NEWS

בעקבות הפיתוח הייחודי, צוות החוקרים מאוניברסיטת תל אביב הצליח כאמור לבודד ולזהות עשרות תכונות חדשות שהיו ממוסכות עד כה. פיתוח זה צפוי לחולל מהפכה בתהליכי ההשבחה של גידולים חקלאיים כיוון שהוא מתאים לשיפור של מרבית הגידולים ומרבית התכונות החקלאיות, כמו הגדלת יבול, עמידות ליובש או למזיקים. המחקר נערך בהובלת הפוסט-דוקטורנט, ד"ר יאנגז'ה הו, בהנחייתם של פרופ' אילון שני ופרופ' איתי מירוז מבית הספר למדעי הצמח ואבטחת מזון באוניברסיטת תל אביב. כמו כן, השתתפו במחקר חוקרים מצרפת, דנמרק, ושווייץ. המחקר פורסם בכתב העת היוקרתי Nature Plants. 

שימוש בטכנולוגיית הקריספר לעריכת גנים

פרופ' שני: "מזה אלפי שנים, מאז המהפכה החקלאית, נוהג האדם להשביח זנים של צמחים למטרות חקלאיות באמצעות יצירת שוֹנוּת גנטית. אך עד לפני מספר שנים לא ניתן היה להתערב באופן ממוקד בשינויים הגנטיים, אלא רק לזהות ולעודד תכונות רצויות שנוצרו באופן אקראי. התפתחות טכנולוגיות של עריכת גנים מאפשרות כיום לבצע שינויים מדויקים במספר רב של צמחים." 

במסגרת המחקר, צוות החוקרים נעזר בטכנולוגיה החדשנית 'קריספר' (CRISPR) לעריכת גנים ובשיטות מתחום הביו-אינפורמטיקה והגנטיקה המולקולרית כדי לפתח שיטה חדשה לאיתור גנים האחראים על תכונות ספציפיות בצמחים. 

החוקרים מסבירים שעל אף התפתחות הטכנולוגיה של עריכה גנטית, נותרו מספר אתגרים המגבילים את יישומה בחקלאות. אחד מהם הוא הצורך לזהות באופן מדויק ככל האפשר אילו גנים בגנום של הצמח אחראים על תכונה ספציפית שאנו מבקשים לטפח. השיטה המקובלת לעניין זה היא לייצר מוטציות, כלומר לשנות גנים בדרכים שונות, ואז לבחון את השינוי בצמח שנוצר מה-DNA המכיל את המוטציה, וללמוד מכך על פעילות הגן.  

כך, לדוגמה, אם מתפתח צמח בעל פירות מתוקים יותר, ניתן ללמוד מכך שהגן שעבר שינוי דרוש לקביעת מתיקות הפרי. שיטה זו נהוגה כבר עשרות שנים, וזוכה להצלחה מרובה, אולם יש בה גם בעיה מהותית: לצמח ממוצע כמו עגבנייה או אורז יש כ-30,000 גנים, אך כ-80% מהם אינם פועלים לבדם אלא מקובצים במשפחות של גנים דומים. לכן, אם פוגעים בגן יחיד ממשפחת גנים מסוימת, קיים סיכוי רב שגן אחר מאותה משפחה (למעשה עותק הדומה מאוד לגן הפגוע) ימסך על הפגיעה ויתפקד במקום הגן הפגוע. תופעה זאת, הקרויה יתירות גנטית, גורמת לכך שבסבירות גבוהה לא נצליח ליצור שינוי בצמח עצמו, ולא נצליח להבין את פעילות הגן וקישורו לתכונה ספציפית.  

