גנטיקה מולקולרית, התפתחות ופיזיולוגיה
תחום הגנטיקה המולקולרית, ההתפתחות והפיזיולוגיה של הצמח הוא אבן יסוד במדעי הצמח המודרניים, והוא חיוני להבנת האופן שבו צמחים גדלים, מגיבים לסביבה ומשנים את תפקודם לאורך חייהם. ידע זה הוא מפתח לפיתוח חקלאות מדייקת, יעילה ועמידה, להתמודדות עם אתגרי שינויי האקלים, ולהבטחת ייצור מזון, סיבים ואנרגיה לתמיכה באוכלוסייה עולמית גדלה. שילוב מחקר בסיסי עם כלים טכנולוגיים מתקדמים מאפשר לחשוף מנגנונים חדשים ולהניע חדשנות יישומית במגוון תחומים — מברירה גנטית חכמה ועד ביוטכנולוגיה חקלאית וביולוגיה סינתטית.
מחקר בגנטיקה מולקולרית, התפתחות ופיזיולוגיה של צמחים עוסק בהבנת המנגנונים המולקולריים, התאיים והמערכתיים שמבקרים את גדילת הצמח, דפוסי ההתפתחות שלו, ויכולתו להגיב לשינויים סביבתיים. החוקרים שואפים לחשוף כיצד הצמח מתאם בין קליטת אותות מהסביבה החיצונית - כמו אור, טמפרטורה, מים, מלחים, ומפגעים ביוטיים - לבין שינויים מבוקרים ברמת התא, הרקמה והאורגניזם השלם.
המחקר מתמקד במודלים קלאסיים כגון ארבידופסיס, טבק ועגבנייה, אך כולל גם צמחי יבול חשובים כלכלית כמו אורז, חיטה, תירס וגידולים נוספים, במטרה לקדם הבנה בסיסית ויישומית כאחד. שאלות מחקר מרכזיות כוללות את הבנת תהליכי התפתחות שורשים ועלים, בקרת פתיחת פיוניות, ויסות תנועה של מים ומומסים, אינטראקציה בין הורמונים, ותגובת הצמח לעקה סביבתית.
במחקר משולבות שיטות חדשניות ממגוון תחומים: ביולוגיה מולקולרית ועריכה גנומית (כולל CRISPR), הדמיה תאית מתקדמת, ביוכימיה של חלבונים, ביואינפורמטיקה, פנומיקה ומידול מתמטי. כלים אלה מאפשרים מדידה מדויקת של ביטוי גנים, פעילות חלבונים, זרימה תוך תאית, ושינויים פיזיולוגיים בזמן אמת - ובכך לחשוף את הקשרים המורכבים בין גנום, מבנה ותפקוד. המחקר בבית הספר שואף לתרגם ידע בסיסי להבנה מערכתית של צמחים ולהוות בסיס לפיתוח פתרונות בתחומי החקלאות, שמירת טבע והתמודדות עם שינויי אקלים, תוך טיפוח זנים עמידים, יעילים ומותאמים לעולם משתנה.
Research in molecular genetics, plant development, and physiology focuses on understanding the molecular, cellular, and systemic mechanisms that regulate plant growth, developmental patterns, and the plant’s ability to respond to environmental changes. Scientists aim to uncover how plants integrate external environmental signals—such as light, temperature, water availability, salinity, and biotic stressors—with tightly controlled responses at the cellular, tissue, and whole-organism levels.
The research utilizes classical model organisms such as Arabidopsis, tobacco, and tomato, while also extending to economically important crop species like rice, wheat, maize, and others. This dual approach supports both fundamental discovery and applied agricultural advancements. Key research questions include root and leaf development, stomatal regulation, water and solute transport, hormone interactions, and plant responses to environmental stress.
The work integrates cutting-edge methodologies from multiple disciplines: molecular biology and genome editing (including CRISPR), advanced cellular imaging, protein biochemistry, bioinformatics, phenomics, and mathematical modeling. These tools enable precise measurement of gene expression, protein activity, intracellular transport, and real-time physiological changes—helping to unravel the complex relationships between genome, structure, and function.
At the School of Plant Sciences and Food Security, the goal is to translate basic research into a systems-level understanding of plant function and to lay the groundwork for practical solutions in agriculture, conservation, and climate change mitigation. This includes breeding resilient, efficient, and adaptable plant varieties for a rapidly changing world.
