הצמחים ושותפיהם המיקרובים

מה המשותף לשורשי תירס ולפרופיל הפייסבוק שלכם? לא, זאת לא התחלה של בדיחה. יש להם יותר במשותף משנדמה לכם. אנחנו נוטים לחשוב על צמח תירס כעל אורגניזם בודד, אבל לצמחים יש רשת של קשרים, קצת כמו פייסבוק. לא קל להבחין בקשרים האלה, ולא קל לחקור אותם. אבל הם חשובים מאוד, כי הם משפיעים על בריאות הצמחים.

בעפר יש מיליוני חיידקים ופטריות מיקרוסקופיות. כל האורגניזמים הזעירים האלה יחד נקראים מיקרובים. חלק מהם יוצרים שותפויות הדוקות עם צמחים. הצמחים נעזרים לפעמים במיקרובים כדי לספוג חומרי מזון שלא נמצאים באדמה בשפע. המיקרובים מפרקים חיות וצמחים מתים, ובמשך התהליך הזה משתחררים בהדרגה חנקן, זרחן, וחומרים אחרים שצמחים זקוקים להם כדי לגדול. כאשר צמחים לא מצליחים להשיג מספיק חומרי מזון כאלה בעצמם, הם פולטים לפעמים סוכרים מהשורשים. הסוכרים משמשים מיקרובים להפקת אנרגיה, והם מגבירים את תהליך הפירוק של החיות והצמחים המתים. אבל אם יש באדמה מספיק חומרי מזון, הצמחים מעדיפים לשמור את הסוכרים שלהם לעצמם. הם מבקשים עזרה משותפיהם המיקרובים רק כשהם זקוקים לה.

הנה הדמיון בין פייסבוק לבין הקשר של התירס עם המיקרובים שלו: אתם מכירים הרבה אנשים, מבית הספר ומפעילויות אחרות, אבל רק חלקם הם חברי פייסבוק שלכם. בדומה לזה, יש באדמה מיליוני מיקרובים, אבל רק לחלק מהם יש קשרים עם התירס. באזור שליד השורשים, שנקרא ריזוֹספֶרָה, יש פחות סוגים של מיקרובים מאשר במקומות אחרים באדמה. צמחים מושכים אל הריזוספרה שלהם סוגים מסוימים של מיקרובים. כדי לעשות זאת, השורשים שלהם פולטים סוכרים ושולחים איתותים מיוחדים.

לפעמים קורה שקבוצת חברי הפייסבוק שלכם משתנה, כי אתם משתנים. אולי התבגרתם או עברתם לעיר אחרת או פגשתם חברים חדשים. בריזוספרה של נבט תירס יש מיקרובים שונים מאשר בזאת של צמח תירס בוגר. בריזוספרה של תירס במקסיקו יש מיקרובים שונים מאשר בזאת של תירס בקליפורניה.

אנחנו כבר יודעים שהמיקרובים של צמח יחיד מתחלפים במשך מחזור החיים שלו. אבל מה לגבי תקופות הרבה יותר ארוכות? איך השתנתה הרשת החברתית של התירס במהלך עשרת אלפי השנים האחרונות?

טאוסינט, האב הקדמון הפראי של התירס

האדם התפתח מן הקוף. הציפורים התפתחו מהדינוזאורים. התירס התפתח מהַ… טֵאוֹסינט?

התירס שאנחנו מכירים לא היה קיים לפני 10,000 שנה. הוא התפתח מעשב בר בשם טאוסינט, שגדל במקסיקו. הזרעים הקטנטנים של הטאוסינט אינם דומים כלל לגרגרי תירס. הייתה להם קליפה קשה שהגנה עליהם כדי שחיות לא יאכלו אותם. למעשה, לפי המראה לא היינו מזהים אותו כלל כקרוב משפחה של תירס! רק כשהמדענים חקרו את הדנ“א של טאוסינט ושל תירס, הם גילו את קרבת המשפחה ביניהם. הם השוו את הדנ“א של התירס לזה של קרובי משפחה שונים שלו, שגדלים בר באזורים שונים של מקסיקו. התברר שהדנ“א של צמח הטאוסינט מעמק בַּלסאס הוא הדומה לו ביותר, מה שהוביל למסקנה שהתירס התפתח ממנו [1].

