האם חיידקים יכולים לעזור לנו לשפר יבולים?

בקיצור

• כדי לענות על הביקוש העולמי למזון, מדענים מחפשים אחר דרכים חדשות לניצול הפיטוביום – המארג המורכב שבו מתקיימים יחסי גומלין בין גידולים חקלאיים, אוכלוסיות חיידקים, הקרקע, מזג האוויר, יצורים חיים שונים וגורמים סביבתיים אחרים.
• על החידושים המבטיחים נמנים זרעים מצופים במעטה של חיידקים או פטריות בעלי יכולת להרתיע מזיקים או לקדם את הצמיחה באופן אחר. המוצרים הראשונים מסוג זה כבר מצויים בשוק.
• התערבויות ברמת הפיטוביום אינן צפויות לעורר מחלוקת חריפה כל כך כמו זרעים מהונדסים בהנדסה גנטית, אך גם בהן טמונים סיכונים. מכל מקום, הביוטכנולוגיה לבדה לא תפתור את בעיית הרעב בעולם.

מרצדס דיאז מפלסת את דרכה בינות לצמחים בשדה סויה בוצי, כשהיא מחליקה את אצבעותיה המטופחות לאורך הענפים של עשרות הצמחים הגדלים בשדה, המגיעים עד לגובה הברכיים. היא בוחנת את הגבעולים, התרמילים והעלים, ותוך כדי כך מונה בלחש  כמה וכמה מחלות אפשריות של הצמח: זחלים מזיקים, פטריות, עובש לבן. דיאז מבחינה לפתע פתאום בסבך של עלים מנומרים וקוראת: "SDS!" – ראשי התיבות של "תסמונת מוות פתאומי". היא תולשת את אחד העלים ומניחה אותו בידי. אני הופכת את העלה המקומט שגודלו כגודל כף יד. פני העלה מנוקבים בחורים בגדלים שונים, וסביבם נראים כתמים חומים-צהבהבים מכוערים – עקבות הרַעֲלָן המופרש על ידי פטריות ה-SDS, שמתפשטות בצמח, הורסות את תרמיליו ולועסות את עליו, מפנים העלה כלפי חוץ. תסמונת מוות פתאומי היא אחת מקוטלי היבולים העיקריים בארה"ב. לפי דיווחי מועצת מגדלי הסויה האמריקנית, הנזק שנגרם לחקלאים עקב כך ב- 2014 לבדה הגיע ליותר ממיליון טונות וחצי של יבולים שירדו לטמיון. אך דיאז דווקא נלהבת לגלות את המזיקים הקטלניים בשדה הסויה שלה.

דיאז, פתולוגית של צמחים, היא אחת מני חוקרים רבים שמחפשים אחר דרכים חדשות להגן על יבולים חקלאיים מפני הסכנות האורבות להם ולהגדיל באופן חד את התפוקה. ב-2016, קבוצת המחקר שלה ציפתה זרעים באלפי חיידקים שונים ושתלה אותם, לצד חלקות בקרה של זרעים לא מטופלים, בחצי מיליון אתרים ברחבי המערב התיכון ודרום ארה"ב. סביב שדות אלה שתלו החוקרים חלקות ניטור – ובהן צמחים מזנים רגישים למחלות שתפקידם, בדומה לזה של הכַּנָּרִית המפורסמת במכרות הפחם, להתריע על נזק שעלול להיגרם לשאר היבולים. כשדיאז מגלה את תסמונת המוות הפתאומי או סימנים אחרים של שידפון בחלקות הניטור, אך אלה אינם מופיעים בחלקות הניסוי, הדבר עשוי להעיד על כך שהחיידקים פעילים, ומסייעים לגדל יבולים בריאים ועשירים יותר.

ואולם, באותו יום גשום בספטמבר 2016, מצאה דיאז שהן חלקות הניסוי והן חלקות הבקרה חמקו מגורלן של חלקות הניטור. השפעת החיידקים לא ניכרה בהן – או שמא כן? למעשה, כמעט בלתי אפשרי לאתר במבט בלבד גידול בתנובת החלקות של  עד 40 קילוגרם לדונם בקירוב (כאשר בממוצע, שדה סויה מניב כ- 350 קילו לדונם). יהיה עליה להמתין לקציר היבול ולניתוח הנתונים כדי לגלות האם מי מחיידקי הניסוי אכן סייעו להשגת המטרה.

