חמישים גוונים של עגבנייה

הצמחים הכניסו צבע רב לעולמנו. הפיגמנטים שהם מייצרים מאפשרים להם להתחרות על חרקים מאביקים באמצעות פרחים ססגוניים ומושכים, לייצר פירות נאים ובולטים לעין שימשכו בעלי חיים לאכול אותם ולהפיץ את זרעיהם, ואפילו להגן על עצמם מקרינת שמש חזקה או מבעלי חיים שמכרסמים את עליהם.

כמעט כל הפיגמנטים בצמחים שייכים לשלוש קבוצות: אנתוציאנינים (Anthocyanins), שמקנים לפרחים ולפירות גוני אדום, ורוד או סגול; קרוטנואידים (Carotenoids) שיוצרים צבעי אדום, כתום וצהוב; ובטלאינים (Betalains), שיוצרים גוונים אדומים וצהובים. הבטלאינים מיוצרים רק בצמחים מסדרת הציפורנאים, והם אלה שמעניקים לסלק את צבעו הסגול, ואחראים גם על הצבעים של פירות הקקטוסים, כמו הצבר (סברס) והפיטאיה, אבל פרט לכך הם נדירים מאוד בצמחי מאכל, ונפוצים מעט יותר בצמחי נוי כגון בוגנוויליה ופורטולקה.

כעת הצליחו חוקרים ממכון ויצמן למדע לקחת צמחים שאינם מייצרים בטלאינים באופן טבעי, ולגרום להם באמצעות הנדסה גנטית לייצר את הפיגמנטים האלה. נוסף על הצבעים המעניינים הם חוללו בצמחים שינויים מרחיקים לכת, שסוללים את הדרך לשלל יישומים מבטיחים.

שלל צבעי הקשת. פרחי טבק מהונדסים בעלי הרכב שונה של פיגמנטים בטלאינים | צילום: ד"ר גיא פולטורק

נוגדי חמצון

בטלאינים נוצרים בשורה של תגובות כימיות, שחומר המוצא שלהן הוא טירוזין – חומצת אמינו הנפוצה כמעט בכל התאים החיים. רוב התגובות האלה נעשות באמצעות אנזימים, שהם חלבונים המיוצרים בתאים.

במחקר שפורסם לפני כשנה וחצי, הצליח צוות חוקרים בראשות פרופ' אסף אהרוני מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה במכון ויצמן למדע ותלמיד המחקר (כיום ד"ר) גיא פולטורק, לזהות את הגנים חיוניים ליצירת הבטלאינים ולהשתיל אותם בתאי שמרים, כך שהם ייצרו את הפיגמנטים. שניים מהגנים מקורם בצמח הסלק (Beta vulgaris), והם מאפשרים לייצר פיגמנט צהוב. השלישי נלקח מהצמח המכונה "מלכת הלילה", (לילנית רבגונית, Mirabilis jalapa). השילוב של שלושת הגנים יוצר פיגמנט אדום.

במחקר החדש התמודדו החוקרים עם אתגר מורכב יותר, והשתילו הפעם את הגנים בצמחים ממשפחת הסולניים, בהם עגבנייה, חציל, תפוח אדמה וטבק. לשם כך הם חיברו את הגנים זה לזה והחדירו את הרצף הגנטי לחיידק שתוקף צמחים ומחדיר להם גנים שלו. לאחר מכן הניחו לחיידק להדביק תרביות רקמה של עלי הצמחים ולהחדיר לתאיהן את הגנים. לבסוף גרמו לתאי העלים להצמיח שורשים וגבעולים וליצור צמח שלם.

הרצף הגנטי שהוחדר לתאי הצמח כלל לא רק את הגנים לייצור האנזימים המייצרים את הפיגמנט, אלא גם רצפי בקרה המאפשרים לקבוע אם כל תאי הצמח ייצרו את האנזימים, או שמא רק תאים ברקמה מסוימת, למשל פרי, עלה או שורש.

החוקרים הצליחו לייצר עגבניות, חצילים ותפוחי אדמה צבעוניים, ואף צמחי טבק בעלי פרחים בצבעים שונים. אבל לא פחות חשוב – הם הראו שהחדרת הגנים לצמחים לא פגעה בתפקודם. יתרה מזאת, התברר שהם מועילים לצמח. הבטלאינים פועלים כנוגדי חמצון (אנטי-אוקסידנטים), פעילות שממלאת תפקידים חשובים בצמח וגם מועילה לבריאות האדם שאוכל את הצמח. התברר שהפעילות נוגדת החמצון של העגבניות המהונדסות הייתה גבוהה ב-60 אחוז לעומת עגבניות רגילות.

