צמח בריא מסוג ארבידופסיס בריא (משמאל) וצמח מוטנטי הסובל מחוסר איזון בחיידקים (מימין). שנג-יאנג הוא, CC BY-SA
רבים מאיתנו שמענו על כך מחלות מעי דלקתיות, מצב מתיש הקשור לאוסף חריג של חיידקים במעי האנושי - המכונה מיקרוביום המעיים. המעבדה שלי לאחרונה מצא שכמו בני אדם, גם צמחים יכולים לפתח מצב זה, המכונה דיסביוזה, עם השלכות קשות.
כחלק מ מחקר זה, עמיתי ואני גילינו שחלק מהגנים והתהליכים המעורבים בשליטה על דיסביוזה בצמחים עשויים להיות דומים לאלו שבבני אדם. גילוי דיסביוזה בממלכת הצמחים פותח אפשרויות חדשות לעידוד חדשנות בבריאות הצומח וביטחון המזון העולמי.
אני מיקרוביולוג צמחי מעוניין כיצד צמחים וחיידקים מתקשרים זה עם זה. למרות שהמחקר שלנו בעבר התרכז פרטים מולקולריים של זיהומים פתוגניים, עבודה זו הובילה את המעבדה שלי לעולם המרתק של המיקרוביום הצמחי.
האם לצמחים יש מיקרוביומים?
כאשר מדענים אומרים כי "חיידקי המעיים" האנושיים צריכים להיות מאוזנים היטב, הם מתייחסים לחומר הגנטי של כל החיידקים החיים במערכות העיכול האנושיות, או למיקרוביום המעיים. האם לצמחים יש גם מיקרוביומים? התשובה היא כן.
למעשה, חלקי הצמח הגדלים מעל הקרקע, המכונים פילוספרה, וחלקים הצומחים מתחת, המכונים רזוספירה, מספקים את אחד מבתי הגידול הגדולים ביותר להתיישבות חיידקים על פני כדור הארץ. שניהם חיוניים לחיי האדם בכדור הארץ.
הפילוספירה תופסת פחמן דו חמצני לצורך פוטוסינתזה, אשר נחוצה לבניית ביומסה והיא מקור עיקרי למזון, דלקים, סיבים ותרופות. הפוטוסינתזה גם משחררת חמצן לבעלי חיים ולבני אדם לנשום, ולכן צמחים נחשבים לרוב לריאות כדור הארץ שלנו. לעומת זאת, הריזוספירה תופסת מים וחומרים מזינים מהאדמה.
מחקרים רבים הראו כי חיידקים צמחיים מסייעים לצמחים להפיק חומרים מזינים מהאדמה ולהתמודד עם בצורת, פתוגנים, חרקים ומתחים אחרים.
מחקרים אקולוגיים ציינו גם כי ככל שמגוון גדול יותר של חיידקים החיים על עלי צמח, נראה כי הצמחים יצרניים יותר.
כיום, רוב מדעני הצמחים מאמינים כי אסטרטגיות עולמיות להבטחת פריון הגידול וביטחון המזון חייבות לקחת בחשבון את המיקרוביום של הצמחים. ארגון המזון והחקלאות של האו"ם מעריך זאת עד 40% מגידולי המזון הולכים לאיבוד בגלל מזיקים צמחיים מדי שנה, והאסיפה הכללית של האו"ם הכריזה על שנת 2020 כשנה הבינלאומית לבריאות הצמחים.
כמה חיידקים קשורים לעלים ולזריקות, בעוד קבוצה מובחנת אחרת חיה בין השורשים. שנג-יאנג הוא, CC BY-SA
כיצד הצמחים שומרים על בריאות החיידקים?
לאור חשיבות המיקרוביוטה - הקהילה הספציפית של חיידקים החיים על צמחים או בסמוך להם - לבריאות הצמחים, נימקנו כי צמחים חייבים לפתח רשת גנטית מתוחכמת כדי לבחור את התמהיל הנכון של חיידקים.
אם זה נכון, אז הידיעה אילו גנים צמחיים משפיעים על סוגי החיידקים המקיפים את הצמח יכולה להנחות את המחקר העתידי כדי לייעל את המיקרוביומים הצמחיים כדי לעזור לצמחים לגדול טוב יותר, להתחזק ולייצר יותר ביומסה ותפוקה.
ואכן, הקבוצה שלי זיהתה כעת כמה מהגנים ה"שולטים-מיקרוביוטה "הללו בצמח המודל Arabidopsis thaliana.
