מטאטא המכשפה - משה בר-יוסף

 

מולקולה חלבונית ההופכת צמחים לזומבים מציעה פריצת דרך לעתיד פטור ממחלות חיידקים שוכני שיפה

בדף פרסומי של מכון ג׳ון אינס באנגליה, מהמוסדות המדעיים הבולטים בעולם בתחום מדעי הצמח, פורסם על חיידק ההופך צמחים לזומבים (זומבי בתרגום חופשי משמעו מת מהלך.). מאחורי הכותרת הבומבסטית מסתתרת דרמה אמיתית והצלחה מדעית מרשימה. והנה הרקע:

בשנת 1967 גילו חוקרים יפניים נוכחות של חיידקים חסרי דופן בשורת צמחים החולים במחלות עיוותים שונות. חלק מהמחלות נקראו ׳מטאטא מכשפה׳ על שום ריבוי יתר שלל ענפים בצמחים החולים. צמחים חולים במטאטא מכשפה סבלו מניוונים ויבולים נמוכים ונחשבו שנים כנגרמים מנגיפים והנה התברר כי גורמי המחלה הם חיידקים ייחודיים שצורות דומות להן היו מוכרות כגורמות למחלות בעלי חיים ובני אדם ונקראו מיקופלסמה. לימים התברר כי המיקופלסמות בצמחים, למרות דמיונן החיצוני לאלו שהכירו בבעלי חיים, היו שונות מבחינה גנטית; ועוד התברר, כי בניגוד למיקופלסמות שחלקן ניתן היה לגדל על קרקע מזון סינתטית, את הפיטופלסמות הפוגעות בצמחים לא הייתה דרך לגדל על מצע ועדיין אין.

מטאטא המכשפה הוא תסמין בו נצרים צומחים באופן מעוות ולרוב מתאגדים לכדי סבך הדומה לקצה המטאטא או קן ציפור, ומכאן שמו (מתוך ויקיפדיה)

פיטופלסמות (Phytoplasma) מועברות מצמחים בריאים לחולים בגופן של ציקדות, חרקים מעופפים הניזונים מצינורות השיפה. זוהו מאות מחלות בהן מעורבים 200 או יותר מיני פיטופלסמה, טכניקות מולקולריות בעשור האחרון איפשרו לאפיין את הגנום של פיטופלסמות אחדות, אך כללית מחלות אלו נותרו במידה רבה חסרות אמצעי הדברה יעילים.

בעבר עסקנו במחלות אלו כאשר דנו במחלת העלעלת בהדרים, הנגרמת מחיידק קרוב בשם ספירופלסמה (Spiroplasma) שניתן לגדלו, וכן במחלת פיפיות בשם ניוון האמיר. לאחרונה נתגלתה מחלה קשה דומה הפוגעת בגזר ונגרמת מחיידק מסוג ליבריקבטר (Liberibacter) כמעורב במחלת מסאסא המכשפה של הגזר. 

50 שנה חלפו, המחלות הללו חיכו לפתרון והנה, בעקבות מחקר חדשני שיצא ממכון ג׳ון אינס בנוריץ, אנגליה (John Innes Centre), אחד ממוסדות המחקר המצוינים בעולם בתחום הביולוגיה המולקולרית של צמחים, מסתמנת תקווה: רשימה בעיתון היוקרתי של קבוצת מחקר מוגנת של החוקר הוגנאהוט, הכריזה לאחרונה כי נמצאה דרך למנוע את תופעת הזומבים בצמחים. להלן עיקרי הרשימה:

חוכמת הפיטופלסמה

מתברר כי פיטופלסמה, שהם חיידקים טפילים החיים בצינורות השיפה של צמחים, מתמרנים את הצמחים הפונדקאים כך שיתאימו לצרכיהם, או לצרכי הווקטורים שהם נושאים ולפעמים בדרכים דרסטיות. בעקבות הדבקת הטפיל עלולים צמחים רגישים לעבור שינויים רחבים עד שהם מתוארים כ׳זומבים; או בצורה ציורית יותר כ׳מטאטא מכשפה׳. הצמחים הפגועים מפסיקים להתרבות ומשמשים רק בית גידול ומארח עבור הפתוגנים הטפילים. עד כה לא הובן במלואו כיצד זה קורה ברמה המולקולרית והמכניסטית.

במחקרו של הוגנהאוס ממרכז ג׳ון אינס, בשיתוף חוקרים מהולנד, זוהתה לראשונה מולקולה המיוצרת על ידי חיידקי פיטופלסמה כדי לשנות את ההתפתחות הנורמלית של צמחים. מדובר בחלבון המופיע בצמח החולה וגורם לפירוק וסת הצמיחה הצמחית הנורמלית - ובעקבות כך מתחילה צמיחה לא תקינה ומעוותת. 