חקר יבולים נוטה להתנהל בקצב איטי ובשיטת ניסוי וטעייה, ומדענים כמו דיאז מרגישים שהם מצויים במרוץ נגד הזמן. אם החקלאות לא תשתנה באופן מהפכני במהלך העשורים הקרובים, האנושות עלולה להישאר ללא די מקורות מזון. אוכלוסיית העולם צפויה לגדול מ- 7.5 מיליארד נפש כיום ל- 9.7 מיליארד נפש ב-2050. כדי להאכיל את הפיות שעתידים להתווסף אליה – ולתת מענה להרגלי התזונה המשתנים, שכוללים יותר בשר – יהיה על החקלאים להגדיל את ייצור המזון בכ- 70%. כך על פי תחזיות ארגון המזון והחקלאות של האו"ם (FAO). מדובר במשימה לא פשוטה כלל וכלל, וכמה וכמה מגמות מעוררות דאגה עושות אותה למורכבת עוד יותר. המחסור בקרקעות חקלאיות בעולם הולך ומחריף, בין השאר, כתוצאה מתהליכי העִיּוּר ושינוי האקלים. לפי דוחות ה- FAO, התפוקה השנתית של גידולים חקלאיים המספקים מזונות חיוניים חדלה לגדול. לדוגמה, השימוש בדשנים הגיע לנקודת מפנה שממנה והלאה, המשך דישון השדות בכימיקלים עלול להביא יותר נזק מתועלת. ואפילו גידולים מהונדסים בהנדסה גנטית, שנחשבו הן לקללת החקלאות והן להבטחה הגדולה שלה, לא הצדיקו את התקוות שתלו בהם ולא הצליחו להזניק את ייצור המזון.

(איורים במאמר: צ'רי סינן)

"עלינו להפסיק לחפש אחר פתרונות קסם," אומרת ג'ן ליץ', פתולוגית צמחים באוניברסיטת קולורדו. "זו אינה בעיה שמישהו מאיתנו יוכל לפתור בכוחות עצמו, ויהיה צורך בשיתוף פעולה בין צוותים שונים מתחומים מגוונים באופן שלא נעשה עד עתה." ליץ' ומדענים אחרים דוגלים בגישה הוליסטית יותר, המביאה בחשבון את מכלול הגורמים בחווה החקלאית – הצמחים, הקרקע, החיידקים, החרקים והאקלים, הידועים כולם יחדיו בשם פיטוביום – ואת יחסי הגומלין ביניהם, המשפיעים במשותף על התפוקה החקלאית. הרעיון מעלה בזיכרון את כתביהם של חוקרי הטבע בני המאה ה- 19 אלפרד ראסל וולאס וצ'ארלס דרווין, שתיארו את הטבע כמארג רחב ידיים שהמינים החיים בו מצויים בתהליך הסתגלות תמידי לשינויים בסביבת המחיה שלהם.

קחו לדוגמה את צמחי הסויה שדיאז מטפחת באהבה. כשחֶרֶק נוחת על עלה של צמח הסויה, הצמח עשוי להגיב בהפרשת כימיקלים נדיפים דרך שורשיו וחומרים אלה, בתורם, משנים את הרכב אוכלוסיית החיידקים בקרקע. חיידקים אלו יכולים להפעיל מערך של גנים בצמחים סמוכים, שיתריעו בפניהם על מתקפה צפויה ויאפשרו להם להיערך לקראתה. אלא שהגנות חיוניות אלה להישרדות הצמח רגישות לגורמים סביבתיים שונים, ועלולות להיפגע למשל משינוי האקלים. לפתוגנים יש דרכים מתוחכמות מדהימות משל עצמם. הם יכולים לזנק מעל פני עלה, כאילו נורו מקנה תותח, "לתפוס טרמפ" על זרמי אוויר ולהתעופף משדה לשדה ואף מיבשת ליבשת. וזנים מסוימים של מיקרואורגניזמים מגביהי עוף יכולים להשפיע על מזג האוויר ולחולל מטחי גשם וברד שעִמם הם שבים ארצה מן העננים.

זה מאות שנים מדענים מודעים למורכבוּת זו, אך רק לאחרונה אפשרה להם ההתקדמות הטכנולוגית למפות את פעילות הגומלין המורכבת הזאת במטרה לפתח פתרונות שיטתיים ובני-קיימה בתחום החקלאות. בעזרת שיטות לקביעת הרצף הגנטי, מדענים יכולים לאתר את כל החיידקים המצויים בקרקע, לרבות זנים נדירים ואף זנים בעייתיים שאינם ניתנים לגידול בתנאי מעבדה. ביכולתם לעקוב אחר קהילות של חיידקים תוך כדי תנועתם במרחב ובזמן, בעקבות עלייה ברמות הדישון, למשל, או ירידה בטמפרטורות. ביכולתם לתעד את יחסי הגומלין המתקיימים בין חיידקים, צמחים ואורגניזמים אחרים ולנסות לפענח את השפעתה של התקשורת הכימית ביניהם, על התפוקה החקלאית ועל חוסנם של היבולים.

בעתיד יוכל חקלאי לצאת לשדה על טרקטור מצויד בציוד ייעודי מיוחד ולבצע סקר מקיף של אוכלוסיית החיידקים בשדה וכן מדידות אחרות המקובלות ב"חקלאות מדייקת" – כגון מדידות של רמות הלחות ותכולת חומרי המזון בקרקע. גורמים אלה, לצד נתוני התפוקה החקלאית בשנים קודמות, מידע באשר למזיקים ולפתוגנים פוטנציאליים, ותחזיות לגבי מגמות צפויות במזג האוויר יובאו בחשבון לשם הערכת השילוב המיטבי בין זרעים, חומרי מזון, כימיקלים וחיידקים שעשוי להניב יבולי שיא.

