צמחים יוצרים קשרים עם פטריות וחיידקים החיים בקרקע, קשרים ששני הצדדים מרוויחים מהם. סקר כולל של אותם פטריות וחיידקים עשוי לשפר את יכולתנו לחזות שינויי אקלים
מחקר חדש ופורץ דרך מיפה את יחסי הגומלין בין צמחים לבין פטריות וחיידקים באדמה, ואת הגורמים הסביבתיים המשפיעים עליהם. מידע מסוג זה משפר את הבנתנו את המערכת האקולוגית העולמית ועשוי לסייע לנו לחזות את עתיד שינויי האקלים בכדור הארץ.
צמחים סובבים אותנו בכל מקום, והם אחד המרכיבים החשובים ביותר של החיים בכדור הארץ. בתהליך הפוטוסינתזה הם מנצלים את אנרגיית אור השמש כדי להפוך פחמן דו-חמצני מהאטמוספירה לחומר אורגני, וכך מייצרים את המזון שאנו, וכל שאר היצורים על פני כדור הארץ, ניזונים ממנו. במערכות אקולוגיות רבות, אחד הגורמים המרכזיים המגבילים את גידולם של צמחים הוא חומרי המזון שבקרקע, כגון זרחן, חנקן ועוד, שהכרחיים לבניית חלבונים, חומצות גרעין, ומרכיבים חשובים אחרים בצמח.זו הסיבה לכך שחקלאים מוסיפים דשנים לקרקע בשדות ובמטעים.
מחסור בחומרי מזון הוביל מיני צמחים רבים לפתח קשרים מיוחדים עם מיקרואורגניזמים השוכנים באדמה, בעיקר פטריות וחיידקים, קשרים שהתפתחו לכדי תלות הדדית המועילה לשני הצדדים, או סימביוזה הדדית. מצד אחד, הצמחים תלויים בפטריות או בחיידקים שיספקו להם חומרי מזון מהאדמה, ומהצד השני, הפטריות או החיידקים מקבלים מזון – חומרים אורגניים כמו סוכר – המופרש משורשי הצמחים. יחסי גומלין סימביוטיים אלו נפוצים מאוד: יותר מ-90 אחוזים מכל מיני הצמחים מקיימים סימביוזה עם פטריות או חיידקים.
עבודת שורשים
בקרב המיקרואורגניזמים שמקיימים סימביוזה עם צמחים ניתן לזהות שלוש קבוצות מרכזיות. הקבוצה הראשונה כוללת חיידקים שמסוגלים להפוך חנקן אטמוספרי (N2), שצמחים אינם מסוגלים לקלוט ולנצל בכוחות עצמם, לחומרים כמו אמוניה (NH3), שהצמחים מסוגלים להשתמש בהם. סוג זה של סימביוזה נפוץ מאוד בקרב צמחים ממשפחת הקטניות. סוגים שונים של פטריות מרכיבים את שתי הקבוצות האחרות. הסוג הראשון הוא פטריות שעוטפות את שורשי הצמחים ויוצרות רשת ענפה המחברת בין שורשי העצים לאדמה, ואף לעצים אחרים. סוג זה של סימביוזה נקרא "אקטומיקוריזה" (ectomycorrhiza), מן המילים היווניות ל"בחוץ", "פטרייה" ו"שורש", ובקיצור, EcM. הסוג השני של פטריות מקיים אינטראקציה עמוקה עוד יותר עם שורשי הצמחים, כאשר הפטרייה חודרת אל תוך השורש ממש, ומתמקמת בין תאיו. סוג זה של סימביוזה נקרא arbuscular mycorrhiza, או בקיצור AM.
לכל אחד מסוגי הסימביונטים, כלומר היצורים החיים בסימביוזה, יש מאפיינים ייחודיים משלו. החיידקים מקבעי החנקן והפטריות היוצרות אקטומיקוריזה יעילים יותר בהשגת חנקן לצמח, אך גם דורשים ממנו אספקת מזון גדולה יחסית. מינים היוצרים AM טובים יותר בהשגת זרחן מהאדמה, ודורשים מהצמח פחות מזון. מכיוון שלכל יצור יתרונות וחסרונות משלו, נשאלת השאלה מהם הגורמים הקובעים את תפוצתם של הסימביונטים השונים ברחבי העולם.
לכל סימביונט יתרונות וחסרונות משלו. סיבי אקטומיקוריזה עוטפים שורשים של עץ אורן | Science Photo Library
מיפוי גלובלי
במחקר חדש שפורסם בכתב העת המדעי Nature, צוות חוקרים מאוניברסיטת סטנפורד ומהמכון הטכנולוגי של ציריך ניסו למפות את סוגי הסימביוזה השונים ברחבי העולם, וכך לקבוע מהם המשתנים הסביבתיים העיקריים הקובעים איזה סוג של סימביונט יהיה נפוץ בסביבה מסוימת. החוקרים השתמשו בבסיס נתונים רחב היקף אשר ממפה את תפוצתם של מיני צמחים שונים ברזולוציה גבוהה מאוד: הוא מכיל מידע על יותר ממיליון חלקות אדמה קטנות, שבכל אחת מהן מופו כל מיני הצמחים הגדלים בה. מכיוון שצמחים מאותו המין או מאותה המשפחה מקיימים בדרך כלל סימביוזה עם אותו סוג של מיקרואורגניזם, החוקרים השתמשו במידע על מיני הצמחים כדי לייצר בסיס נתונים על השכיחות היחסית של כל סוג סימביונט (מקבעי חנקן, יוצרי EcM ויוצרי AM) בכל חלקת אדמה. בעזרת בסיס נתונים זה היה אפשר להבחין בדפוסים גלובליים בתפוצתם של סוגי סימביונטים שונים. החוקרים הראו שמינים יוצרי EcM נפוצים מאוד בקרב עצים מחטניים ביערות בצפון ארצות הברית ובאירופה, בעוד מינים יוצרי AM נפוצים מאוד באזורים טרופיים.