צוות המחקר

שיפור השליטה במוטציות לצורך השבחה

המחקר הנוכחי ביקש למצוא פתרון לבעיית היתירות הגנטית בכלל הגנום, באמצעות שיטה חדשנית לעריכת גנים הקרויה 'קריספר'. מסביר פרופ' מירוז: "שיטת קריספר מבוססת על אנזים בשם Cas9 המצוי באופן טבעי בחיידקים, שתפקידו לחתוך רצפי DNA זרים. אל האנזים מצורף רצף מסוג sgRNA, שמזהה את רצף ה-DNA  אותו נדרש האנזים לחתוך. שיטת העריכה הגנטית מאפשרת לנו לתכנן רצפי sgRNA כרצוננו על מנת ש-Cas9 יחתוך כמעט כל גן שברצוננו לשנות. אנחנו ביקשנו ליישם את הטכניקה הזאת כדי לשפר את השליטה ביצירת מוטציות בצמחים למטרות השבחה חקלאית, וספציפית כדי להתגבר על הקושי שמציבה היתירות הגנטית." 

בשלב הראשון בוצע מחקר ביו-אינפורמטי במחשב, שבניגוד למרבית המחקרים בתחום כיסה מלכתחילה את הגנום השלם. החוקרים בחרו להתמקד בצמח ארבידופסיס (תודרנית לבנה) המשמש כצמח מודל במחקרים רבים ויש לו כ-30,000 גנים. ראשית הם ניפו כ-8,000 גנים בודדים, שאין להם בני משפחה, ולכן גם אין להם עותקים נוספים בגנום שיחפו עליהם. 22,000 הגנים שנותרו חולקו למשפחות, ועבור כל משפחה תוכננו באופן חישובי רצפי sgRNA מתאימים: כל רצף sgRNA נועד להוביל את אנזים החיתוך Cas9 אל רצף גנטי מסוים המאפיין את המשפחה כולה, במטרה ליצור מוטציות בכל חברי המשפחה, כך שלא יוכלו עוד לחפות זה על זה. כך נבנתה ספרייה שמנתה בסך הכול כ-59,000 רצפי sgRNA, המאפשרים פגיעה בו-זמנית ב-10-2 גנים בכל משפחת גנים, ובכך מנטרלים למעשה את תופעת היתירות הגנטית.  

לסדר את הגנים בספריות

בנוסף חולקו הרצפים ל-10 תת-ספריות בנות כ-6,000 רצפים כל אחת, על פי תפקידם המשוער של הגנים – גנים המקודדים לאנזימים, קולטנים, חלבוני שיעתוק, וכדומה. לדברי החוקרים, בניית הספריות היא כלי המאפשר למקד ולייעל את החיפוש אחר גנים האחראים לתכונות רצויות, חיפוש אשר עד כה היה אקראי במידה רבה.   

בשלב הבא עברו החוקרים מהמחשב למעבדה. כאן הם יצרו את כל 59,000 רצפי ה-sgRNA שזוהו בשיטה החישובית והנדסו אותם לתוך ספריות פלסמידים (דהיינו, מקטעי DNA מעגלי) חדשים בשילוב עם אנזים החיתוך. לאחר מכן יצרו החוקרים אלפי צמחים חדשים המכילים את הספריות - כאשר לכל צמח הוחדר רצףsgRNA יחיד המכוון נגד משפחת גנים ספציפית. 

החוקרים עקבו אחר התופעות שהתגלו בצמחים בעקבות השינויים בגנום, וכשנצפתה בצמח מסוים תכונה חדשה כלשהי, ניתן היה בקלות לדעת, על סמך רצף ה-sgRNA שהוחדר אליו, אילו גנים עברו שינוי. כמו כן, באמצעות ריצוף DNA של הגנים שזוהו, ניתן היה לברר מה מהות המוטציה שגרמה לשינוי ומה תרומתה לתכונות הצמח. בדרך זו מופו תכונות חדשות רבות שעד עכשיו היו ממוסכות בשל יתירות גנטית. באופן ספציפי זיהו החוקרים חלבונים ייחודיים המרכיבים מנגנון הקשור להובלת ההורמון ציטוקינין, שהוא חיוני להתפתחות התקינה של הצמח.  