התנועה למימוש החזון הזה החלה לקרום עור וגידים רק לאחרונה. בשנה שעברה פרסמה קבוצת מדענים מתחומי ידע שונים תוכנית שאפתנית למהפך בחקלאות של העתיד, בכותרת Phytobiomes: A Roadmap for Research and Translation. עם פרסומה של מפת דרכים זו, יצא לאור גם כתב העת האקדמי Phytobiomes, והושק מיזם לשיתוף פעולה בין התעשייה לאקדמיה בשם Phytobiomes Alliance, שבו חברים יותר מתריסר גופים – שכמה מהם הוקמו זה לא מכבר, כמו BioConsortia ואינדיגו, ואחרים, שמות מוכרים בזירה, כמו חברת מונסנטו, המעסיקה של דיאז. במהלך השנים האחרונות השקיעו החברות האלה סכומים נכבדים בקידום המחקר והפיתוח בתחום זה במאמץ להבטיח את חלקן בשוק החקלאות הביולוגית הגלובלי, שמחזור העסקים בו צפוי להגיע ל- 10 מיליארד דולר עד שנת 2020.

יוזמי המהפך רואים באדמה שמתחת לרגלינו – ובמארג הנרחב של אוכלוסיית המיקרואורגניזמים השוכנים בה – גורם חיוני להצלחת היוזמה. חיידקים ופטריות שוכני קרקע יכולים לסייע לצמחים לגדול ולשגשג, להתמודד עם מצבי עָקָה, לחזק תגובות חיסוניות ולהדוף מזיקים ומחלות. החקלאים מודעים לחלק מן התובנות האלה כבר מאז שלהי המאה ה- 19, מאז החלו לטפל בחלקות האפונה והשעועית שלהם באמצעות חיידקי ריזוביום, המעשירים את הקרקע בחנקן. כיום מוצעים למכירה בשוק עשרות מוצרים המבוססים על אוכלוסיית החיידקים – המיקרוביום – שבקרקע, ורבים אחרים מצויים בפיתוח. חברת מונסנטו, בשיתוף פעולה עם חברת Novozymes, שבסיסה בדנמרק, משקיעה סכומי כסף ניכרים בזרעים מצופי החיידקים המצויים בפיתוח במסגרת המחקר רחב ההיקף שבו דיאז נוטלת חלק. אנשי מחקר אחרים מנסים גישות שונות, כגון שינוי הגנום של צמחי יבול באופן שימשוך אליהם חיידקים מועילים, או שינוי התקשורת שבין מזיקים לצמחים באופן שיאפשר לצמחים לאתר איומים ולהגיב להם בדרך טובה יותר. בהתחשב במורכבות הפיטוביום, נראה שאין גבול למספר הדרכים שבהן אפשר להשפיע על התהליכים המתרחשים בין הצמח לבין סביבתו. הדבר נכון גם לגבי הסיכויים להגיע למבוי סתום. האתגר הוא למצוא פתרון יעיל בזמן ולמנוע רעב המוני.

רשמים מן העולם שמתחת לפני האדמה

במרחק של שעת נסיעה מסנט לואיס, שדות התירס נראים קְמֵלִים ודהויים באור השמש של אמצע ספטמבר. חלקות הסויה צבועות בגוונים של ירוק אבוקדו וזהב הקציר. אני מתלווה לדיאז ולעמיתיה במסע לאתר לא משולט בשולי העיירה סטונינגטון שבאילינוי. בעודי פוסעת לתוך שלולית, אני אוחזת בעותק של מפת השדה המראה היכן נזרעו אלפי זרעים מצופים במעטה חיידקי. החיידקים גודלו במכלים ובהם נוזלים מועשרים בחלבונים ובחומרים מזינים אחרים. הזרעים נעטפו במעטה החיידקי בתוך קערות ענקיות מפלדת אל-חלד, והוקפאו עד למועד הזריעה. כשהזרעים נובטים, החיידקים העוטפים אותם מתעוררים לחיים, אך מה שמתרחש לאחר מכן תלוי בגורמים הרבים המרכיבים את הפיטוביום.

אני נכנסת בעקבות דיאז למבוך של צמחי תירס. היא מצביעה על כמה קלחי תירס בחלקת הניטור המכוסים עובש ורוד, כשסביבם רוחשות כנימות עש. צמחים אינם מצוידים במערכת חיסון של ממש, אך הם פיתחו שיטות משלהם להדיפת חרקים מזיקים. צמחים מסוימים מעבים את דופנות התאים שלהם וכך מונעים מפולשים לחדור דרכן, ואילו צמחים אחרים מפרישים כימיקלים רעילים דרך שורשיהם או עליהם וכך מרחיקים מזיקים. ניקוטין, קפאין ואפילו טָנִין, המעניק ליינות אדומים את חריפותם, הם כולם תוצרים של מנגנוני ההגנה של הצמח.