Phytoplasma effector SAP05 induces witches' broom in Arabidopsis – Credit: Weijie Huang JIC

החוקרים הראו כי חלבון חיידקי המכונה SAP05 מתמרן את הצמחים לעבור שנוי דרסטי באמצעות ניצול מנגנון מולקולרי הפעיל בתאי הצמח החולה במחלה הנגרמת מפיטופלסמה. בתאי צמחים, כבתאי בעלי חיים, נמצא מעין אברון מיקרוסקופי המכונה פרוטאזום, שעיקר פעילותו פירוק חלבונים שאינם נחוצים בתוך תאי הצמח. SAP05 ׳חוטף׳ כביכול את התהליך הנורמלי הזה, מסלק מהתאים חלבונים צמחיים החשובים בוויסות הצמיחה והתפתחות הצמחים ומעבירם לפרוטאזום, שכאמור משמש מרכז מיחזור מולקולרי של חלבוני תאים.

בעקבות כך, התפתחות הצמח מתוכנתת מחדש לטובת החיידקים, מה שמעורר פריצות צימוח רבות ומעכב את הזדקנות הצמח. צמחים חולים ריבויים המיני נפגע והם נמצאים במעמד ׳צעיר לנצח׳. יצוין כי להצערת הצמחים החולים חסרון חקלאי, אך גם יתרון חשוב מבחינת הפצת המחלה כיוון שצמחים במעמד כזה ישמשו לזמן רב כנשאים של החרקים המפיצים. תמונה כזו ראיתי באחד מביקורי בגליל: צמחי ברקן בחודשי הסתיו היו יבשים לחלוטין - להוציא ראשי הפרחים של צמחים חולים, שנותרו עדיין ירוקים ומתאימים לנשיאת הווקטור המעביר,  גם כאשר כל הצמחים הבריאים בסביבה סיימו לפזר זרעיהם והיו יבשים ומתים. 

בניסויים גנטיים וביוכימיים בצמח המודל תודרנית לבנה (Arabidopsis thaliana) הצליח הצוות לחשוף את תפקידו של SAP05. מתברר כי חלבון זה נקשר ישירות הן לחלבונים ההתפתחותיים בצמחים והן לפרוטאזום. תהליך זה של יצירת סנדוויץ׳ הוא דרך חדשה לפירוק חלבונים. בדרך כלל, חלבונים שמתכלים באמצעות הפרוטאזום מתויגים ומסומנים תחילה לסילוק ופינוי באמצעות צימוד מולקולה שנקראת אוביקוויטין (Ubiquitin). אגב, מנגנון זה, שתואר לראשונה על ידי חוקרים ישראלים מהטכניון, פרופ׳ הרשקו ופרופ׳ צחנובר, זיכה אותם בפרס נובל. 

במקרה של הפיטופלסמה, החלבונים ההתפתחותיים הצמחיים נצמדים לחלבון SAP05. הצוות במרכז ג'ון אינס בחן אם SAP05 משפיע גם על חלבוני הציקדות מפיצות הפיטופלסמה והתברר כי חלבוני החרקים שונים ואינם מתקשרים ל-SAP05, ולכן לא נצפו נזקים דומים גם בווקטורים נשאי הפיטופלסמה. עוד התברר, כי שחלוף שתי חומצות אמינו ביחידת הפרוטאזום הצמחי יהפוך אותה לדומה לזו של חרקים וימנע את התקשרות החלבון SAP05 לפרוטאזום הצמחי.

ומכאן לפתרון הבעיה

מוצע כאן לראשונה מנגנון לפיתוח עמידות לקבוצת מחלות חשובה שחסר היה עבורה מנגנוני עמידות גנטית ולכן לא נמצאה דרך טיפוחית לפתח זנים עמידים. דרך הטיפול היחידה הייתה באמצעות הדברה כימית של הווקטורים, מנגנון שפעמים הצליח ובמקרים רבים כשל. 

ממצא זה מציע את האפשרות לשפר ולשנות רק את שתי חומצות האמינו הללו בגידולים, למשל באמצעות טכנולוגיות עריכת גנים, כדי לספק עמידות בפני פיטופלסמות. ״הממצאים שלנו מטילים אור חדש על מנגנון מולקולרי שמאחורי הפנוטיפ המורחב הזה״, כותבים החוקרים, ״באופן שיכול לסייע בפתרון בעיה גדולה בייצור מזון. אנו מדגישים: זוהי אסטרטגיה מבטיחה למפעלי הנדסה להשיג רמת עמידות עמידה של גידולים בפני פיטופלסמות״.

למתעניינים:

המאמר - Parasitic modulation of host developmentby ubiquitin-independent protein degradation

פרופ' משה (ג'וזף) בר-יוסף - גמלאי המעבדה ע"ש טולקובסקי, מינהל המחקר החקלאי

עלון הנוטע שנה ע"ה, ספטמבר-אוקטובר 2021