חוקרים מאוניברסיטת חיפה פענחו חידה בת שלושים שנה וגילו משפחה חדשה של חלבונים שמגנים על חיטה וצמחים אחרים ממחלות
לא לחינם קיבלה החיטה מעמד של כבוד בין שבעת המינים. הדגן החשוב הזה מספק כ-20 אחוז מצריכת החלבונים והקלוריות שלנו. לצד התירס והאורז, החיטה היא אחת משלושת הדגנים העיקריים שעליהם מבוססת התזונה האנושית בימינו. לכן חשוב במיוחד שנדע להגן עליה ממחלות.
לפני כעשרת אלפים שנה, במהלך המהפכה החקלאית, ביית האדם את "אם החיטה" – חיטת הבר הגדלה באזורנו, שממנו התפתחו מיני החיטה התרבותיים. שנים רבות הזהות של אם החיטה הייתה תעלומה, עד שבשנת 1906 זיהה אותה החוקר אהרן אהרונסון גדלה בין הסלעים באזור ראש פינה.
גידול החיטה אינו רק עסק כלכלי חשוב - השוק העולמי מגלגל כ-170 מיליארד דולר בשנה - אלא גם חיוני להזנת האוכלוסייה האנושית הגדלה והולכת. לכן ההגנה על היבולים מפגיעת חיידקים, נגיפים ופטריות שעלולים לתקוף אותם נמצאת בראש סדר העדיפויות של חקלאים וחוקרים. דוגמה למחלה כזאת היא החילדון הצהוב: מחלה שגורמת פטרייה טפילית המסוגלת לפגוע בכ-88 אחוז מזני החיטה בעולם.
לפני כ-30 שנה זוהה בחיטת הבר גֵן של עמידות למחלת החילדון הצהוב. את הגֵן, שנקרא Yr15 זיהו החוקרים הישראלים זאב גרכטר-אמיתי ואדרינה גרמה ממכון וולקני. אך עצם הגילוי לא הספיק. עדיין היה צריך לגלות את מקומו בגנום של החיטה, את רצף הבסיסים שמהם הוא מורכב והכי חשוב – להבין איך הוא פועל.
מחט בערימת שחת
החיפוש אחרי הגֵן Yr15 בתוך סבך ה-DNA של החיטה הוא משימה כמעט בלתי אפשרית. הצופן הגנטי העצום של החיטה מורכב מכ-16 מיליארד בסיסים – פי חמישה מגודל הגנום האנושי. את המשימה הזאת ניגשו לפענח ציון פחימה מהמכון לאבולוציה באוניברסיטת חיפה ועמיתיו, ביניהם מובילת המחקר ולנטינה קלימיוק (Klymiuk).
בעזרת שיטות של מיפוי גנטי הצליחו החוקרים לאתר את המקום המדויק של הגֵן ואת ההרכב שלו. "ידענו שיש גֵן שאחראי על העמידות לחילדון הצהוב, אבל לא ידענו על הייצור של איזה חלבון הוא אחראי ומה מנגנון הפעולה שלו", סיפרו פחימה וקלימיוק לאתר מכון דוידסון. "ברגע שהצלחנו לבודד את רצף הבסיסים הספציפי של הגֵן, יכולנו להעביר אותו לצמחים רגישים ולהקנות להם עמידות למחלה. לפני שגילינו את הזהות של הגֵן, הדרך היחידה להעביר אותו הלאה מאֵם החיטה הייתה להכליא בין שני זנים, ואז בתהליך של ברירה לבדוק אם גֵן העמידות עבר".
כדי להוכיח שהגֵן שמצאו הוא אכן זה שמקנה עמידות לחילדון הצהוב, השתמשו החוקרים בכימיקל בשם EMS שגורם לשינויים ב-DNA. הם טיפלו כך בכ-3,000 צמחי חיטה עמידים, שמהם עשרה איבדו את העמידות שלהם לפטרייה בעקבות ההתערבות. בבדיקה נוספת נמצא שכל המוטציות בצמחים הללו הופיעו באזור הגֵן Yr15. בנוסף, כשהחדירו את הגֵן לצמחים חסרי עמידות, התפתחה בהם עמידות לפטרייה – עוד ראיה לכך שזהו אכן הגֵן שחיפשו.