פרופ' שני מסכם: "השיטה החדשה שפיתחנו צפויה לסייע רבות למחקר בסיסי להבנת מנגנונים בצמחים, אך מעבר לכך, יש לה משמעות עצומה לחקלאות: היא מאפשרת לחשוף באופן יעיל ומדויק את מאגר הגנים האחראים על תכונות שאנו מבקשים לשפר - כמו לדוגמה עמידות ליובש, למזיקים או למחלות, או הגדלת יבולים. אנחנו מאמינים שזהו עתידה של החקלאות: השבחת גידולים מבוקרת ומכוונת הפועלת בקנה מידה רחב היקף. כיום אנחנו מיישמים את השיטה שפיתחנו בהצלחה רבה על צמחי אורז ועגבנייה, ובעתיד אנו מתכוונים ליישם אותה גם על גידולים נוספים."   

לצורך זה הקימה חברת מיסחור הטכנולוגיות של אוניברסיטת תל-אביב (רמות), בשיתוף עם קבוצת אגכימדס (AgChimedes), את חברת DisTree. ההשקעה הכספית, בשילוב עם הליווי העסקי והמקצועי של אגכימדס, יאפשרו לDisTree ליישם את הטכנולוגיה החדשה במגוון גידולים, במטרה לחולל מהפכה בגנטיקה של עולם החקלאות, ולאפשר בטחון תזונתי בעידן של משבר האקלים. 

המחקר נערך בהובלת ד"ר עמרי ברונשטיין ותלמידות הדוקטורט רותם צירלר, ליסה מריה-שמידט, לחן רוט, וגל אביתר מבית הספר לזואולוגיה וממוזיאון הטבע ע"ש שטיינהרדט באוניברסיטת תל אביב. המחקרים פורסמו בכתב העת Frontiers in Marine Science ו- Royal Society Open Science.

החוקרים מדגישים כי קיפודי הים בכלל, ובפרט הנִזְרִית אֲרֻכַּת-קוֹצִים, נחשבים למיני מפתח שחיוניים לתפקוד בריא של שונית האלמוגים. "צריך להבין שרמת האיומים על שוניות האלמוגים נמצאת גם כך בשיא של כל הזמנים, ועכשיו התווסף משתנה חדש שאנחנו לא מכירים. לא היה מצב כזה בהיסטוריה המתועדת של מפרץ אילת", אומר צוות החוקרים בצער.

החוקרים מעריכים כי מקור המגפה הקטלנית הוא טפיל פתוגני חד תאי ממשפחת הריסניות שעבר מהים התיכון לים האדום. בעקבות המחקר, הוגש דו"ח בהול לרשות הטבע והגנים הסוקר את תמונת המצב העדכנית, ובימים אלה נשקלים צעדי החירום שיש לנקוט כדי להציל את שונית האלמוגים של ישראל.

"בשל עוצמת התמותה חשבנו תחילה שמדובר בזיהום, שפך כימי מקומי, או בהרעלה מהתעשייה ומבתי המלון בצפון המפרץ, אבל לאחר שבדקנו אתרים נוספים באילת, בירדן ובסיני הבנו שלא מדובר באירוע מקומי", מסביר ד"ר ברונשטיין וממשיך "כל הסימנים מצביעים על מגפה שמתפשטת מהר. דיווחים דומים מגיעים גם מקולגות בסעודיה. אפילו קיפודים שגידלנו באקווריומים לצורכי מחקר במכון הבין-אוניברסיטאי, וקיפודי הים שבמצפה התת-ימי באילת, נדבקו ומתו, ככל הנראה כיוון שהפתוגן הצליח להיכנס דרך מערכות השאיבה".

לדברי ד"ר ברונשטיין מדובר במוות מהיר ואלים:" בתוך יומיים קיפוד בריא הופך לשלד חסר רקמה. בזמן שחלק מהגוויות נשטפות לחוף, מרבית הקיפודים נטרפים בעודם גוססים וחסרי יכולת להתגונן, מה שיכול להאיץ את ההדבקות על ידי הדגים שטורפים אותם״.