במהלך מאות שנים של השבחת זנים באמצעות הכלאה ועשרות שנים של השבחה בהנדסה גנטית נעשו ניסיונות לשפר את מנגנוני ההגנה של הצמח ובה בעת, להעניק לו תכונות שימושיות אחרות במטרה להגדיל את התפוקה החקלאית. לדוגמה, יותר ממחצית מיבולי התירס הגדלים בארה"ב מכילים גן שנלקח מחיידק קוטל חרקים מזיקים ששמו Bacillus thuringiensis, או Bt, המאפשר לצמח התירס להשמיד זחלי חיפושיות. מדענים מחפשים עתה אחר תכונות אחרות הקשורות לפיטוביום שיהיו עשויות לתרום לבריאות הצמח. במחקרים שנערכו בנושא נמצא כי צמחים משקיעים כ- 30% מן האנרגיה שלהם כדי למשוך חיידקים מועילים ולדחות חיידקים לא רצויים. ג'פרי דנגל, העוסק בחקר הביולוגיה של הצמח באוניברסיטת קרוליינה הצפונית בצ'אפל היל, בוחן דרכים לשינוי הגנום של הצמח במטרה לטפח את הפמליה החיידקית המקיפה אותו. הוא גילה לאחרונה גן שמשפיע על קהילות החיידקים השוכנות בתוך שורשי הצמח וסביבם ומדרבן אותם להגביר את ספיגת הזרחה (פוספט) מן האדמה – חומר מזון שמקורותיו הולכים ומידלדלים.

מחקר אחר העוסק בפיטוביום מתמקד בעמידות לחרקים. בדרך כלל, צמחים יכולים לאתר מזיקים הפועלים בסביבתם על סמך נוכחותם של כימיקלים מיוחדים מעוררי תגובה ברוק של חרקים שלועסים את הצמח. גארי פלטון, העוסק בחקר חרקים באוניברסיטת פנסילבניה, ועמיתיו גילו שמינים מסוימים של חיפושיות וזחלים יכולים להסוות את המולקולות מגלות הסוד האלה על ידי יריקת חיידקי המעיים שלהם על עלי הצמח, וכך להוליך אותו שולל ולגרום לו להגיב כאילו הוא טובל באמבט של חיידקים ואינו עומד ליפול טרף למזיקים הרסניים. התגובה המוטעית של הצמח – תגובה לנוכחות חיידקים – פוגעת ביכולתו של הצמח להתגונן מפני החרקים המזיקים. לאחרונה הראה פלטון שהאכלת החיפושיות בסוג מסוים של חיידקים משנה את המיקרוביום שלהן במידה מספקת כדי ליטול מהן את היכולת לשטות בצמח (ראו תיבה).

הניסויים המתוארים כאן ממחישים שתיים מן הדרכים שבהן מדענים העוסקים במחקר חקלאי מנסים לעצב את הפיטוביום ולהשפיע על התהליכים המתרחשים בין הצמח לסביבתו במטרה לשפר ולהגדיל את התפוקה החקלאית.

השיטות המתוארות כאן, המעצבות את השיח המתקיים בין צמחים, מזיקים ושוכני קרקע למיניהם, יכולות לחולל, כולן יחד או כל אחת מהן לחוד, את המהפכה הירוקה הבאה. אך עוד קודם שיתממש החזון, עלינו לטפל בגידולים הניסיוניים, לעקוב אחריהם ולאסוף ולעבד כמויות עצומות של נתונים.

בסוף קיץ 2016 התפרס צי של מכונות קציר בשדות, מלואיזיאנה, דרך מינסוטה וקרוליינה הצפונית ועד לנברסקה, כדי לאסוף את היבול מחלקות הניסוי של התירס והסויה שנשתלו על ידי BioAg Alliance, כפי שקרויה השוּתָּפוּת בין מונסנטו ל- Novozymes. נתונים ממקצרות הענק מוזרמים בזמן אמת למרכז הנתונים של חברת מונסנטו בסנט לואיס וכן למתקני חברת Novozymes בפארק המחקר Research Triangle Park שבקרוליינה הצפונית. המדענים בשני האתרים ידועים כמי שיושבים שעות, מרותקים לצגי המחשבים, כשהם עוקבים אחר הנתונים המגיעים מן השדות. "זה כמו לצפות במרוץ סוסים בהילוך איטי," אומר סקוט שאכר, ראש קבוצת האסטרטגיה המטפלת בנתונים הביוטכנולוגיים בחברת מונסנטו.

