תַקצִיר
בני אדם גידלו אורז במשך אלפי שנים, אולם לא עשינו זאת לבד כל הזמן הזה. בהיותנו נדרשים להאכיל 7.6 מיליארד אנשים על כדור הארץ, האם לא הייתם רוצים לקבל כמה שיותר עזרה בגידול מזון? אתם יכולים לראות בקלות זחלים כמו למשל ה-fall armyworm, אוכלים עלי אורז מעל לאדמה, אולם ישנם חרקים כמו למשל immature rice water weevils אשר ניזונים מהשורשים שמתחת לאדמה. אם כן, מיהו המסייע המיסתורי במקרים האלה? פטריות! צמחי אורז מסוגלים לספק חומרי מזון לעצמם, אולם כשהם מצטוותים לפטריות (AMF) arbuscular mycorrhizal fungi, הם יכולים לקבל בקלות יותר את אבני הבניין שהם צריכים כדי לגדול. מהתוצאות שלנו אנו חושבים כי ייתכן ש-AMF יכולה לסייע לצמחים לתקן את עצמם אחרי נזק ממזיקים. זה יכול להוביל להפחתת השימוש בחומרי הדברה וגם, חשוב יותר, להגדיל את כמות המזון שתהיה לכולם.
הקדמה
אוכלוסיית כדור הארץ התפוצצה ב-200 השנים האחרונות, והיא מוערכת ביותר מ-7.6 מיליארד בני אדם שחיים כיום על כדור הארץ! עם כמות כזו של פיות להאכיל, כיצד החקלאים עומדים בקצב? ישנם סוגי מזון שכיחים כמו זרעים, שמתורבתים בכמויות גדולות על-ידי אנשים ברחבי העולם. אורז, לדוגמה, גודל על-ידי ציוויליזציות אנושיות במשך יותר מ-4000 שנים, והוא מגודל בכל יבשת פרט לאנטרקטיקה! גידול אורז היה כל כך פופולרי מאחר שהוא יכול לשגשג בהמון תנאים שונים. אולם צמחי אורז מתמודדים עם כמה אתגרים מרכזיים כמו למשל חרקים מזיקים שניזונים מצמחי האורז בזמן שהם גדלים. אחת הדרכים שבהן חקלאי אורז יכולים להפחית את הסיכון של מזיקי אורז היא באמצעות שימוש בקוטלי חרקים. בעוד שקוטלי חרקים היו יעילים בשליטה על חלק מהמזיקים אוכלי הצמחים, הם גם טומנים בחובם סיכון לבריאות האנושית. דרך אחת שבה בני אדם למדו לסייע לאורז וליבולים אחרים להתמודד עם מזיקים אוכלי צמחים או איומים אחרים היא באמצעות התחברות עם פטריות מסוימות. ישנם סוגי פטריות שחיות באדמה שיכולות להגן על יבולים שונים [1], באופן דומה לאיך שוויטמינים ותרופות מגינים על גוף האדם מפני קור או זיהומים. אורגניזמים מועילים כמו הפטריות האלה יכולים פוטנציאלית להפחית את התלות שלנו בקוטלי חרקים.
הריזוספרה: עולם שלם ממש מתחת לרגליים שלכם
צמחים חשופים להתקפות מעל לאדמה, והם גם מתמודדים עם קשיים מתחת לאדמה. האזור שמקיף את שורשי הצמח מהווה קהילה קטנה בפני עצמו, והוא נקרא ריזוספרה ואינו שכונה ריקה! האדמה סביב לשורשים מלאה במיקרואורגניזמים. מבין המיקרואורגניזמים האלה ישנם חלק שמקיימים קשרי קח-תן עם שורשי הצמחים. קבוצה אחת של אורגניזמים שחיים באדמה נקראת פטריות מיקוריזה ארבוסקולריות AMF, קיצור של Arbuscular mycorrhizal fungi. כיצד קהילה כזו בריזוספרה יכולה לסייע לצמח המארח שלה?