טאוסינט גדַל בסביבה מאתגרת. באדמה לא היה הרבה מזון. צמחים אחרים התחרו אתו על אור שמש ומים. טאוסינט נראה שונה מאוד מתירס, בגלל הצורך לשרוד בסביבה הזאת. (.איור 1) לטאוסינט היו שורשים גדולים שעזרו לו לקלוט חומרי מזון ומים, וגבעולים רבים שעזרו לו להתחרות עם צמחים אחרים על אור השמש.

בני האדם פיתחו בהדרגה תירס מטאוסינט. לפני אלפי שנים הם החלו לגדל מזון במקום לצוד חיות וללקט צמחים וגרגרים. אחרי הקציר, הם בחרו זרעים מהצמחים המוצלחים ביותר וזרעו אותם בשנה שאחר כך. מכיוון שגרגרים גדולים בלי קליפה קשה קלים יותר לאכילה, שמרו החקלאים כל שנה את הגרגרים הגדולים והרכים ביותר. התהליך הזה נמשך אלפי שנים, ובסופו של דבר התפתח תירס מצמח הטאוסינט. התירס החל להתפשט בכל מקסיקו ומשם לשאר העולם. הזנים הראשונים – זנים עתיקים כאלה נקראים זַני מורשת – היו שונים זה מזה, כפי שהיו שונים מטאוסינט. לכל זן של תירס היו תכונות שהתאימו למקום שבו גדל.

בשמונים השנים האחרונות, התירס השתנה עוד יותר. חקלאות מודרנית שונה מאוד מחקלאות קדומה. כיום נוטעים את התירס בשורות צפופות, ומדשנים את האדמה בדשן המכיל חנקן וזרחן. זנים מודרניים של תירס צריכים להיות מותאמים לתנאים כאלה.

אופּס, התכווצו לנו השורשים: סלקציה עקיפה של שורשי צמחים

אנחנו נוטים לפעמים להתמקד בתכונות של צמחים שמופיעות מעל פני הקרקע, כמו גובה הצמח או צורת העלים, פשוט כי קל יותר לראות אותן. אבל גם המאפיינים שנמצאים מתחת לפני השטח חשובים. צמחים מסתמכים על השורשים שלהם שימצאו באדמה מים וחומרי מזון ויקלטו אותם. השורשים גם מובילים את המשאבים האלה אל הגבעול, כדי שיוכלו להגיע אל העלים. ובנוסף, הם שולחים איתותים כדי שהצמחים יוכלו לנהל את הרשת החברתית שלהם עם המיקרובים.

בימי קדם, כשהחקלאים בחרו אילו זרעים לשמור ולזרוע בעונה הבאה, הם לא הקדישו תשומת לב לשורשים. הם פשוט רצו צמחים שיפיקו הרבה גרגרים גדולים, רכים וטעימים. לצמחים עם גרגרים כאלה לא תמיד היו שורשים גדולים וחזקים במיוחד. אולי אפילו להיפך: ייתכן שהיו להם שורשים קטנטנים, כי הם השקיעו אנרגיה בגרגרים במקום בשורשים. אבל הגרגרים והשורשים הם חלק מאותו צמח. כשבני האדם בחרו זרעים מצמחים כאלה, ייתכן שהם גם בחרו במקרה שורשים עם תכונות מסוימות. תהליך כזה נקרא סֶלֶקציה עֲקיפה.