הצוותים המעבדים את הנתונים נוכחו לדעת שאין לייחס חשיבות רבה מדי לתוצאות הראשונות המגיעות מן השטח. הנתונים הגולמיים עלולים להטעות, שכן הם אינם מביאים בחשבון גורמים שעשויים להעניק יתרון התחלתי לחיידק מסוים או דווקא להשאיר אותו מאחור במרוץ. המיקרוביום שבקרקע יכול להשתנות מחלקה לחלקה, אף באותו שדה. מזג האוויר עלול לחולל שמות: גשמים מוקדמים עשויים לשטוף את המעטה החיידקי מן הזרעים, ולפני כמה שנים, סופת ההוריקן "חואקין" הותירה הרס באלפי חלקות ששתלה השוּתָּפוּת. לבד מנתוני תפוקה מחצי מיליון אתרים, צוות המדענים אוסף נתונים מ- 50 מדידות שונות הנערכות על כל אחת מדגימות הקרקע מכל אתר. ועל אלה נוספים נתונים אחרים הנוגעים לפיטוביום, כך שבסופו של דבר מצטברים טֵרָה-בייטים של נתונים שהם "חגיגה או סיוט לסטטיסטיקאים," כפי ששאכר אומר.

שאכר מעלה מפה של ארה"ב על צג המחשב במשרדו. המפה מעוטרת בנקודות אדומות וירוקות, כמו עץ חג המולד: הנקודות הירוקות מציינות חיידקים שתרמו לעלייה בתפוקה, ואילו האדומות מציינות חיידקים שהביאו לירידה בתפוקה. הן מייצגות את התוצאות לשנת 2016 בחמישה שדות תירס. שאכר ואנשי צוותו יכולים לנתח ולהציג את הנתונים לפי מאפייני הקרקע והתנאים הסביבתיים, מזג האוויר ומצבי עקה עקב פגיעת מזיקים ומחלות. הם יכולים להתמקד באתרים שבהם נמדדו רמות גבוהות של SDS – התסמונת שגילתה דיאז בשדה הסויה שלה – כדי לראות אם יוכלו לזהות חיידקים כלשהם שהצטיינו במשימתם בתנאים האלה.

הצוות מיישם אסטרטגיה של "השדה תחילה", כלומר, הוא מדלג על השלב הרגיל של ניסויים בחממה ובוחן את מועמדיו היישר בשדה. משום כך, לאנשי המחקר אין מושג אילו חיידקים, אם בכלל, יעניקו לצמח יתרון. ב- 2014, השנה הראשונה שבה נערך ניסוי השדה, זרעו אנשי צוות המחקר זרעים מצופים במעטים חיידקיים שכללו 500 זנים שונים. 90% מן החיידקים כשלו בניסוי. ב-2015, גויסו למרוץ 2,000 חיידקים, לרבות חיידקים שעמדו במשימה בהצלחה בשנה הראשונה לניסוי. בתום הניסוי רק קומץ מן המתחרים המקוריים הגיעו לקו הגמר ולצִדם, כמה מאות מן החדשים. ב-2016 נבחרה להשתתפות בניסוי קבוצה אחרת של 2,000 זנים, ובהם המצטיינים בסבב הקודם וקבוצת מגויסים חדשים. לאחר שלוש שנים של ניסויים, רק חיידק אחד מן הסבב הראשון – וכמה מאות מן הסבבים הנוספים – נותרו במרוץ. חברי הצוות אינם מחפשים אחר מצטיינים חד-פעמיים – הם מעוניינים בזוכי "הכתר המשולש" שביצועיהם עקביים, שנה אחר שנה, בכמה וכמה שדות.

עסק מסוכן?

השימוש בחיידקים טבעיים – שנלקחים מקרקע חקלאית, גדלים במעבדה ומוחזרים לשדה – עשוי להיראות מהלך נטול סיכונים וחף ממחלוקות דוגמת אלה שמעוררים יצורים מהונדסים גנטית (GMOs). ועם זאת, כמה שאלות מטרידות עולות בהקשר זה. התערבות בסביבה החיידקית עשויה להשפיע על טעם היבולים, ממש כפי שהרכב הקרקע משפיע על טעם היין. חיידק המגדיל את התפוקה עלול להיות בעל תכונות פתוגניות שיש בהן כדי להזיק לבריאות האדם. יישום ארוך-טווח של פרוביוטיקה בצמחים עשוי לשבש את הדינמיקה הטבעית בקרקע, להאיץ את ההתרבות של מיקרואורגניזמים מסוימים ולגרום להכחדתם של אחרים. יש גם סיכון שהמעטה החיידקי, כמו חומרים פעילים רבים אחרים שנעשה בהם שימוש בשדה, יתקלף מן הזרעים בחלקה אחת ויזהם צמחים בחלקה אחרת.