אתם חופשיים ללכת ולקחת חטיף מזין או ללכת לרופא לקבל תרופות כשאינכם מרגישים טוב. צמחים לא יכולים ללכת, לכן הם תלויים בשורשים שלהם בחיפוש מים וחומרי מזון. שורשים מוגבלים באורכם, כמובן, ולכן צמחים מחפשים מקורות סיוע אחרים כולל AMF. AMF הן פטריות (שקשורות לפטריות מאכל) שדומות בהופעתן לשורשים, והן מאפשרות לשורשי הצמח להגיע ליותר חומרי מזון שנדרשים לגדילתו (איור 1). מבנה ה-AMF הרבה יותר מעודן משורשי הצמחים הגסים, ולכן פטריות מסוגלות לספוג מינרלים באופן יעיל יותר מצמחים [2]. בשל המבנה הזה הן יכולות להעביר מנות גדולות של אבני בניין מינרליות לצמחים, ממש כמו הוויטמינים הלעיסים שיכולים לתת לגוף שלכם את אבני הבניין שהוא צריך מהר יותר מאשר באמצעות מזון רגיל בלבד. בפרט, AMF סופגת את חומרי המזון זרחן וחנקן מהאדמה ומעבירה את החומרים האלה לצמח. בתמורה לסיוע הזה, הצמח גם מספק לפטריות חומרי מזון בסיסיים. הקשר הזה נקרא סימביוזה, מאחר שזוהי שותפות בין שני צדדים שמשתפים פעולה באופן צמוד אחד עם השני ונתרמים זה מזה.
- איור 1 - סימביוזה בין AMF וכמה תאים בשכבה החיצונית של רקמת השורשים של הצמח.
- תא נבג של AMF שמוצג בעיגול החום, מכיל hyphae מוארכת שעוברת דרך הריסוזפרה אל תאי השורש של הצמח. המבנה דמוי העץ של ה-AMF, שנקרא arbuscules, מסייע לה לתקשר עם תאי הצמח, והשלפוחיות (vesicles) העגולות בתאים שונים מאפשרות ל-AMF לצבור חומרי מזון שהתקבלו מהצמח המארח.
החלקים העיקריים של הצמח הם העלים, הגזע והשורשים. AMF מתחילה כתאים קטנים ויחידנים שנקראם נְבָגִים ויש להם קוּרים (hyphae), שהם מבנים דקים מאוד דמויי ענפים שחוברים יחד באזורים שונים של הפטריה. AMF גם מכילה שלפוחיות קטנות שהן מבנים עגולים שמאחסנים את חומרי המזון שהפטריה אוספת מהאדמה, ו-arbuscules שהם מבנים דמויי עץ שמאפשרים החלפה של חומרי מזון עם שורשי הצמח המארח [3]. שלושת המבנים האלה, שמוצגים באיור 1, מסייעים לנו להבין מדוע קוראים לפטריות fungi: השם מגיע מהמילה fungus (פטריה) והקשרים שהיא יוצרת עם הצמח.
AMF נקראות ביוטרופיות מאחר שזוהי סימביוזה עם הצמחים. אורגניזמים ביוטרופים צריכים צמח מארח אחר (כמו למשל תירס, אורז, כותנה, חיטה, עדשים וכולי) כשותף הזנה לטווח ארוך כדי להתקיים! אם כן, כיצד AMF ושורשי הצמח מוצאים זה את זה? תקשורת בין שורשי הצמח ו-AMF מערבת שרשרת של אירועים, אולם בסופו של דבר מסתכמת בכך שהפטריות חודרות לשורשים ומתחילות ליישב את שורשי התאים.
האורז ואויביו
מלבד החלפת חומרי מזון עם צמחים, תפקיד אחד של פטריות הוא לסייע בהגנה על הצמח מפני מפגעים שונים כמו אוכלי צמחים וחרקים. האם ידעתם שבמהלך עונת האורז חרקים שונים תוקפים את צמח האורז בזמנים שונים? צמחי אורז יכולים להיות מותקפים ברגע שהשורשים שלהם נשתלים ועד שהם נקצרים בסוף מחזור חייהם. בארצות הברית מחזור החיים הזה מתחיל בדרך כלל בשתילת זרעים באדמה יבשה. בנקודה מסוימת, בדרך כלל כחודש אחרי הזריעה, השדה מוצף. אלה הם תנאי הגדילה הטובים ביותר עבור מרבית סוגי האורז, וזה מסייע להביס כמה עשבים שאחרת היו תופסים לאורז מקום.
ברגע שהצמח בן חודש וההצפה התרחשה במלואה, צמחי האורז נחשפים לסכנות נוספות. ישנם כמה חרקים אוכלי עשב שניזונים מאורז בארצות הברית, אולם אנו נתמקד רק בשניים מהם. חרק זעיר אחד, שנקרא Rice water weevil, מופיע בשדות האורז בשלב מוקדם בחיי הצמח. אחרי שזכר ונקבת ה-Weevils מזדווגים, הנקבות מטילות ביצים שבוקעות מאוחר יותר לזחלים. זחלי ה-Weevils חופרים מתחת לפני השטח ואוכלים את מערכת השורשים של צמח האורז. הם יישארו שם ויאכלו את שורשי האורז בזמן שה-Weevils מתבגרים (ראו איור 2). אם ישנם Weevils רבים אז הם יכולים להסיר מספיק שורשים כדי שלא יהיו מספיק שורשים לתמוך בגדילת צמח האורז (ראו איור 3). כאשר פשיטות של Rice water weevil נעשות חמורות מספיק, כמות האורז המיוצרת מכל צמח תהיה פחותה בהרבה ממה שיכלה להיות!