שורשי התירס של ימינו נראים שונים מאוד משורשי הטאוסינט, בגלל סלקציה עקיפה כזאת [2] (איור 1). לטאוסינט היו דרושים שורשים מותאמים לספיגה של חומרי מזון ומים. היו לו הרבה יותר שורשים מאשר לתירס של ימינו. מהגבעול הראשי של צמח הטאוסינט צמחו שורשים צרים, קצרים ומסועפים. הם צמחו על פני שטח גדול, ונשארו קרוב לפני הקרקע. כל התכונות האלה עזרו לטאוסינט למצוא ולקלוט חומרי מזון, שהיו נדירים בסביבה שלו. אבל שדה תירס הוא שונה מאוד מאדמת הבר שבה גדל הטאוסינט. במשק חקלאי, בני האדם נותנים לגידולים דשן ומים (אם הגשם לא מספיק), ומסלקים עשבים שוטים. התירס של ימינו לא צריך לעבוד קשה כדי למצוא חומרי מזון. הוא מצמיח פחות שורשים, והם פחות מסועפים, עבים יותר ומסוגלים להוביל במהירות כמות גדולה של מזון. שורשי התירס המודרני חודרים עמוק יותר לקרקע במקום להתפשט לרוחב ולהישאר קרוב לפני הקרקע. מכיוון שהתירס שתול בשורות צפופות מאוד, השורשים העמוקים מאפשרים לכל צמח למצוא מזון בלי להתחרות עם השכנים [3].

ראינו שצמח התירס השתנה עם הזמן גם מעל פני הקרקע וגם מתחת להם. אבל מה בנוגע לחלק שלא נראה לעין – המיקרובים באדמה שסביבו?

האם התירס עצלן?

ברור שהתירס שונה מאוד מהטאוסינט, וששדה תירס שונה מאוד מעמק נהר מלא צמחי בר שונים. תירס וטאוסינט הם אמנם קרובי משפחה, אבל בגלל השינוי בסביבה, אפשר לשער שכשהתירס עבר שינויים הוא גם זכה במיקרובים חדשים ואיבד אחרים.

אנחנו יודעים שאצל זני התירס השונים, קירבת משפחה פירושה גם מיקרובים דומים. צמח תירס יחיד יכול להעביר חלק מהמיקרובים שלו לדור הבא באמצעות זרעים [4]. הדור הבא גם יכול למשוך מיקרובים דומים, כי הצמחים שולחים לאדמה את אותם האיתותים ששלחו הוריהם. לכן אנחנו משערים שחלק מהמיקרובים של התירס ושל הטאוסינט הם זהים – אף על פי שטאוסינט הוא לא ממש ההורה של התירס אלא יותר כמו הסבא-רבא-רבא-רבא שלו.

מצד שני, אנחנו יודעים גם שזני תירס שונים מושכים לפעמים מיקרובים שונים. עדיין לא ברור לגמרי למה, אבל כנראה שזה קשור לשורשים ולאיתותים שהם שולחים. צמחי תירס, כמו ילדים, הם לא עותקים מדויקים של ההורים שלהם. לפעמים יש להם שורשים שונים או איתותים שונים. לכן, גם המיקרובים של צמח תירס מסוים יכולים להיות שונים מהמיקרובים של הוריו, בייחוד אם השורשים שלו שונים גם במובנים אחרים. יש זנים של תירס שמושכים יותר מיקרובים מזנים אחרים, אפילו אם הם גדלים באותה אדמה. יש זנים שהמיקרובים שלהם פעילים יותר, ולכן מספקים לצמח יותר חומרי מזון.

בגלל ההבדלים בין שורשי התירס לשורשי הטאוסינט, אפשר לשער שלתירס יש פחות מיקרובים ושהם פחות פעילים. מיקרובים מעדיפים לחיות ליד שורשים מאשר במקומות אחרים באדמה. שורשים, חיים או מתים, מספקים להם מזון וגם מגנים עליהם מהתנאים הקשים של החיים באדמה. מכיוון שלתירס של ימינו יש פחות שורשים מאשר לטאוסינט, ייתכן שיש בסביבה שלו פחות מיקרובים. ייתכן גם שהמיקרובים שלו פחות פעילים מאלו החיים בריזוספרה של הטאוסינט. תירס מודרני גם מקבל דשן שמספק לו את כל חומרי המזון שהוא צריך, ולכן ייתכן שהוא פולט פחות סוכרים בשביל המיקרובים בסביבתו, והם פחות פעילים. כדי לברר אם ההשערה נכונה, המדענים מתחילים לאחרונה לערוך השוואוֹת בין המיקרובים בריזוספרות של התירס ושל הטאוסינט.