לדברי שאכר, BioAg Alliance משקיעה מאמצים רבים למניעת בעיות כאלה. זני החיידקים המועמדים לניסוי עוברים סדרת בדיקות קודם להעברתם לשדה. כמו כן, מבוצע ריצוף גנומי פרטני של כל חיידק כדי לוודא שהוא אינו נושא פתוגנים דומים לאלה הידועים כמחוללי מחלות בבני אדם, ונערכות בדיקות נוספות כדי להעריך אם החיידק עלול להיות רעיל לסביבתו או להתפשט ליבולים אחרים. שאכר ואנשי צוותו מתייעצים באופן קבוע עם נציגי משרד החקלאות של ארה"ב, ונציגים אלה הם שמחליטים אם נדרש אישור לשימוש בזן מסוים של חיידקים בניסוי שדה. אורגניזמים הממלאים תפקידים מועילים כמו קיבוע חנקן או הפיכתם של פוספטים למסיסים מאושרים לרוב לשימוש בניסויים האלה. זנים אחרים שממלאים תפקידים מסוכנים יותר, כגון השמדת פטריות או חיידקים אחרים, מחייבים תהליך אישור קפדני וממושך יותר.

אך מה שמטריד את העוסקים במחקר החקלאי עוד יותר מכך שזנים חדשים של חיידקים עלולים להשתלט או להתפשט ליבולים אחרים, הוא האפשרות שהחיידקים לא ישרדו די זמן בשדה כדי להשפיע ולבצע את משימתם, אומרת גווין ביטי, העוסקת בחקר מחלות צמחים באוניברסיטת אַיוֹוָה, שהשתתפה בניסוח מפת הדרכים Phytobiomes Roadmap. כפית של דגימת קרקע מכילה כ- 50 מיליארד חיידקים – קבוצה מעורבת של עד 10,000 זנים שונים. אנשי המחקר יכולים להוסיף לקרקע מיליוני חיידקים מזן מסוים בלי שתהיה לכך השפעה כלשהי. "אם [מדי פעם] יתווסף אדם אחד לאוכלוסיית העיר ניו יורק, מרבית האנשים שיתווספו לא יחוללו שינוי כלשהו בעיר," אומרת ביטי. "דבר דומה קורה בקהילת החיידקים. להוספת אורגניזמים עשויה להיות השפעה כלשהי לעיתים נדירות בלבד, וזה למעשה מה שמתסכל יותר מכול." (עם אתגר דומה מתמודדת, ללא הצלחה, תעשיית הפרוביוטיקה המיועדת לבני אדם. הפרוביוטיקה אמורה לאזן את אוכלוסיית החיידקים במעיים, המונה טריליוני חיידקים. מוצריה – האבקות, הגלולות והמשקאות למיניהם – משווקים כתרופות פלא לטיפול במחלות רבות, החל בשלשולים וכלה בדיכאון, אך מחקרים מעטים בלבד מורים על יעילות כלשהי של המוצרים האלה שאפשר להבחין בה במדידה.)

ועם זאת, פעילותה של חברת מונסנטו מעוררת חששות כבדים בקרב חלקים נרחבים בציבור, ולא אחת הואשמה החברה בסיכון בריאות הציבור, ברמיסת זכויות החקלאים ובשליטתה כבעלת מונופול בשוק הספקת המזון. תאגיד הענק השולט בתעשיית החקלאות עורר ביקורת חריפה בשנות ה-90 של המאה ה-20 כשהשיק קו חדש של יבולים מהונדסים בהנדסה גנטית. מאז התפתחו שני נרטיבים מנוגדים: האחד, שלפיו החברה מפתחת זרעים המכפילים את התפוקה ומספקים מענה רחב-היקף למחסור במזון; והאחר, שלפיו מוצרי החברה מזהמים את הקרקעות החקלאיות וגורמים לסרטן. בשנה שעברה השלימה האקדמיה הלאומית האמריקנית למדעים בדיקה יסודית, ככל הנראה, הבדיקה היסודית והמקיפה ביותר שנערכה מעולם בנושא היצורים המהונדסים בהנדסה גנטית, ומצאה שאף לא אחד מן הנרטיבים נכון. מן הדוח המסכם שפרסמה האקדמיה עולה כי יבולים מהונדסים גנטית בטוחים למאכל לא פחות מיבולים רגילים, אך "אין כל עדות לכך" שיצורים מהונדסים גנטית מגדילים את התפוקה.

היתרון העיקרי של סויה, כותנה ותירס מהונדסים גנטית, נאמר בדוח, הוא "תוצאות כלכליות חיוביות שמהן נהנו יצרנים שאימצו את הגידולים האלה." כשביקשתי את תגובת החברה לממצאים כלל לא מרשימים אלה, הודה נציג מונסנטו שהחברה שוב אינה מדגישה במסעי קידום המכירות שלה את חלקה בהאכלת הפיות הרעבים בעולם, ובמקום זאת, היא מציינת בהבלטה את הסיוע שהיא מעניקה לחקלאים כדי שישיגו את היבולים הטובים ביותר האפשריים בעלויות הנמוכות ביותר. מחזור המכירות של החברה ב- 2016 הגיע לסכום כולל של 13.5 מיליארד דולר, וכ-10 מיליארד דולר מאלה הגיעו מזרעים, רבים מהם מהונדסים ומשופרים מבחינה גנטית. ההתקדמות בתחום זה בשני העשורים האחרונים תרמה לירידה בעלויות שבהן נושאים החקלאים והניבה רווחים לתעשייה, אך לא סיפקה מענה לצורך הגובר והדוחק במזון.