- איור 2 - מזיקים שכיחים כמו ה-Rice water weevil וה-Fall armyworm תוקפים אורז במהלך מחזור החיים של הצמח.
- זחלי ה-Weevil תוקפים את השורשים שמתחת לאדמה, בעוד ש-Weevils בוגרים ו-Fall armyworms לועסים את עלי הצמח שמעל לאדמה.
- איור 3 - נזק לשורשי צמח האורז שנגרם על- ידי Rice water weevil.
- לצמחי האורז שמשמאל יש שורשים קצרים כתוצאה מנזק שנגרם על-ידי זחלי Rice water weevil שאכלו אותם, ולצמחים מימין יש שורשים ארוכים יותר שלא ניזוקו (תמונה: Lina Bernaola).
כמו כן במהלך חייו של האורז מגיע חרק אחר ששמו Fall armyworm. הוא לא מבלה מתחת לאדמה אלא מעדיף לנשנש את העלים של צמחים מעל לאדמה. החרקים האלה הם גרסאות צעירות של סוג שכיח של עש. הם יכולים להרוס שדה שלם על-ידי אכילת עליהם של הצמחים.
כיצד צמחים יכולים להשיב מלחמה? AMF מסייעות לצמחים לשרוד תחת מתקפות של אוכלי עשב. לשמחתנו, AMF קיימת באזורים רבים באופן טבעי, אולם חקלאים יכולים גם להוסיף AMF לאדמה במטרה לספק ליבולי האורז שלהם את הסיכויים הטובים ביותר לשרוד. מדענים ראו ש-AMF מעודדות גדילה בחלק מהצמחים [4], אולם זה עשוי שלא תמיד להיות המצב עם אורז. AMF הן ממש כמו תרופות שאנו יכולים לקחת כשאיננו מרגישים טוב. אולם, ממש כמו התרופות שאנו לוקחים, חלק עובדות טוב בעוד שאחרות לא. לעיתים, ילדים מגיבים אחרת לאותו הטיפול, וזה המקרה גם עבור צמחים שנמצאים בכל סוג של קשר סימביוטי.
כיצד כל זה מסייע לגדל יותר מזון?
אם צמחים מוגנים מפני מזיקים אוכלי עשב אז הם מסוגלים לחיות זמן רב מספיק כדי להפיק מזון ליותר אנשים. זה יכול פוטנציאלית להפחית את התלות שלנו בקוטלי חרקים, ולאפשר לנו לקבל יותר גרעיני אורז מאותו השדה. חשוב לזכור שחרקים אינם היחידים שגורמים נזק לצמחים. קיומם של מיקרואורגניזמים אחרים בריזוספרה יכול לסייע לגדילת הצמחים או לפגוע בהם. ההשפעה הזו תלויה ביבול האורז המסוים ובסוגי המיקרואורגניזמים המעורבים.
בנוסף לסיוע לצמחי אורז להיות עמידים יותר למתקפות חרקים, AMF יכולות לסייע לצמחים לגדל הרבה יותר נבטים (כל חלק בצמח שנמצא מעל לאדמה כמו למשל גזעים, עלים ופרחים) מאשר אורז ללא AMF. אם חרקים אוכלים חלק מהצמח אז AMF יכולה פוטנציאלית לסייע לצמח לגדל מחדש את החומר שאבד [5]. אם צמחי האורז גדלים מחדש אחרי שהם נאכלו, המזיקים לא יקטינו את גודל הקציר באותה המידה.
יותר מדי ממשהו טוב?
כאשר AMF מאכלסות את שורשי הצמח, הן יכולות לפעמים לגרום לצמחים להיות גדולים או גבוהים יותר. נוסף על כך הסימביוזה יכולה לסייע להגן עליהם ממתקפות של אוכלי עשב באמצעות חיזוק ההגנות שהצמח משתמש בהן. זה דומה למצב שבו אתם מרגישים חולים: אתם לוקחים תרופות שיסייעו לכם ללחום כנגד כל דבר, החל מצינון וכלה בחום. הגוף שלכם מבצע את מרבית העבודה ומסיר את כל מה שגורם לכם לחלות, בעוד שהתרופות מספקות חלק מהכלים להקלה על העבודה.