החוקרים הראו עוד שהצמחים המהונדסים עשויים להיות עמידים הרבה יותר בפני מחלות ומזיקים. כדי להדגים זאת הם בדקו צמחי טבק שהבטלאינים יוצרו בעליהם, יחד עם ד"ר מרגנית (מגי) לוי וד"ר דוד ולה-קורסיה (Vela Corcia) מהפקולטה לחקלאות של האוניברסיטה העברית. הם הדביקו את צמחי הטבק בפטריית "העובש האפור" (Botrytis cinerea) הגורמת נזק של מיליארדי דולרים בשנה לחקלאות העולמית. היקף הנזק בצמחים המהונדסים היה קטן ב-90 אחוז לעומת צמחי טבק רגילים. החוקרים משערים כי הפעילות נוגדת החמצון של הפיגמנט מנטרלת רדיקלים חופשיים שתאי הצמח מפרישים בתגובה לזיהום הפטרייתי.

על סמך ניסויים ראשונים, החוקרים משערים שהפיגמנט לא רק מגן מפני מחלות ומזיקים, אלא גם מסייע לצמחים להתמודד עם תנאי סביבה קשים, כמו קרינת שמש חזקה, יובש ומליחות.

הטעם זהה, אבל העגבניות הסגולות מכילות הרבה יותר נוגדי חמצון | צילום: דרור עינב

צבעים ומאכל

בניגוד למחקרים רבים אחרים בהנדסה גנטית, השיטה שהדגימו אהרוני, פולטורק ועמיתיהם אינה מוגבלת למין מסוים, ואפשר ליישם אותה בקלות רבה יחסית במגוון צמחים, רבים מהם בעלי חשיבות כלכלית, כמו גידולים חקלאיים או צמחי נוי. נוסף על היכולת לחזק את הצמחים ולשפר את עמידותם ואת ערכם התזונתי, החוקרים גם גילו פיגמנטים חדשים. "גילינו שהצמחים המהונדסים מבטאים בטלאינים רבים שלא תוארו עד כה בספרות וכנראה לא מיוצרים בטבע", אומר פולטורק. "חלק מהצמחים שבדקנו ייצרו עשרות פיגמנטים שונים כאלה".

באמצעות בחירה באילו גנים להשתמש ושליטה על רמות הביטוי שלהם ועל הרקמה שבה יתבטאו, החוקרים יכולים לשלוט היטב בצבעים המתקבלים. כך הם יכולים לא רק לייצר עגבניות סגולות וחצילים צהובים, אלא גם לפתח צמחי נוי חדשים, בעלי פרחים, פירות ואפילו עלים בצבעים ייחודיים.

יישום נוסף של המחקר עשוי להיות ייצור של צבעי מאכל טבעיים חדשים. את צבעי המאכל אפשר להפיק מהצמחים הצבעוניים, או להשתיל את הגנים המתאימים בשמרים, ואז להפיק אותם בכמות גדולה ובמהירות רבה, בלי צורך לחכות שהצמח ינבוט ויגדל.

למרות הפוטנציאל היישומי הרב, אהרוני ועמיתיו אינם נושאים את עיניהם לפיתוחים מסחריים. "אנו מתעניינים במדע הבסיסי", מדגיש פולטורק. "המערכת שפיתחנו כוללת למשל כלים מחקריים חדשים שמאפשרים לבחון במהירות וביעילות – בעזרת הפיגמנטים – אם הגנים הוחדרו לצמח בהצלחה. הפיתוח הזה עשוי להועיל במחקרים רבים בביולוגיה של צמחים ואורגניזמים אחרים". חשיבות המחקר היא לא רק ביישומים הקשורים לפיגמנטים בצמחים, מוסיף אהרוני. "היכולת להנדס באופן מוצלח את המסלול הביוכימי המוביל ליצירת הבטלאינים מאפשרת לנו לייצר גם חומרים שהם שלבי ביניים בתהליך. אחד מהם למשל הוא L-DOPA, שגם משמש תרופה והוא גם חומר מוצא לייצור סמים אופיאטיים כמו מורפין או קודאין. בנוסף זו מולקולה בעלת חשיבות חקלאית שמשפיעה על האינטראקציות בין צמחים בקרקע". 

אם בכל זאת ירצו החוקרים או עמיתיהם בעולם לממש את הפוטנציאל המסחרי העצום של הפיתוח, הם עלולים להיתקל בקשיים בשל ההתנגדות הציבורית במדינות רבות לשימוש בצמחים מהונדסים גנטית. במקרים רבים ההתנגדות אינה מבוססת על ממצאים מדעיים, ורוב המחקרים מצאו כי הצמחים המהונדסים בטוחים לשימוש, אך האישורים ליישום הטכנולוגיה בחקלאות עדיין ניתנים במשורה, בעיקר במדינות המערב.

חשיבותם העיקרית של מחקרים כמו של אהרוני ועמיתיו אולי אינה רק בעצם הפיתוח, אלא בכך שהם עשויים להיות צעד נוסף בדרך להבנת החשיבות והצורך בהנדסה גנטית של צמחים, בעולם שאוכלוסייתו האנושית גדלה בהתמדה והמשאבים לחקלאות שאמורה להאכיל את העולם מידלדלים והולכים.