^{ד"ר עומרי ברונשטיין וקיפוד ים גוסס}

הסכנה: חנק האלמוגים על ידי אצות

קבוצת המחקר של ד"ר ברונשטיין חוקרת בשנים האחרונות את נושא הפלישות הימיות, ובין היתר מתמקדת במין של קיפודי ים בשם Diadema setosum, שנקראת בעברית נזרית ארוכת קוצים. "עד לא מזמן זה היה אחד המינים הנפוצים ביותר בשונית האלמוגים אילת. אלה הקיפודים השחורים עם הקוצים הארוכים שכולנו מכירים. קיפודי הים בכלל, והנזרית ארוכת הקוצים בפרט, נחשבים למיני מפתח שחיוניים לתפקוד בריא של שונית האלמוגים. הקיפודים הם ה'גננים' של השונית – הם ניזונים מהאצות ומונעים מהן להשתלט ולחנוק את האלמוגים שמתחרים איתן על אור השמש. לצערי הקיפודים האלה כבר לא קיימים במפרץ אילת, ודרומה משם בחלקים הולכים ומתרחבים של הים האדום״, אומר ד"ר ברונשטיין בצער.

הדיווחים הראשונים על מקרי תמותה המונית הגיעו לד"ר ברונשטיין לפני כמה חודשים מעמיתיו ביוון ובטורקיה, לשם פלשו הקיפודים – כנראה דרך תעלת סואץ. "בשנת 2006 נמצא בדרום טורקיה הקיפוד הראשון מהמין הזה בים התיכון. זו תופעה שאנחנו מכירים כפלישה ביולוגית, עם השלכות אקולוגיות נרחבות, שנפוצה מאוד במזרח הים התיכון ובמיוחד לאורך קו החוף של ישראל",מאז אנחנו עוקבים אחר הדינמיקה של פלישת המין בים התיכון", הוא אומר.

^{"בתוך יומיים קיפוד בריא הופך לשלד חסר רקמה". קיפוד ים שחור גוסס}

ב-2016 הם גילו את הקיפוד הראשון בחופי ישראל – פרט בודד בחוף גורדון בתל אביב. לדבריו, במשך למעלה מעשור מאז הגילוי הראשון בטורקיה, האוכלוסיות בים התיכון נותרו קטנות ולרוב נסתרות, אך החל מ-2018 הגיעו הקיפודים בים התיכון למצב של גידול אקספוננציאלי או פיצוץ אוכלוסין – וביוון ובטורקיה נצפו אוכלוסיות ענק של אלפי ועשרות אלפי פרטים.

"אבל בזמן שאנחנו עובדים על מחקר שמסכם את פלישת הקיפודים בים התיכון, התחלנו לקבל דיווחים על תמותה פתאומית ונרחבת. לכאורה, אין רע בהכחדת מין פולש בים התיכון, אבל צריך לזכור שתי נקודות חשובות: ראשית, אנחנו לא יודעים עדיין איך התמותה והגורמים לה ישפיעו על מינים מקומיים בים התיכון. שנית, וחמור מכך, הקרבה הגיאוגרפית בין מזרח הים התיכון לים האדום עלולה לאפשר מעבר מהיר של הפתוגן לאוכלוסייה הטבעית בים האדום, מה שאכן קרה לצערי".

"האצות התרבו ללא בקרה, הסתירו לאלמוגים את אור השמש והשונית כולה עברה שינוי בלתי הפיך – משונית אלמוגים לשדות אצות"

אותו סיפור מצער במקום אחר בעולם

התמותה ההמונית הזכירה לחוקרים מאוניברסיטת תל אביב את אחד הסיפורים הידועים והחמורים בהיסטוריה של האקולוגיה הימית: סיפור היעלמותם של קיפודי הים מהקריביים. עד 1983, שונית האלמוגים בקריביים הייתה שונית טרופית משגשגת שדמתה במידה רבה לשונית האלמוגים במפרץ אילת. אלא שאז מחלה מסתורית מחקה את רוב אוכלוסיית קיפודי הים מהמין Diadema antillarum – קרובי משפחה של הקיפודים מאילת. כשהקיפודים נעלמו, האצות התרבו ללא בקרה, הסתירו לאלמוגים את אור השמש והשונית כולה עברה שינוי בלתי הפיך – משונית אלמוגים לשדות אצות״.