מצד אחר AMF יכולות להזיק לאורז. הן יכולות להחליש את הצמח באמצעות סיפוק כמות חומרי מזון גדולה מדי. כיצד זה יכול להיות שלילי? טוב, אם הוא יקבל יותר מדי חומרי מזון צמח האורז יהפוך גדול יותר ועמיד פחות מפני מזיקים, אשר יכולים לזהות את ההבדל שבין צמח ממוצע לצמח חזק. לדוגמה, האם הייתם מעדיפים לאכול תפוח עץ אדום וגדול, או תפוח עץ קטן ומצומק? חרקים הם בררנים ממש כמונו!
כיצד המחקר הזה יוצר שינוי?
מדענים מנסים להבין את האינטראקציות שבין AMF וצמחי אורז והחרקים שניזונים מאותם הצמחים כדי שנוכל להשתמש טוב יותר ב-AMF כדי להגדיל את כמות האורז ולהאכיל את אוכלוסיית העולם שלנו בקלות יותר. כפי שראיתם, האינטראקציות בין פטריות, צמחים וחרקים הן מורכבות ותלויות בדברים שונים רבים. אולם שימוש בשיטות החקלאות הטבעיות האלה והימנעות מקוטלי חרקים מזיקים היא חלק מהאחריות שלנו לשמור על כדור הארץ בריא.
תרומת המחבר
LB הגתה את הרעיון המקורי. LB ו-JS כתבו את הטיוטה הראשונה של כתב היד. LB פיתחה את הקונספט של התמונות ו-JS יצר את התמונות הסופיות. MS ערך את כתב היד וכל המחברים נתנו אישור סופי להגשה.
מילון מונחים
ריזוספרה (בית השורשים - Rhizosphere): ↑ אזור האדמה הדק שמקיף את שורשי הצמח.
פטריות מיקוריזה ארבוסקולריות AMF: ↑ קיצור של Arbuscular mycorrhizal fungi (נהגה בתור “Arr-bus-cue-ler My-core-rise-uh Fun-guy”) הם אורגניזמים שחיים באדמה ומייצרים קשרים ארוכי טווח וחזקים עם שורשי הצמחים המארחים כדי לבצע החלפות הדדיות של משאבים.
סימביוזה (Symbiosis): ↑ שותפות בין שני אורגניזמים. הקשר בדרך כלל מסייע לשני הצדדים לשגשג בסביבתם.
נבג (Spore): ↑ גופיף רבייה חד-תאי בעל יכולת ליצור פטריות יחידניות חדשות בלי להזדקק לפטריה או לנבג נוספים.
פטריה (Fungus): ↑ פטריות יוצרות קבוצה של אורגניזמים, שיכולים להיות מועילים או מזיקים, שניזונים מחומר אורגני אחר. דוגמאות טיפוסיות כוללות עובש או פטריות מאכל.
ביוטרופי (Biotrophic): ↑ מתאר את הסדר ההזנה ארוך-הטווח שבין פטריה והתאים של הצמח המארח, שבו התאים של הצמח המארח לא ניזוקים.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑ Bernaola, L., Cosme, M., Schneider, R. W., and Stout, M. 2018. Belowground inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi increases local and systemic susceptibility of rice plants to different pest organisms. Front. Plant Sci. 9:747. doi: 10.3389/fpls.2018.00747
מקורות
[1] ↑ Bennett, A. E., Alers-Garcia, J., and Bever, J. D. 2006. Three-way interactions among mutualistic mycorrhizal fungi, plants, and plant enemies: hypotheses and synthesis. Am. Nat. 167:141–52. doi: 10.1086/499379
[2] ↑ Smith, S. E., and Smith, F. A. 2011. Roles of arbuscular mycorrhizas in plant nutrition and growth: new paradigms from cellular to ecosystem scales. Annu. Rev. Plant. Biol. 62:227–50. doi: 10.1146/annurev-arplant-042110-103846
[3] ↑ Lanfranco, L., Fiorilli, V., and Gutjahr, C. 2018. Partner communication and role of nutrients in the arbuscular mycorrhizal symbiosis. New Phytol. 220:1031–46. doi: 10.1111/nph.15230
[4] ↑ Bernaola, L., Cosme, M., Schneider, R. W., and Stout, M. 2018. Belowground inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi increases local and systemic susceptibility of rice plants to different pest organisms. Front. Plant Sci. 9:747. doi: 10.3389/fpls.2018.00747
[5] ↑ Barber, N. A., Adler, L. S., Theis, N., Hazzard, R. V., and Kiers, E. T. 2012. Herbivory reduces plant interactions with above- and belowground antagonists and mutualists. Ecology 93:1560–70. doi: 10.1890/11-1691.1