על הסימביוזה בין צמחים וחיידקים - אסף לוי

 

מיקרואורגניזמים וצמחים מקיימים סימביוזה עתיקה במהלכה הצמחים מעבירים סוכרים מהפוטוסינתזה לחיידקים ופטריות ואלו מספקים כל מיני יתרונות לצמח, למשל מסייעים בהגנה כנגד פתוגנים ומספקים נוטריינטים. ישנם צמחים שמעבירים אף כ-20% מתוצרי הפוטוסינתזה לאדמה שבקרבת השורש כדי "להאכיל" את המיקרובים. 

(Cotswold Seeds, 2018).

אחת הסימביוזות הכי נחקרות היא בין הקטניות לחיידקי השורש מקבעי החנקן (ריזוביה). כאן החיידקים לוקחים חנקן אטמוספרי והופכים אותו לאמוניום שזמין לצמח ליצירת חומצות אמינו לחלבונים. התהליך קורה בפקעיות: גופים עגולים בשורשים שמשמשים בתי גידול לחיידקים. חיידקים אלו יוצרים תחילה תקשורת כימית עם הצמחים שבסופה החיידקים חודרים לשורש דרך שערה ודרכו עוברים אל המקום בו תיווצר הפקעית. פה נוצרת עיסקה: החיידק מוותר על עצמאותו והופך לבקטריואיד: מעין רובוט שרק מקבע חנקן בפקעית בתמורה לאנרגיה והגנה מהצמח. הצמח דואג לסביבה אנאירובית כדי שאנזים של החיידק בשם ניטרוגנאז יוכל לבצע את הפעולה היקרה באנרגיה של פיצוח החנקן האטמוספרי והפיכתו לחנקן זמין לפעילות ביולוגית. 

 Dave Whitinger

סימביוזה זו יקרה לשני הצדדים ופועלת כאשר כל צד מבצע את חלקו. במאמר ב-Nature מהשבוע שעבר בדקו מה קורה לצמח אם מוסיפים לסביבתו אמוניום זמין וכבר אין צורך יותר בחיידקים שבפקעית. החוקרים מצאו שהצמח במקרה זה נעזר בחלבון מסויים שמקבל סיגנל מיוני אבץ וכך עובר שיפעול. אותו החלבון מתחיל במסלול פירוק הפקעית ('בית החיידקים') משום שאין צורך להאכיל חיידקים בסוכר כאשר יש אמוניום חינמי בחוץ.

המקור

הפעילות הזו של החיידקים נקראת גם קיבוע חנקן ביולוגי והיא בעצם מחליפה חלק ניכר מהדשן של צמחים, המספק בעיקר חנקן וזרחן לצמח. שנים רבות מנסים חוקרים ליצור מסלול כזה גם במינים מחוץ למשפחת הקטניות (למשל בחיטה) כדי לחסוך בעלות הדשן ולהוזיל לעצמם כך עלויות משמעותיות.

אגב, אם פותחים פקעית פעילה, בה חיידקים מבצעים קיבוע חנקן ניתן לראות שצבעה ורוד, מזכיר דם ולא בכדי. בפקעית יש חלבון בשם לגהמוגלובין, קרוב של ההמוגלובין שלנו, וכמותו הוא קושר חמצן בעזרת ברזל שמקנה את הצבע האדום לפקעית. הסיבה היא שאותו אנזים חשוב מהחיידקים בשם ניטרוגנאז שמייצר את האמוניום רגיש מאד לחמצן ולכן הלגהמוגלובין מקטין את החמצן בפקעית כדי שהתהליך יתבצע בצורה מיטבית.

אגב, באופן דומה לאופן שבו חיידקים מספקים חנקן לצמחים מסויימים, פטריות המיקוריזה מאריכות את שורשי הצמחים כדי לספק לצמח זרחן שאינו זמין להם מהקרקע בתמורה לסוכרים מהפוטוסינתזה.

כדי שסימביוזה תתקיים צריך שת"פ בין שני המינים. יש מקרים של רמאים: חיידקים שנהנים מהמזון בפקעית אך אינם מקבעים חנקן בתמורה. אוכלי חינם. במקרים כאלה צמחים מזהים פקעית לא פעילה ומפעילים סנקציות על החיידקים על ידי הפסקת האכלתם בנוטריינטים.

Cassandra Tkachuk, Manitoba Pulse & Soybean Growers.

כדי להעשיר את הקרקע בחנקן לקראת עונת הגידול הבא ישנם חקלאים ששותלים גידולי כיסוי ממשפחת הקטניות כגון תלתן, אפונה ואספסת שיוצרים את הסימביוזה המתוארת עם החיידקים וכך מביאים בסוף העונה לאגירת חנקן בשכבה העליונה של הקרקע ובהפחתת הצורך בדישון.

פריץ הבר (Haber) וקרל בוש (Bosch) פיתחו את התהליך הכימי שמחליף את החיידקים ביצירת אמוניה. פריץ הבר היהודי קיבל על כך פרס נובל ב-1918. זהו תהליך מאד יקר באנרגיה משום שיש לשבור את שלושת הקשרים הכימיים בין אטומי החנקן וכ 1-2% מכל צריכת האנרגיה בעולם מושקעת ביצירת אמוניה באופן זה, לצורך דשנים שהולכים להאכלת אחוז ניכר מאוכלוסיית העולם דרך חקלאות תלוית דשנים.

פריץ הבר                             קרל בוש
Wikimedia commons

דבר אחרון בנושא של הלגהמוגלובין, שמוריד את אחוז החמצן בפקעית כדי לקיים את קיבוע החנקן הביולוגי:  מכיוון שהוא מקנה צבע אדום חברת אימפוסיבל פודס מוסיפה אותו להמבורגר הצמחי שלה כדי לתת צבע ומרקם של בשר (תחליף המוגלובין בשרי)

ד"ר אסף לוי - המחלקה למחלות צמחים ומיקרוביולוגיה, הפקולטה לחקלאות, האוניברסיטה העברית

פורסם בטוויטר של המחבר - ביוני 2024