צוות הניקיון של המיקרוביום: איך חיידק אחד מגן על הצמח בפעילות מטבולית פשוטה

אוקטובר 8, 2020
הצמחים שנחקרו. צילום - דר קונור פיצפאטריק

מחקר חדש שפורסם בכתב העת המפורסם nature על ידי המיקרוביולוג ד"ר עמרי פינקל, חוקר צעיר שהחל לאחרונה את פעילותו במכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית, חושף את הייחודיות של המיקרוביום הצמחי ודרכי פעולתו של חיידק אחד שפועל בתוכו ועשוי לשנות את בריאותו הכללית של הצמח

בדיוק כמו בני האדם, ובעצם כמו כל ייצור רב-תאי, גם הצמחים מקיימים מיקרוביום – אוסף מגוון של קהילות מיקרואורגניזמים שנמצאים בתוך הצמח ומחוצה לו ומקיימים איתו יחסי גומלין ענפים. רבים מהמיקרואורגניזמים הללו מתמרנים את הצמח על מנת שיספק סביבה טובה יותר עבורם. לפעמים אלה יחסי גומלין הדדיים, שבהם המיקרוב גם מספק לצמח תמורה כלשהי, אך במקרים רבים אלה אינטראקציות טפיליות, שמהן הצמח מפסיד. בנוסף, המיקרוביום מהווה מארג של אינטראקציות שכולל לא רק יחסי גומלין בין המיקרובים לצמחים, אלא גם בין המיקרובים עצמם. הבעיה היא שכמעט בלתי-אפשרי לפרק מיקרוביום טבעי לחלקיו כדי לנסות להבין איזה יחסי גומלין מתקיימים בתוכו.

במחקר חדש שפורסם היום (רביעי) בכתב העת המדעי היוקרתי nature תחת הכותרת "A single bacterial genus maintains root growth in a complex microbiome", ובוצע בהובלת המיקרוביולוג ד"ר עמרי פינקל מהמכון למדעי החיים באוניברסיטה העברית (חוקר באוניברסיטת צפון קרוליינה שבארה"ב בעת העבודה על המחקר), יחד עם פרופ' ג׳ף דנגל באוניברסיטת צפון קרוליינה - מומחה בעל שם עולמי למערכת החיסון של הצמח - ושותפיהם, ניסו החוקרים להבין את הנעשה במיקרוביום הטבעי של הצמחים. הם הרכיבו מיקרוביום מודל מקהילת חיידקים מלאכותית שהורכבה במעבדה, והכילה כ-200 חיידקים שונים (יש שיכנו אותה "קהילה סינתטית") - שבודדו כולם מצמחים. את המיקרוביום הם "שידכו" לצמח ה-תודרנית לבנה, "עכבר המעבדה של מדעי הצמח", כדברי ד"ר פינקל.

החוקרים ניסו לבחון מה קורה לקהילה ולצמח כאשר מוציאים ממנה חיידק כזה או אחר. הם הבינו כי יש סוג מסוים של חיידקים, שנקראים וואריווראקס (Variovorax), שהנוכחות שלהם בקהילת המיקרוביום הכרחית להתפתחות תקינה של שורשים. "בכל הקשר שבו לא הוספנו את הוואריווראקס לקהילה הסינתטית, התפתחות השורשים נפגעה באופן בולט. זו תופעה מוזרה, כי כאשר מתבוננים על הרכב הקהילה החיידקית בכללותה, וואריווראקס הם לא מאוד נפוצים. הם מהווים פחות מאחוז מכלל החיידקים שאנחנו מזהים על השורש", מסביר ד"ר פינקל. בנוסף, התגלה כי כאשר מדביקים את הצמחים עם וואריווראקס בלבד, בלי הנוכחות של שאר החיידקים, לא קורה שום דבר מיוחד. כלומר, ההשפעה של וואריוראקס על הצמח נובעת מיחסי הגומלין שלו עם חיידקים אחרים בסביבה, ולא עם הצמח עצמו.

המחקר, למעשה, מציג גישה חדשה לפיה המיקרוביום הוא לא עוד אוסף של חיידקים אלא אוסף של יחסי גומלין, שהמורכבות שלו עולה ומתעצמת לפי סדרי גודל. מצד אחד, הבנה שכזאת מגדילה את הפוטנציאל לגילוי מנגנונים שבהם מיקרובים יכולים להועיל לצמחים, ומצד שני מעצימה עשרות מונים את המורכבות שצריך להכיל אם רוצים להבין את המערכת הזאת.

הצמחים שנחקרו. צילום - דר קונור פיצפאטריק

החוקרים ניסו להבין מה בעצם מסוגל לעשות ה-וואריווראקס ואיך בדיוק מתרחשת מערכת היחסים סביבו. הם גילו שמדובר בחיידק עם יכולת פנומנלית לפירוק ההורמון הצמחי אוקסין, הורמון המעורב בכל תהליכי ההתפתחות של הצמח. חיידקים רבים מקבוצות מגוונות בסביבת הצמח, בכללם חיידקים מחוללי מחלות, יודעים להפריש כמויות גדולות של אוקסין לסביבה ובכך לשבש את תוכנית ההתפתחות של הצמח. אולם, החוקרים מצאו שכאשר ה-וואריווראקס נוכח, האוקסין מהמקור החיידקי נעלם כמעט לחלוטין מסביבת השורש. היעלמות זו של האוקסין לא מתרחשת כי ה-וואריווראקס מעכב את גידולם של אותם חיידקים מפרישי אוקסין, אלא פשוט משום שהוא בעצמו ניזון מהאוקסין שהחיידקים הללו מפרישים. כך נוצרים אותם יחסי גומלין בין החיידקים שמועילים להתפתחות הצמח.

במילים אחרות, ה-וואריווראקס לא פועלים ממניעים אלטרואיסטים, אלא פשוט שיכללו את היכולת להשתמש באוקסין כמקור מזון. על הדרך הם מנקים את פני השורש של הצמח מאוקסין חיידקי ובכך מגנים עליו ממניפולציות של מיקרובים אחרים. אגב, ה-וואריווראקס ידועים כחיידקים בעלי יכולת פירוק חומרים מגוונת במיוחד, ולכן הם קיבלו את שמם: וואריו = מגוון, ווראקס = אוכל. "בהקשר של הגנת הצומח, אנחנו בדרך כלל חושבים על הדברה ביולוגית כהרג או עיכוב אקטיבי של גורם המחלה, אך העבודה הזו מראה שפעילות מטבולית די תמימה, יכולה להגן על הצמח באופן אפקטיבי. אני מקווה שניתן יהיה להשתמש בשיטות כגון אלו כדי לזהות ולנצל מנגנונים פחות מוכרים שבהם חיידקים מגנים על הצמח המאכסן", מסביר ד"ר פינקל.

צוות המחקר הנרחב כלל מספר רב של מדעניות ומדענים ממקומות שונים בעולם. בין היתר, ניתן למצוא את החוקרים הבינלאומיים יסאי סאלס גונזלס, ד"ר גבריאל קסטריו וד"ר ג׳ונתן קונווי.

 

לקריאת המאמר המדעי במלואו: https://www.nature.com/articles/s41586-020-2778-7

פרסומים בתקשורת

https://www.ynet.co.il/article/HykHPtsLP

שלושה שיודעים - https://www.kan.org.il/Podcast/item.aspx?pid=18624