יבולי המחר

הזרעים הנזרעים כיום בשדות ארה"ב אינם דומים כלל לזרעים שזרעו אבות אבותיהם של חקלאי ימינו. כיום, הזרעים נושאים לפחות 14 תכונות שונות מהונדסות בהנדסה גנטית, המוּספוֹת זו על גבי זו. את ה"ערימות" האלה, כפי שהן קרויות בתעשייה, משלימים לעיתים קרובות כמה וכמה מוצרים אחרים שעשויים לשפר ולהגדיל את התפוקה, לרבות דשנים, קוטלי עשבים ולאחרונה, גם מוצרים המופקים ממקורות ביולוגיים, כגון מעטפות הזרעים החיידקיות של BioAg Alliance. ואולם, עדיין לא הרבה ידוע על מה שנחוץ כדי להבטיח יבולים בריאים – ומדענים באקדמיה ובגופים ממשלתיים, כמו גם בתעשיית החקלאות מנסים כולם למצוא תשובה לשאלה.

על אף ההתקדמות הניכרת בטכנולוגיית מיפוי הקוד הגנטי, מדענים זיהו עד כה אחוז אחד בלבד מזני החיידקים השוכנים בקרקע. עכרוריות רגבי האדמה מקשה על המדענים לחקור את המתרחש מתחת לפני הקרקע. הם נאלצים אפוא לנקוט שיטות מחקר הרסניות – ולערוך סקרים של אוכלוסיית החיידקים שוכני הקרקע על סמך דגימות קרקע הניטלות מן השדה, סקרים שמן הסתם אינם משקפים במדויק את הרכב אוכלוסיית החיידקים באדמת השדה או את פעילותה. משול הדבר לענק שמעביר את ידו על פני כדור הארץ כדי ליטול מדגם של המין האנושי. מדגם כזה עשוי אולי לגלות מי הם היצורים האנושיים המאכלסים את כדור הארץ, אך לא כיצד הם פועלים או מה היו יחסי הגומלין ביניהם קודם שהתהפך עליהם עולמם.

לפני שנים אחדות, רקח צוות מדענים בסקוטלנד קרקע מלאכותית שניתן לראות דרכה, ומאפשרת לאנשי מחקר לצפות בקהילות של חיידקים השוכנות בשורשי הצמח או סביבם. אליזבת שאנק, מיקרוביולוגית בצ'אפל היל, נעזרה בקרקע מלאכותית שקופה זו כדי לחקור את האותות שמשגרים החיידקים. טווח הפעולה של מסרים כימיים אלה נע מן הקטלני – 70% מן התרופות האנטיביוטיות מופקות מחומרים כימיים שבהם משתמשים החיידקים כדי לקטול זה את זה – ועד התועלתי – חיידקים מסוימים שולחים אותות כימיים כדי לכנס את בני מינם לשם יצירת בִּיּוֹפִילְם המאפשר להם להיצמד יחדיו לשטח הפנים של שורשי הצמח. בנובמבר 2016, הציגה שאנק את עבודת המחקר שלה בסימפוזיון בנושא הפיטוביום שהתקיים בסנטה פה שבניו מקסיקו. היא תיארה איך צביעה של חומרים חיידקיים שונים בסַמָּנים זוהרים מאפשרת לה לעקוב אחר המסרים הכימיים שקהילות של חיידקים משגרות זו לזו בתגובה לאירועים כמו שתילת זרעים, עלייה בטמפרטורות או פלישה של פתוגנים.

המחקר החדשני שלה עשוי להניב רווחים נאים. או אולי לא. אנשי אקדמיה רבים, כמו שאנק, חותמים על הסכמים עם חברות מסחריות המעניקים להן הרשאה להשתמש בתגליותיהם או, לחלופין, מקימים חברות הֶזְנֵק משל עצמם. הזירה הכלכלית מוצפת בהרבה ישויות חדשות, שיתופי פעולה ומיזוגים, לרבות עסקת הרכש של חברת מונסנטו על ידי באייר בספטמבר 2016 תמורת 66 מיליארד דולר. ממשלת ארה"ב הצטרפה אף היא למשחק. חוק החקלאות שחוקק הקונגרס האמריקני ב- 2014 הקציב 200 מיליון דולר להקמת האמריקנית למחקר מזון וחקלאות  (FFAR) , במטרה לעודד שיתופי פעולה בין האקדמיה לתעשייה בתחומי החקלאות והמזון. ביולי 2016 כינסה קרן FFAR קבוצה של מומחים למפגש סיעור מוחות שעסק בשאלה איך אפשר להפיק את מרב התועלת מן הפיטוביום.