ריכוז או פירוק
כדי להבין מהם הגורמים הסביבתיים המרכזיים המעצבים את תפוצתם של הסימביונטים השונים, בחנו החוקרים נתונים כגון ריכוזי חנקן וזרחן באדמה, טמפרטורה, לחות, משקעים ועוד. הם השתמשו באלגוריתמים של למידת מכונה כדי לזהות את השפעתם של הגורמים השונים. מכיוון שכל סוג של סימביונט יעיל יותר בהשגת סוג אחר של חומר מזון - מקבעי חנקן ויוצרי EcM מתמחים בהשגת חנקן, בעוד יוצרי AM מתמחים בהשגת זרחן - אפשר היה לצפות כי רמות החנקן והזרחן באדמה יהיו גורם מרכזי המשפיע על סוג הסימביונט. למרבה ההפתעה, משתנים אלו לא הסבירו בצורה טובה את תפוצת הסימביונטים השונים.
אחד הגורמים רבי-ההשפעה ביותר שזיהו החוקרים הוא דווקא קצב פירוק החומר האורגני באדמה. זהו תהליך שבו רקמות של יצורים חיים,בעיקר עלים מתים של צמחים, מפורקות בחזרה לחומרי המזון הבסיסיים שמהם הן מורכבות, וכך עוברות מיחזור. בתהליך זה משתתפים שלל יצורים בקרקע, כמו תולעים, פטריות וחיידקים, והקצב שלו נקבע על ידי שני משתנים מרכזיים: הטמפרטורה והלחות היחסית. ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר קצב פירוק החומר האורגני גבוה יותר, ובנוסף דרושה לחות מספיקה באדמה כדי לאפשר את קיומם של היצורים המפרקים. לפיכך, קצב הפירוק הוא הגבוה ביותר במקומות חמים ולחים, כגון יערות טרופיים.
ההסבר העיקרי להשפעת קצב הפירוק של חומר אורגני באדמה על סוג הסימביוזה הוא שיצורים יוצרי EcM מסוגלים להפיק מהאדמה חומרי מזון שלא פורקו עד הסוף, לבצע את שלבי הפירוק הסופיים בעצמם ולספק לצמח את החומרים בצורה שבה הוא יכול להשתמש בהם. במקומות שבהם קצב הפירוק גבוה, רוב חומרי המזון באדמה כבר נמצאים בצורה שהצמחים יכולים להשתמש בה. בסביבות אלו יצורים מקיימי AM, אשר דרישתם למזון מהצמח נמוכה יותר, יהיו סוג הסימביונט העיקרי. בסביבות שבהן קצב הפירוק נמוך, רוב חומרי המזון נמצאים במצב שאינו מפורק לחלוטין, ולכן יצורים המשתתפים ב-EcM, אשר מסוגלים להשלים את תהליך הפירוק בעצמם, יהיו דומיננטיים.
מנגנון זה מסוגל גם להסביר דפוס בולט נוסף שהחוקרים הבחינו בו: בין אזורי התפוצה של פטריות יוצרות AM לאזורי התפוצה של פטריות מקיימות EcM קיים מעבר חד מאוד, ולא שינוי הדרגתי. גבול חד זה יכול להיות מוסבר על ידי תהליך היזון חוזר (feedback) חיובי – מיני הצמחים המקיימים סימביוזה עם פטריות יוצרות EcM מכילים חומר אורגני קשה יותר לפירוק מאשר זה של הצמחים המקיימים סימביוזה עם פטריות יוצרות AM. לכן, במקומות שבהם נפוצים מיני צמחים המקיימים סימביוזה עם פטריות ה-EcM, אשר מסוגלות לנצל חומרי מזון לא מפורקים, עיקר החומר האורגני המגיע אל האדמה יהיה קשה יותר לפירוק. עם הזמן, היתרון היחסי של ה-EcM ילך ויגדל.
תוצאות המחקר חושפות מנגנון בסיסי המסוגל להסביר את התפוצה העולמית של סוגי סימביונטים שונים בקרב צמחים, אך מהי החשיבות של הידע הזה? מחקרים רבים הראו כי לסוג הסימביונט שהצמחים קשורים אליו יש השפעה מכריעה ברמה הגלובלית. לדוגמה, סוג הסימביונט עשוי להשפיע על קצב קיבוע הפחמן על ידי הצמח: כאשר רמות הפחמן הדו-חמצני באטמוספרה עולות, צמחים בעלי EcM יהיו מסוגלים לקבע יותר פחמן, בעוד שצמחים בעלי AM יהיו תלויים בכמות החנקן באדמה, ובסביבות בעלות ריכוזי חנקן נמוכים לא יעלו את קצב קיבוע הפחמן שלהם. לכן, לסוג הסימביוזה של הצמחים יש השפעה משמעותית על תגובת הצמחים לעליית ריכוזי הפחמן הדו-חמצני באטמוספירה וכפועל יוצא, על שינוי האקלים. מחקרים עתידיים יהיו מסוגלים לשלב את המידע על סוג הסימביוזה במודלים המתארים את תגובות המערכת האקולוגית לרמות שונות של פחמן דו-חמצני, וכך לשפר את התחזיות שלהם.
