבידופסיס, צמח המודל הנפוץ בעולם. הם גילו כי האוקסין הסינטטי שבבסיס החומר החדש יציב יותר (כלומר מתפרק לאט יותר) בתאי הצמח בהשוואה לאוקסין שבבסיס החומר הסטנדרטי. בנוסף, החוקרים זיהו משפחה של אנזימים בצמח האחראים לשחרור האוקסין הסינטטי, ומווסתים את קצב השחרור. באמצעות מידול המבנה והתכונות הביוכימיות של האנזימים הללו אותרו מאפיינים חשובים של פעילותם. 

בשלב הבא ביקשו החוקרים לבדוק אם אותם אנזימים קיימים גם בצמחים אחרים – בהנחה שנוכחותם תאפשר שימוש בחומר החדש גם בגידולים נוספים. הם גילו שהאנזימים הללו, או מקבילותיהם, הם עתיקים מאוד והשתמרו לאורך האבולוציה בכל עץ שנבדק. לאור הממצאים המעודדים הם החלו לבחון את יעילות החומרים שפיתחו במגוון גידולים חקלאיים. 
 

אחד הגידולים החשובים שנבדקו במחקר הוא הארגן – עץ השמן המרוקאי. החוקרים: "הביקוש העולמי לשמן הארגן גדל משנה לשנה, מכיוון שהוא משולב במגוון גדול של מוצרי מזון, בריאות וטיפוח. אך עד היום, המקור הכמעט בלעדי לשמן זה הוא פירות של עצי ארגן שגדלים באופן אנדמי במרוקו, ומתרבים ברבייה מינית, כלומר דרך זרעים. כל המאמצים להפוך את הארגן לגידול חקלאי, שניתן לרבות אותו על ידי השרשת ייחורים, נכשלו – כולל ניסיונות אצלנו בישראל. במחקר שלנו נטלנו ייחורים מכמה עצי ארגן שגדלים בישראל, חשפנו אותם לחומר שפיתחנו, והצלחנו בדרך זו לייצר מספר גדול של שתילים. בשיתוף עם הקיבוצים קטורה, בית קמה, חצרים וסמר שתלנו מטעי ארגן המבוססים על ייחורים מפרטים בודדים, שהושרשו באמצעות חומר ההשרשה החדש, וכעת אנו בוחנים היתכנות להפוך אותם לגידול חקלאי בישראל. " תוצאות מעודדות התקבלו גם בניסויים עם ייחורים של  כנות תפוח, מיני צפצפה וזנים נוספים של אקליפטוס. בכולם הושגו אחוזי השרשה גבוהים, פי 2 ויותר בהשוואה לטיפול האוקסין הסטנדרטי. 

החוקרים מסכמים: "במהלך המחקר פיתחנו חומר שמשפר משמעותית את אחוזי ההשרשה של ייחורים חקלאיים. הפיתוח יכול להיות משמעותי ביותר לחקלאות העולמית בשלושה היבטים. ראשית, הוזלה: ייעול הליך ההשרשה עשוי להוזיל משמעותית את עלות השתילים לחקלאי, ובסופו של דבר גם את התוצרת החקלאית לצרכנים. שנית, איכות התוצרת: בזכות השיטה ניתן לפתח ולמסחר יותר זנים איכותיים, ואין עוד צורך 'להתפשר' על זנים איכותיים פחות רק בגלל שיש להם אחוזי השרשה גבוהים. ושלישית, התאמה לסביבה: השיטה יכולה לייעל ולהאיץ פיתוח של זנים בעלי תכונות המותאמות לסביבתם המשתנה, כמענה לשינויי האקלים המהירים. במחקרי המשך נעמיק את הבנת מנגנון הפעולה של החומרים החדשים ונחפש חומרים נוספים, אולי אף יעילים יותר, שיכולים לשמש כתצמידים המאטים את שחרור האוקסין בצמח."