גיוס חיידקים ופטריות שמקורם בקרקע כדי לסייע בצמיחתם של יבולי מזון הוא חלופה מבטיחה לשימוש הנרחב בחומרי הדברה ודישון

בקיצור

  • חיידקים המצויים ביבולי מאכל ובסביבותיהם אינם גורמים למחלות בהכרח. לעתים הם עושים בדיוק את ההפך ומשמשים שומרי הבטיחות הביולוגיים של המזון וחלופה סבירה וידידותית לסביבה לשימוש הנרחב בחומרי דישון והדברה.
  • פיזור חיידקים על גבי יבולים הוא אסטרטגיה חדשה של חוקרים מאוניברסיטת וירג'יניה שריססו שתלי עגבניות בחיידקי קרקע הקוטלים חיידקי סלמונלה. החוקרים מקווים שהגישה תמנע את ההתפרצויות השנתיות של הרעלות מזון הנגרמות מעגבניות אורגניות שגודלו באזור החוף המזרחי של ארה"ב.
  • הוספה של פטריות לגידולים של צמחי קַסַאווָה, פרויקט של חוקרים בקולומביה, עוזרת לשורשיהם לספוג פוספאטים מן הקרקע ללא צורך בדשנים יקרים, יתרון חשוב במדינות טרופיות, שבהן הקרקע ענייה במיוחד בחומרים מזינים.

עגבניות טריות ובשלות מדוכן בצד הדרך, חתוכות ומוגשות עם מלח, מעט פלפל וכמה טיפות שמן זית, מתענוגות החיים של הקיץ. למות מהן? אולי.

כמעט בכל שנה בעשר השנים האחרונות זיהו פקחי בריאות בחוף המזרחי של ארה"ב התפרצויות של חיידקי סַלמוֹנֶלָה שמקורם בשדות סמוכים. בדרך כלל ההתפרצויות מקומיות, והן פוגעות בכל פעם רק בכ-10 עד 100 בני אדם. ובכל זאת, הדבקה של מבוגרים מאוד או צעירים מאוד עלולה להביא לידי אשפוזם ואף לגרום למותם.

לפני כמה שנים החל אריק בראון, מנהל תחום המיקרוביולוגיה במרכז לבטיחות מזון ולתזונה שימושית במנהל התרופות והמזון של ארה"ב (FDA), לתהות: מדוע דווקא עגבניות מן החוף המזרחי? ככלות הכול, חיידקי סלמונלה מגיעים לשדות העגבניות ממים עיליים ומהפרשות של שחפים, עופות, צבים וחיות אחרות. אז מדוע עגבניות מן החוף המערבי של ארה"ב אינן מזוהמות גם הן?

התשובה לתהייתו של בראון הגיעה מניתוח הרכבה של אוכלוסיית החיידקים, הנגיפים והפטריות שחיה בצמחים ובסביבתם, אוכלוסייה שמדענים מכנים בשם מיקרובְּיוֹם. התברר שבקרקעות החוף המערבי שבהן מגדלים עגבניות מצויים חיידקים שמעכבים את גדילתם של חיידקי הסלמונלה ואף הורגים אותם. כשחיפשו החוקרים את מיני החיידקים האלה באדמת החוף המזרחי הם מצאו אותם, אבל בכמויות קטנות יותר. לפיכך במחקר ניסיוני בווירג'יניה החלו חוקרי ה- FDAלרסס זן אחד של חיידקים כאלה, פאניבצילוס (Paenibacillus), על גבי שתילי עגבניות כדי להשיג השפעה נוגדת סלמונלה ביבולים. בראון מצפה שהתהליך יהיה מסחרי וזמין לחקלאים ב-2014 או ב-2015.

הוספת חיידקים ליבולים כדי למנוע מחלות בבני אדם יכולה לשמש שיטה חדשה לגמרי להבטחת בטיחות המזון. השיטה עשויה לשמש גם גידולים אחרים, כמו מלונים, תרד ונבטים, שעלו לכותרות לאחר התפרצויות של סלמונלה או אי קולי (Escherichia coli). למעשה, מיזם העגבניות משתלב היטב במהפך דרמתי הרבה יותר בדרך שאנו מגדלים את מזוננו, מהפך המסתמך על ידע חדש המאפשר לנו להבין את הדרכים הרבות שבהן יצורים מיקרוסקופיים החיים בקרקע משפיעים על צמחים ומושפעים מהם.