"בשנה שעברה המחלה שבה והתפרצה בקריביים, כשהיא הורגת את האוכלוסיות והפרטים ששרדו", מספר ד"ר ברונשטיין. "בניגוד לאירועי העבר, כיום יש בידינו את הכלים המדעיים והטכנולוגיים לפענח את הראיות הפורנזיות. קבוצת חוקרים מאוניברסיטת קורנל זיהתה בחודש שעבר את מחולל התמותה בקריביים: טפיל פתוגני ממשפחת הריסניות. הפתולוגיה שאנחנו מזהים בקיפודי הים שמתים ביוון ובטורקיה זהה לפתולוגיה של הקיפודים בקריביים, וזו גם הפתולוגיה של הקיפודים שמתים אצלנו בים האדום".

המחקר של ד"ר ברונשטיין הוא הראשון להצביע על תמותה המונית של מין פולש בים התיכון, והראשון להצביע על תמותה המונית בקרב קיפודי ים מהמין Diadema setosum – אחד ממיני קיפודי הים הנפוצים ביותר בעולם. את מחקריו פורצי הדרך חתם ד"ר ברונשטיין באזהרה לפיה המגפה שמתפרצת בימים אלו בים התיכון עלולה להתפשט גם לים האדום הסמוך, אזהרה שכאמור התממשה.

"צריך להבין את חומרת המצב: התמותה בים האדום מתקדמת במהירות מסחררת, והאזורים שנפגעו כבר מקיפים שטח רחב בהרבה ממה שאנחנו מכירים בים התיכון. ברקע יש עדיין נעלם גדול: מה קוטל את הקיפודים? האם מדובר בפתוגן הקריבי או בגורם חדש ולא מוכר? כך או כך, ברור לנו שהפתוגן נישא במים, ואנחנו צופים שתוך זמן קצר כלל אוכלוסיות הקיפודים הללו, הן בים התיכון והן בים האדום יחלו וימותו".

"חלון ההזדמנויות לשמר אוכלוסייה בריאה מהמין הזה באילת כבר נסגר. עלינו לפעול היום לביסוס גרעין רבייה ושימור פרטים בריאים מהים התיכון הישראלי, לפני שגם לשם תגיע המחלה"

לדעתו של ד"ר ברונשטיין, יש להקים עוד היום גרעין רבייה של קיפודי הים הללו, כדי שניתן יהיה במידת הצורך להשיב אותם לטבע בעתיד. "כמו עם הקורונה, אף אחד לא יודע בשלב הזה מה יהיה – האם המגפה הזאת תחלוף מעצמה? או שהיא תישאר כאן לעוד שנים רבות ותוביל לשינוי דרמטי בשונית האלמוגים? רק שבניגוד לקורונה, אין לנו את האפשרות לחסן את הקיפודים או לטפל בהם, ולכן עלינו להשקיע את כל המאמצים במניעה. חלון ההזדמנויות לשמר אוכלוסייה בריאה מהמין הזה באילת כבר נסגר לצערי. אם רוצים לבסס גרעין רבייה, עלינו לפעול היום ולשמר פרטים בריאים מהים התיכון הישראלי – לפני שגם לשם תגיע המחלה שמתקדמת מצפון. זו משימה מורכבת, שכן הפתוגן נישא במים ויהיה עלינו לבסס מערכת גידול שמנותקת לגמרי מהים, אך מדובר בצעד הכרחי אם ברצוננו להבטיח את שרידותו של המין הייחודי והקריטי הזה לעתידה של שונית האלמוגים".

^{ד"ר ברונשטיין וצוות המחקר}