המיקרובים-השותפים המתחלפים של התירס

האם לתירס של ימינו יש מיקרובים שונים מאשר לטאוסינט? ואפילו אם המיקרובים זהים, האם הם עושים דברים שונים?

לאחרונה גילו המדענים הבדלים בין המיקרובים החיים סביב שורשי התירס לבין אלה שסביב שורשי הטאוסינט. לתירס המודרני יש פחות מיקרובים מאשר לטאוסינט, וסוגים פחות מגוּונים של בקטריות ופטריות [5]. הממצא הזה תומך בהשערה שבמהלך ההתפתחות שלו, התירס איבד מיקרובים מסוימים וקיבל אחרים. מצד שני, נמצאו גם מיקרובים המשותפים לשני הצמחים – כלומר, יש קבוצת לִבּה של מיקרובים שלא השתנתה עם הזמן.

אבל נותרו לנו עדיין הרבה שאלות. באיזה שלב, במשך אלפי השנים של התפתחות תירס מטאוסינט, קרו השינויים האלה? האם התירס של ימינו שולח איתותים שונים מששולח הטאוסינט? האם בגלל השוני במיקרובים התירס המודרני יכול להפיק יותר חומרי תזונה מהאדמה, או פחות?

מיקרובים ותירס-העַל של העתיד

אם נדע יותר על השורשים והמיקרובים של התירס נוכל לגדל אותו בצורה טובה ויעילה יותר. השלב הראשון הוא לזהות מה התכונות הרצויות של השורשים ושל המיקרובים. אולי נגלה ששורשי הטאוסינט מצליחים להשיג יותר חומרי מזון. או שלתירס המודרני יש מיקרובים שמספקים יותר חנקן. אחרי שנמצא את התכונות שיכולות להועיל לנו, נוכל לברר אילו גנים אחראיים להם. מגדלי צמחים יוכלו ליצור צירופים של הגנים האלה כדי לפתח צמחי תירס עם יכולת משופרת להפיק חומרי מזון מהאדמה וממיקרובים. צמחים כאלה יוכלו להסתפק בפחות דשן כימי. כדי לייצר דשן דרושה הרבה מאוד אנרגיה, ולפעמים הוא גורם לזיהום הפוגע באיכות המים, ביצורים שחיים במים, ובבני האדם ששותים אותם. נותרו עדיין הרבה שאלות, אבל בעזרת מחקר על השינויים בשורשים ובמיקרובים של התירס נוכל לפתח זני תירס שצורכים פחות דשן, וזה יהיה טוב יותר לסביבה.

מילון מונחים

ריזוֹספֶרָה (Rhizosphere): ↑ האזור שסביב שורשי הצמח.

טֵאוֹסִינט: ↑ עשב בר מקסיקני שממנו התפתח התירס של ימינו.

זַן (Variety): ↑ סוג של תירס (או צמח אחר) עם מאפיינים ייחודיים שמבדילים אותו מסוגים אחרים של אותו צמח. ייתכן, למשל, שזן מסוים יבשיל מוקדם יותר מאחרים, וזן אחר יהיה עמיד יותר במחלות.

זן מורשת (Landrace): ↑ זן מבוייּתָ (כלומר, שפיתח האדם) קדום, שמתאים במיוחד לגידול במקום מסוים.

תכונה (Trait): ↑ משהו שמאפיין את הצמח, כמו צורת עלה או צבע זרע מסוים.

סֶלֶקציה עֲקיפה (Indirect selection): ↑ בחירה מקרית של מאפיינים מסוימים כתוצאה מבחירה מכוּונת של מאפיינים אחרים.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.