קלי אוורסול, המנהלת בפועל של מיזם שיתוף הפעולה Phytobiomes Alliance, אומרת שאם כי האקדמיה, הממשלה והתעשייה עשויות לחלוק מטרות דומות, שיטות הפעולה שלהן אינן עולות תמיד בקנה אחד. חברות מסחריות, המחויבות להניב רווחים למשקיעים בהן, מאופיינות בגישה קצרת-טווח המוּנעת משיקולים כלכליים של רווח והפסד. אך "ללא מחקר בסיסי ובהיעדר תשתית ארוכת-טווח, אנחנו עלולים להיפגע," אומרת אוורסול. מנגד, לרשות התעשייה עומדים משאבים שפרופסורים לבוטניקה יכולים רק לחלום עליהם: ימים ספורים לאחר אירוע סיעור המוחות שערכה קרן FFAR, הופיע שאכר, כנציג חברת מונסנטו, בכנס של האגודה האמריקנית לפיטופתולוגיה – אסיפה שנתית של יותר מ- 1,500 מומחים לפיטופתולוגיה. כשהציג שאכר את מפת ניסויי השדה שעורכת השוּתָּפוּת BioAg Alliance, לינדה קינקל, מומחית לחקר מחלות צמחים באוניברסיטת מינסוטה, הגיבה בתדהמה. "אם הם באמת אוספים נתונים על אוכלוסיות החיידקים השוכנים בקרקע מ- 500,000 אתרים, זה יותר מכל מה שאנחנו כולנו מצליחים לאסוף יחדיו." והשאלה היא, אמרה עוד  קינקל בדאגה, "כמה תובנות מדעיות טמונות שם שלעולם לא יגיעו לידיעתנו?"

מינוף הפיטוביום לשיפור היבולים יחייב שילוב מקיף של מידע ממקורות ומתחומי ידע שונים, אך לא כל הצדדים הנוגעים בדבר ששים לשתף פעולה ולחשוף את המידע שברשותם. חקלאים חוששים, משיקולי פרטיות, לאפשר לזרים גישה לנתונים שהם אוספים בשדותיהם. השוּתָּפוּת BioAg Alliance מעבירה מפעם לפעם פירורי מידע לעמיתיה באקדמיה, אך לדברי שאכר, אין באפשרותה לחלוק עִמם את כל הנתונים שבידיה משום שעל החברות השותָּפוֹת, מונסנטו ו- Novozymes, "להגן על היתרון התחרותי שלהן". השנה השיקה השוּתָּפוּת את המוצר הראשון שלה, מעטה מיקרוביאלי לזרעים המבוסס על פטריות השוכנות באדמת שדות תירס. בניסויי שדה נמצא שפטריות אלה תרמו להגדלת התפוקה ב- 0.08 טונה בממוצע לדונם. על פי התחזיות, המוצר הזה יוכל לשמש להגדלת התפוקה החקלאית ביותר מ- 22 מיליון דונם של קרקע חקלאית ברחבי העולם.

זוהי התחלה, אך הדרך לענות על הצרכים הגדלים והולכים של כדור הארץ עדיין ארוכה. גם אם יובטח שיתוף מידע נרחב יותר בין מדענים העוסקים בחקר יבולים, לא יהיה בכך די, והחדשנות הביוטכנולוגית לבדה לא תפתור את בעיית הרעב בעולם. לשם כך יש צורך בטיפול לא רק בבעיית אספקת המזון, אלא גם בבעיית אובדן המזון ובזבוז המזון, ובהתמודדות עם שורה של אתגרים, החל בחלוקת המזון והפצתו, וכלה במצבי מלחמה, סכסוכים פוליטיים, אי-שוויון בהכנסות ושינוי האקלים. פרד גולד, מדען העוסק בחקר חרקים באוניברסיטת קרוליינה הצפונית, ומי שהוביל את הסקר שערכה האקדמיה הלאומית האמריקנית למדעים בנושא היצורים המהונדסים גנטית, מזהיר כי גם אם המדענים יצליחו להכפיל את ייצור המזון בדרך כלשהי, לא יהיה זה בהכרח הדבר הנכון לעשותו, שכן ניצול אינטנסיבי של המשאבים עלול להותיר אדמה חרבה שלא תהיה ראויה לעיבוד חקלאי בעתיד. גולד אומר עוד שפתרונות, ככל שיימצאו כאלה, חייבים להוכיח את עצמם בשטח. "נרחב ומקיף ככל שיהיה הידע שברשותנו, יישומו תלוי במידה רבה כל כך בתנאים הסביבתיים, עד שיהיה צורך במניפולציה [של הפיטוביום] בכל חווה לחוד," אומר גולד. "במבחן המעשי, כשהדברים מגיעים ליישום בשטח, כמה מן הרעיונות האלה אינם בני ביצוע." בסופו של דבר, אתגר הבקרה והניהול של התהליכים המתרחשים בפיטוביום יהיה ככל הנראה רק אחד מאתגרי המהפכה החקלאית הבאה. הצלחה במשימה תחייב גם מחויבות פוליטית לנושא והרבה מזל. ככלות הכול, עד 2050 נותרו 32 מחזורי יבול שנתיים בלבד.