איור עץ פרי עם שורשים בקובייה שקופה. קרדיט: דן פוליי  | Scientific American
איור: דן פוליי

מדובר במגמה הפוכה כמעט לגמרי מן המהפכה הירוקה, שהעלתה באופן דרמטי את התפוקה החקלאית במחצית השנייה של המאה ה-20 בעזרת שימוש נרחב בחומרי הדברה, בחומרי דישון ובמים. לעומתה, המהפכה החיידקית מתבססת על שימוש במה שכבר מצוי בסביבה באופן טבעי: 40,000 מיני המיקרואורגניזמים החיים בכל גרם של קרקע בממוצע. עד לאחרונה היו קהילות החיידקים האלה, שאפשר לכנותן בשם אַגְרוֹבִּיוֹם, מסתוריות רובן. ואולם, בעשור האחרון, בזכות הוזלת העלות של קביעת רצף הדנ"א וטכנולוגיות נוספות, נפתח פתח לעולם נסתר זה. בוטניקאים יכולים היום לזהות כל אחד ממיני המיקרואורגניזמים החיים בסביבתו של צמח מסוים. הם מתחילים להבין כיצד חיידקים שונים מתנהגים בעונות שונות של השנה ובסוגי קרקע שונים ולפתח דרכים כדי לנצל אותם לשיפור צמיחתם של צמחים.

מדעני קרקע מרגישים בוודאי מבולבלים לנוכח כמות המידע העצומה הזאת שנפלה עליהם לפתע. "כרגע ההרגשה היא קצת כמו בפתח של ארץ פלאות ענקית," אומרת באנחה אדריאה אוֹטֶטסֶן, המיקרוביולוגית ב-FDA שפיצחה את חידת העגבניות והסלמונלה. אבל נראה שמציאת דרכים להתמודד עם שפע המידע החדש הזה כדי לסייע לחקלאים לגדל יבולים באופן יעיל יותר היא משימה דחופה מתמיד בשל האתגרים הגדולים העומדים בפני החקלאות כיום: מחסור עולמי במים, תנאי אקלים קיצוניים ולא צפויים כמו הבצורת ההרסנית ששררה באזורי חגורת התירס של ארה"ב בקיץ 2013, חששות שהשימוש בדשנים המכילים חנקן ומופקים מדלקים מחצביים יתברר כשימוש שאינו בר-קיימא והצורך הצפוי להאכיל שני מיליארד פיות נוספים עד אמצע המאה.

מחקרים חדשים מראים כי יהיה אפשר להשתמש במיקרואורגניזמים כחלופה לשיטות חקלאיות מקובלות ולהנדסה גנטית כדי לפתור כמה מן הבעיות האלה. למשל, חמניות וכמה צמחים נוספים מייצרים באופן טבעי את הסוכר טְרֶהַלוֹז, שעוזר לייצב את קרום התא של צמחים ולהפחית את הנזק הנגרם ממחזורים חוזרים של התייבשות והשקיה. כדי שצמחים אחרים, כמו תפוחי אדמה ותירס, יפיקו טרהלוז, היה צורך לשנות אותם באמצעות הנדסה גנטית. אבל חוקר הביולוגיה המולקולרית גבריאל איטוריאגה ממקסיקו מקווה להשיג זאת ביבולים שלא עברו שינוי גנטי באמצעות חיידקים מסוג ריזוביום אֶטלי, המפיקים טרהלוז בעצמם וחיים באופן טבעי על יד שורשים של קטניות. ניסוי קודם הראה ששימוש בזן של ריזוביום אטלי שעבר שינוי גנטי העלה את התנובה ב-50% והציל את מחצית היבול בזמן בצורת.

שיטות חיידקיות מאפשרות לחקלאים גם גמישות רבה יותר. אחת הבעיות של צמחים שעברו הנדסה גנטית כדי לעמוד בבצורת היא שבשנים גשומות צמיחתם עלובה. חקלאים נאלצים אפוא לחזות את מזג האוויר כשהם בוחרים את זרעיהם בראשית העונה. תערובת נכונה של חיידקים תוכל לאפשר לצמחים להסתגל גם לשינוי פתאומי בתנאים.

ראסל רודריגז ורגינה רדמן מחברת Adaptive Symbiotic Technologies בסיאטל משתמשים בפטרייה הגורמת, כנראה, למגוון צמחי מאכל להיעשות עמידים יותר במליחות, בבצורת או בתנאי חום וקור קיצוניים. סוג הפטרייה הזה משגשג בקרבת זן מסוים של דוחן, עשב גבוה שגדל בארה"ב ושורד אפילו בטמפרטורת קרקע של 70 מעלות צלזיוס סמוך למעיינות חמים בפארק הלאומי ילוסטון. למעשה, העשב עמיד בטמפרטורות האלה רק אם הפטריות מצויות לידו ורק אם הן מכילות סוג מסוים של נגיף המשמש מתג הפעלה לגנים לעמידות בטמפרטורות קרקע גבוהות. החוקרים אספו פטריות שורש נוספות מצמחים החיים במגוון סביבות קיצוניות, מדיונות חול ועד מדרונות אלפיניים. המטרה שלנו, אומר רודריגז, היא לפתח תערובת של פטריות שונות שתגדיל את התפוקה ב-10% עד 15% במגוון תנאי גידול בלתי צפויים.