חלפו 30 שנה מגילוי הגן לעמידות עד לזיהוי מנגנון הפעולה המגן על הצמחים. פטריית החילדון הצהוב בחיטה | צילום: Shutterstock
חלבון מסוג חדש
כעת יכלו החוקרים לבדוק איך הגֵן מעניק לחיטה את העמידות למחלה. תוצאות המחקר העלו כי הגֵן Yr15 משמש ליצירת חלבון ששייך למערכת החיסון של הצמח. הצעד הראשון בהפעלת מערכת החיסון הוא זיהוי הגורם המאיים שתקף את הצמח. הזיהוי נעשה על ידי קולטנים מיוחדים שנמצאים על מעטפת התא או בתוכו. מרבית הקולטנים הללו מזהים מולקולות חלבוניות שנקראות "אפקטורים", שהגורמים שתוקפים את הצמח מפרישים במטרה להשתלט על תאים ולשתק את מערכות ההגנה שלהם.
רוב הקולטנים הללו שייכים למשפחה בשם NLR (ראשי תיבות של Nucleotide-binding domain Leucine-rich Repeat-containing proteins). הקולטנים הללו מזהים את נוכחות האיום ומפעילים עשרות חלבונים אחרים שיכולים לייצר מולקולות אנטי-חיידקיות, או להפעיל תוכנית מוות תאי בתא המודבק. כך תאים נגועים מתים ועוצרים את התפשטותו של גורם המחלה לתאים אחרים.
אולם פחימה וצוותו גילו שהחלבון Yr15 אינו שייך למשפחת הקןלטנים NLR, אלא מייצג מנגנון פעולה אחר שמוביל גם הוא לעצירת הפלישה של גורם המחלה בעזרת מוות מתוכנן של תאים. למעשה מדובר בגילוי מפתיע של משפחת חלבונים חדשה בצמחים שקיבלה את השם TKP (קיצור של Tandem Kinase-Pseudokinases), שמפעילים את תוכנית המוות התאי בדרך שונה ממה שהכרנו עד כה.
החלבונים האלה מורכבים משתי יחידות שהתאחדו לחלבון אחד: אחת בשם קינאז והשנייה נקראת פסאודו קינאז. החוקרים הציעו מודל שכינו "מודל הפיתיון", שלפיו הפסאודו-קינאז פועל כפיתיון שאליו נקשרות מולקולות האפקטור של מחולל המחלה, והקישור הזה מפעיל את מולקולת הקינאז הצמודה אליו. הקינאז בתורו מפעיל חלבונים אחרים שיכולים להניע מוות תאי.
עדיין לא ברור אם משפחת החלבונים החדשה מביאה לאותה תגובה בכל סוגי הצמחים. כעת רוצים החוקרים לבדוק אם יש הפעלה של תוכניות תאיות אחרות או שהתגובה משתנה בהתאם לסוג האיום שחלבונים הללו מזהים.
משפחה חדשה של חלבונים. פחימה (משמאל) וקלימיוק עם נשיא אוניברסיטת חיפה, רון רובין | צילום: אוניברסיטת חיפה
אבולוציה מתכנסת
מעבר לפוטנציאל הרב של השימוש ב-Yr15 כדי להגן על יבולי החיטה, הגילוי שופך אור גם על האבולוציה של משפחת חלבוני TKP. מתברר שחלבונים דומים קיימים גם אצל בני אדם (החלבון JAK3 השייך גם הוא למערכת החיסון ופועל לפעמים על ידי הפעלת תוכנית מוות תאי, וכן במינים אחרים של צמחים. "גילוי משפחת החלבונים החדשה הזאת מעיד על תהליך של אבולוציה מתכנסת, כלומר התפתחות עצמאית של מנגנונים מולקולריים דומים אצל יצורים מממלכות טבע שונות לגמרי", אומר פחימה.
בעתיד מקווים החוקרים לגלות מהן מולקולות האפקטור שהחלבון Yr15 מזהה, ואיזה חלבונים נוספים הוא מפעיל כדי לחולל את המוות התאי. קלימיוק רוצה אף לחפש חלבונים דומים בצמחים נוספים, "נכון להיום בדקנו את הנוכחות של הגֵן Yr15 בעוד 11 מיני צמחים פרט לחיטה, כעת אנחנו רוצים להרחיב את החיפוש ליותר ממאה צמחים נוספים שהגנום שלהם רוצף", היא מסכמת.