מצאנו כי מספר גנים המעורבים בחסינות הצמח ובאיזון המים הם קריטיים לבחירה ושמירה על מיקרוביוטה בריאה בפנים ארבידופסיס צמח עלים.
כאשר הסרנו את הגנים המזוהים האלה מצמחים, ארבידופסיס מוטציות צמחיות לא יכלו לארח את התמהיל הנכון של חיידקים והציגו סימפטומים של דיסביוזה, כולל עלים מתים או מצהיבים. ככל הידוע, זה היה ה הפעם הראשונה שההשפעות השליליות של דיסביוזה תועדו באופן סיבתי בממלכת הצמחים.
[עליכם להבין את מגיפת וירוס הכור, ונוכל לעזור. קרא את העלון של השיחה.]
מאפיינים מעניינים של צמחים 'חולים'
עמיתי ואני ראינו כמה מאפיינים בולטים של דיסביוזה במוטציה שלנו ארבידופסיס צמחים.
ראשית, מוטציות לדיסביוזה נוטות לרמה גבוהה באופן חריג של חיידקים החיים בתוך העלים.
עלה מצמח בריא ארבידופסיס (משמאל) ועלה מצמח מוטציה דיסביוזיס (מימין). שנג-יאנג הוא, CC BY-SA
שנית, חל שינוי דרסטי במגוון החיידקים. למשל, במצב נורמלי ארבידופסיס עלים צמחיים, ישנם כל מיני חיידקים החיים בתוך העלה. לעומת זאת, המגוון הכללי של החיידקים מצטמצם מאוד במוטציות הדיסביוטיות, דבר המצביע על כך שצמחים בריאים מקדמים מגוון מיקרוביאלי, ככל הנראה כדי להגדיל את היתרונות לבריאות הצומח.
שלישית, בעוד חיידקים השייכים לתיל פרמיקוטס נמצאים בשפע בתוך wild-type ארבידופסיס עלים, השפע מצטמצם משמעותית במוטציות הגנטיות שלנו. בנוסף, ראינו עלייה דרמטית במספר החיידקים המזיקים בתוך העלים המוטנטים לדיסביוזה. אנו מגלים שמעניין שחלק מהשינויים במיקרוביוטה אלה נצפים גם בקרב חולי מעי דלקתיים, דבר המצביע על מקבילים רעיוניים בהתפתחות דיסביוזיס בבני אדם ובצמחים.
מה הלאה?
אנו שמחים על זיהוינו של כמה גנים ותהליכים צמחיים המעורבים במניעת דיסביוזה. הגנים השולטים במיקרוביוטות שזיהינו בהם ארבידופסיס נמצאים בגנום של צמחים רבים אחרים, מה שמרמז על כך שממצאינו עשויים להיות בעלי תחולה רחבה.
בעתיד נוכל להתנסות בשינוי גנים מארחים אלה, מה שעשוי להוביל לגישות מבוססות מיקרוביוטות המשפרות את בריאות הצומח. לדוגמה, ניתן להשתמש בטכנולוגיות עריכת גנים ליצירת ביום בריא בעלים של צמחים על ידי שיפור הביטוי של גנים ספציפיים. מיקרוביום בריא סינטטי עשוי להיות מנוסח כפרוביוטיקה למניעת דיסביוזה בצמחים, הרבה כמו פרוביוטיקה הובטחה לשפר את בריאות המיקרוביום במעי.
יש לציין כי מוטציות בגנים הקשורים למערכת החיסון של האדם הן ידועות גורם סיכון להתפתחות מחלות מעי דלקתיות בבני אדם. אולי, מחקר עתידי ימצא מאפיינים משותפים יותר באופן שבו צמחים ובני אדם מתקשרים עם המיקרוביוטה שלהם בהתאמה על מנת למנוע מחלות.
הקלות במחקרים גנטיים בצמחים, כמו Arabidopsis, מציעה גם אפשרות שחוקרים יוכלו לזהות יותר גנים המעורבים בשמירה על בריאות החיידקים אצל אנשים וצמחים.
על המחבר
שנג-יאנג הוא, פרופסור מכובד באוניברסיטה, חוקר HHMI, אוניברסיטת מישיגן
מאמר זה פורסם מחדש מתוך שיחה תחת רישיון Creative Commons. קרא את ה מאמר מקורי.
ing