מלחמות הזרחן

חוקרים אחרים מנסים לשלוט בהרכב האגרוביום כדי לעזור לספיגה של חומרי מזון חיוניים בצמחים. חקלאים יודעים, כמובן, כבר אלפי שנים שלפולי סויה, לבוטנים ולשאר הקטניות יש יכולת מופלאה לדשן את הקרקע. אך כבר יותר ממאה שנים יודעים החוקרים שלמעשה הקטניות עצמן אינן אלה שקולטות חנקן מן האוויר, אלא חיידקים מסוג ריזוביאל (Rhizobial), הגדלים בפקעיות על שורשי הקטניות.

צמחים זקוקים גם לזרחן בצורת יונים זרחתיים (פוספאט) כדי לצמוח, אבל הקרקע במדינות טרופיות רבות ענייה בחומר זה. חקלאים במדינות מתפתחות תלויים לעתים לגמרי בשוק הפוספאטים הבין-לאומי. ב-2007 וב-2008 עלו מחירי הפוספאט ודשנים אחרים ותרמו בכך להתפרצות מהומות מזון ברחבי העולם, ממקסיקו ועד בנגלדש. במדינות מסוימות חקלאים פשוט מוותרים על השימוש בפוספאטים ומסתכנים ברעב.

אבל כבר עשרות שנים החוקרים מכירים פתרון אפשרי לבעיה. פטריית קרקע מיקרוסקופית,Arbuscular Mycorrhizal, יוצרת נבגים וסיבים בתוך שורשים של צמחים וסמוך להם, ואלו עוזרים בספיגת הפוספאט מן הקרקע. עד לאחרונה לא נמצאה דרך טובה לייצר ייצור המוני של הפטרייה ולשווקה. אפשר כמובן לסחור בין מדינות באדמה המכילה נבגים של הפטרייה, אך אין לדעת מה תהיה ההשפעה הסביבתית של הכנסת פטרייה זרה למערכת האקולוגית. נוסף על כך, ריכוז הנבגים בקרקע כה נמוך עד שחקלאים ששותלים צמחים כמו קַסַאווָה צריכים לפזר טונה של אדמה מועשרת בפטרייה בכל עשרה דונמים של קרקע.

בעזרת טכנולוגיות חדשות יכולות כיום כמה חברות ברחבי העולם לגדל את הפטרייה בתרבית באופן תעשייתי ולשווק אותה בגֶ'ל מרוכז ביותר. חקלאי יכול לשאת בבקבוק משקה קל כמות שדי בה כדי לטייב עשרה דונמים של קרקע. מלבד זאת, קבוצות מחקר יכולות לאסוף זנים מקומיים של הפטרייה, לבדוק את יעילותם ולשלוח את הזנים המבטיחים ביותר לחברות האלה לשם שיווקם. איאן ר' סנדרס מאוניברסיטת לוזאן שבשווייץ ועליה רודריגז מן האוניברסיטה הלאומית של קולומביה החלו ב-2012 במחקר שדה שמתרכז בצמח הקַסַאווָה, ששורשיו משמשים מזון בסיסי לאוכלוסייה במדינות מתפתחות רבות.

החקלאי בשדה מדלל את הג'ל בדלי מים וטובל בו שק מלא בייחורי קַסַאווָה למשך כמה שניות לפני שהוא שותל אותם. בשנה הראשונה לניסוי הפחיתה הפעולה הזאת את צריכת הפוספאט בחצי והגדילה את היבול ב-20%. סנדר ורודריגז מצליבים כעת זנים שונים של הפטרייה כדי שיתאימו התאמה מיטבית לשלושת או ארבעת הזנים הנפוצים ביותר של קַסַאווָה. כמו כן הם בודקים את יעילותה של הפטרייה באפריקה, ואם התכנית תצליח הם ירחיבו אותה לחצי תריסר מדינות אפריקניות נוספות כדי להבטיח את פרנסתם של החקלאים בהן.

דרך נוספת לשימוש בסימביוזה חקלאית היא ללמוד להבין את האותות הכימיים שבאמצעותם מתקשרים המיקרואורגניזמים זה עם זה. החוקרים מצותתים לתקשורת הזאת כדי לזהות את החיידקים המתאימים לאספקת חומרי מזון לצמחים או כאלה שיכולים למצוא נקודות תורפה במחוללי מחלות. שיטה זו הביאה לידי פיתוח נשק אפשרי למאבק בחיידק Xylella fastidiosa, המחולל את מחלת פירס בשטחים שלמים של גפנים בקליפורניה. החיידק רדום עד שהחרק הפונדקאי שלו, Homalodisca vitripennis, אוכל מן הגפן. כשהחיידק מועבר לגפן הוא נעשה פעיל, וכשמגיע זמנו לעבור לחרק אחר הוא נהיה שוב רדום.