The field of molecular genetics, development, and plant physiology is a cornerstone of modern plant science. It is essential for understanding how plants grow, respond to their environment, and adjust their functions over time. This knowledge is key to developing precise, efficient, and resilient agriculture, meeting the challenges of climate change, and ensuring the production of food, fiber, and energy to support a growing global population. By combining fundamental research with advanced technologies, scientists can uncover new mechanisms and drive innovation across a wide range of fields—from smart crop breeding to agricultural biotechnology and synthetic biology.
Researchers in this field:
Prof. Eilon Shani
The Shani lab develops next-generation genetics tools that enhance basic plant research and crop resilience. To uncover “hidden” traits that are important for plant resilience and food security, we developed the Multi-Knock technology - the first genome-scale multi-targeted CRISPR libraries in plants. Multi-Knock can be applied to most crops and all breeding traits. Therefore, we expect the new toolbox we develop here to transform how scientists and breeders perform genetics. We utilize the next-generation genetics CRISPR libraries to reveal and characterize transport mechanisms of the main plant hormones - abscisic acid, auxin, cytokinin, and gibberellin. We study how subcellular, cell-to-cell, long-distance hormone movement, and local hormone sinks trigger or prevent hormone-mediated responses. In these studies, we utilize a range of approaches and methods, including plant genetics, plant biotechnology, genome editing, genome-scale CRISPR libraries, plant physiology, response to drought and salt, and fluorescent microscopy.
Lab Website: https://www.shanilab.sites.tau.ac.il/
Prof. Shaul Yalovsky
Research in my laboratory focusses on the interfaces of development and cell biology with abiotic stress responses in plants. We study signaling mechanisms that increase plant tolerance to drought and salt stress and increase water use efficiency. We are also interested in signaling mechanisms that regulate secondary cell wall formation in plants and the regulation of lignin content with the aim of developing crops with reduced cell wall recalcitrance toward biofuel formation. In our research, we use cell and molecular biology, biochemistry, and physiology methods such as CRISPR-mediated genome editing, confocal and light microscopy, RNA-seq, DNA-seq, protein-protein interaction, and gas exchange.
Lab Website: https://www.yalovskylab.sites.tau.ac.il/
Prof. Nir Ohad
The Ohad group is studying the role of plant epigenetics during reproduction, embryogenesis, and development from the seedling stage to adulthood. To understand these epigenetic mechanisms, we have been using Arabidopsis thaliana as a model for flowering plants and the moss Pyscomitrium patens, serving as a model for early terrestrial plants. To study the effects of environmental conditions on reproduction and dispersal strategies we use the mixed mating plant Lamium amplexicaule. In our studies we employ genetic, physiological, morphological, and theoretical tools along with molecular genetics, and biochemical tools including gene knockout, genome-wide methylation analysis, and transcriptomics.
Lab Website: https://en-lifesci.tau.ac.il/profile/niro
Dr. Lior Tal
My lab aims to reveal how plants utilize protein breakdown to adjust molecular signaling cascades and facilitate growth responses to abiotic changes. We specialize in protein-protein interactions, employ CRISPR/Cas9 for genome editing, and baculovirus-based systems for expressing and purifying plant proteins.
Lab Website: https://tallior.wixsite.com/tal-lab
Dr. Nir Sade
My lab research is focused on important agricultural traits which are highly effected by abiotic stress such as water movement (hydraulics), water use efficiency, root morphology and carbon/nitrogen allocation. In my lab, efforts are underway, to both discover the genes that regulate those traits as well as to generate crops with better tolerance to harsh conditions. In addition to common molecular and biochemical tools, we use advanced systems for phenotypic characterization of crop plants, including pressure cells, lysimeter systems, systems for measuring gas exchange, and hyperspectral cameras.
Lab Website: https://nirsade1978.wixsite.com/nirsadelab
Dr. Yosef Fichman
Plants respond to changes in their environment to survive and grow. When one part of a plant is stressed, the whole plant responds within minutes. This is called systemic acclimation, a process by which plants adjust their metabolism, physiology, and biochemistry to adapt to changes in their growth conditions or environment.
Our research focuses on the molecular mechanisms on of systemic acclimation to light and other abiotic stresses. We study how signals such as reactive oxygen species, calcium, and membrane depolarization spread rapidly within cells and from cell to cell. We also investigate how these signals affect amino acid metabolism, which plays a role in acclimation.
To answer these questions, we use a variety of methods, including molecular biology, genetic screens, imaging, physiological assays, and omics.