"אין התאמה בין אופי חיי החיידק בזמן שהוא מועבר באמצעות חרקים ובין פעילותו בתוך הצמח," אומר סטיב לינדאו מאוניברסיטת ברקלי בקליפורניה. לינדאו לקח את הגנים המורים לחיידק להיכנס למצב רדום והעביר אותם לגנום של הגפן. כשהחיידק מגיע לגפן הגנים שהוכנסו לצמח מסמנים לו להתנהג כמי שהגיע זמנו לעבור לחרק, ולכן אינו מזיק.

הבטחה שעדיין לא מומשה

שיטות חקלאיות המבוססות על חיידקים לא עמדו לעתים קרובות בהבטחה שתלו בהן כשנבדקו בשטח, בין השאר בגלל מחסור במימון שיבטיח תרגום נאות של מחקר בסיסי ליישום מעשי. נוסף על כך, חוקרי הביולוגיה המולקולרית חסרים פעמים רבות את הדחף להעביר את הידע שלהם לחקלאים. “זהו נתק בין שני עולמות," אומר קן גילֶר מאוניברסיטת וַחֶנינגֶן בהולנד, שעובד באפריקה כדי להביא לידי שיפור השימוש בחיידקי ריזוביאל להעשרת גידולי קטניות מקבעי חנקן. העבודה המולקולרית על הגנטיקה של קיבוע החנקן הייתה "סיפור מרתק ביותר," הוא אומר. אבל בינתיים חקלאים ממשיכים להשתמש בזנים של חיידקים שבודדו לפני כשלושים שנה. “הסיבה העיקרית לכך היא שהמדענים העוסקים בנושא מקובעים בדעתם ונחושים למצוא את השלב הבא בתהליך לפרטי פרטים," אומר גילר. “לפיכך רבות מן התגליות המעניינות אינן באות לידי יישום."

ורבים מן המוצרים המגיעים בסופו של דבר לשדה הם חסרי תועלת מכיוון שלא בדקו אותם בניסויים ראויים או מכיוון שייצרו אותם ברשלנות או אפילו כמעשה הונאה. המכון הבין-לאומי לחקלאות טרופית בניגריה (IITA) בחן 106 מוצרים חקלאיים שונים, רובם מבוססי מיקרואורגניזמים. כולם, חוץ מחמישה, נמצאו לא יעילים מכיוון שלא הכילו את הרכיב הפעיל שצוין על התווית או כמות גדולה דיה ממנו או מכיוון שנכשלו במבחנים בשדה ובחממות.

רבים מן המוצרים הפגומים הגיעו מאירופה, מארה"ב ומיפן. במקום לסמוך על היצרנים, IITA מכשיר פקחים מקומיים שיבצעו את בדיקות האיכות במדינות היעד. כמו כן המוסד מפתח תו תקן עצמאי שיבטיח לקונים שהמוצר שרכשו עומד בתקני איכות סבירים. התכנית מיועדת לעזור לחקלאים להבין לא רק אילו מוצרים מיקרוביולוגיים יעילים אלא גם באילו תנאים.

"זאת תהיה משימה קשה מאוד" ללמד את החקלאים להבין את הכללים החדשים של האגרוביום, אומרת אן ריד, ראשת האקדמיה האמריקנית למיקרוביולוגיה, אבל זאת תהיה גם משימה "מגניבה מאוד." יהיה צורך לשכנע את החקלאים שהעבודה שלהם היא יותר מעניין של קלט ופלט, קצת מים פה וקצת חומרי הדברה שם. במקום זאת צריך לחזור לדרך שבה התנהלה החקלאות בעבר: שיתוף פעולה עם האוכלוסייה האדירה של המיקרואורגניזמים. אם מדענים וחקלאים יצליחו לבצע זאת ביחד, נתקדם צעד אחד נוסף אל המטרה – להאכיל עולם רעב.

טוב לדעת


מצגת המראה כיצד פטריות יכולות לעזור לצמחים להשיג חומרי מזון חיוניים


לקריאה נוספת

  • Trehalose Accumulation in Azospirillum brasilense Improves Drought Tolerance and Biomass in Maize Plants. Julieta Rodríguez-Salazar et al. in FEMS Microbiology Letters, Vol. 296, No. 1, pages 52-59; July 2009
  • Microbes Helping to Improve Crop Productivity. Ann Reid in Microbe Magazine, Vol. 6, No. 10; October 2011
מאמר זה פורסם בעיתון Scientific American ותורגם ונערך בידי רשת אורט ישראל

0 תגובות