תַקצִיר
צמחים, נוסף על היותם יפהפיים, מספקים לנו בין השאר חמצן ומזון. במערכות האקולוגיות שלהם, צמחים חיים לצד סוגים שונים של חיידקים–חלקם ידידותיים עבור צמחים, וחלקם אויביהם. חיידקים ידידותיים יכולים לעזור לצמחים לגדול בסיוע לצמחים לקבל חומרי מזון כמו זרחן וחנקן, או על ידי הגנה על הצמחים מפני מיקרואורגניזמים אחרים שעלולים לגרום להם לחלות. מטרותיה של המעבדה שלנו הן לְאַתֵּר את החיידקים שיכולים לסייע לצמחים לגדול, ולהגן עליהם מפני מתקפות אויבים; להבין כיצד החיידקים האלה פועלים וּלְשַׁלֵּב עימם כוחות כדי לאפשר לצמחים חקלאיים להמשיך לייצר מספיק מזון עבור כולם. במאמר זה, נדון בארבעה חיידקים שזיהינו, אשר יכולים לסייע לחֵלֶק מהצמחים, וּלספּק להם הגנה.
קשרים בין צמחים לחיידקים
צמחים הם חלק חשוב מאוד בחיינו. הם מספקים לנו חמצן; תרופות ומזון, אך אינם עושים זאת לבד. צמחים חולקים סביבות מחיה באדמה עם מיקרואורגניזמים רבים, כמו למשל פטריות, תולעים קטנות שנקראות נֶמָטוֹדוֹת וחיידקים. חיידקים הם יצורים זעירים שאין ביכולתנו לראות בעין בלתי מזוינת. סוגים שונים של חיידקים הם בעלי נראוּת שונה, וממלאים תפקידים שונים במערכת האקולוגית.
בין צמחים לחיידקים באדמה מתקיימים שלושה סוגי קשרים עיקריים (איור 1A). חלק מהחיידקים עלולים להזיק לצמחים, לתקוף אותם ולגרום להם להרקיב; או שהם עשויים לגרום לצמחים לחלות, או להתייבש. חיידקים מזיקים אלה נקראים פיטוֹפּתוֹגנים, והקשר בינם לבין צמחים הוא קשר שלילי. אולם, ישנם גם חיידקים שיכולים להיות ידידותיים לצמחים, לקיים עימם קשר חיובי, לסייע להם או להגן עליהם כנגד חיידקים פיטופתוגניים, פטריות ווירוסים. בתמורה לחברוּת הזו, צמחים מזינים את החיידקים בפחמימות, ויטמינים חומצות אורגניות ועוד. צמחים משמשים כבית לחיידקים המועילים, ומאפשרים לחיידקים אלה לחיות קרוב אליהם או אפילו בתוכם. אם החיידקים לא תוקפים את הצמח אך גם אינם מסייעים לו, הקשר הוא ניטרלי.
- איור 1 - יחסי גומלין חיידקים-צמחים.
- (A) קשרים בין חיידקים לצמחים יכולים להיות מועילים לצמח, מזיקים לצמח, או ניטרליים. (B) דרך ייצור של אנזימים וחומצות, חיידקים ידידותיים יכולים לסייע לצמחים לקבל את חומרי המזון החיוניים מהאדמה, לרבּוֹת חנקן (N) וזרחן (P). חומרי מזון חשובים אחרים לצמחים הם אשלגן (K), נחושת (Cu), אבץ (Zn), בּוֹרוֹן (B), מוֹלִיבְּדֵנוּם (Mo), מַנְגָּן (Mn), ברזל (Fe) וכלור (Cl). (C) חיידקים יכולים להגן על צמחים מפני פתוגנים מזיקים דרך תהליך שנקרא עמידוּת מערכתית מוּשׁרית (ISR), שהוא כמו חיסון עבור צמחים, או באמצעות ייצור חומרים אנטיביוטיים, או תרכובות אורגניות נדיפוֹת (VOCs).
חיידקים מועילים מסייעים לצמחים להשיג חומרי מזון
צמחים גדלים באדמה ואינם יכולים לנוע, כלומר הם בעלי קביעוּת. אורגניזמים כאלה אינם יכולים לחפש חומרי מזון שהם זקוקים להם כדי לגדול. אולם, חיידקים יכולים לסייע לצמחים לקבל את חומרי המזון הנדרשים להם (איור 1B). לדוגמה, צמחים זקוקים לזרחן עבור גדילה, אך מרבית הזרחן באדמה כלוא במולקולות שצמחים אינם יכולים לְפָרֵק. במקרה זה, החברים החיידקיים של הצמח מספקים עזרה. הם משחררים מולקולות כמו חומצות מיוחדות, או חלבונים שנקראים אנזימים. אלה מסייעים לפרק את המולקולות מכילות הזרחן, ולשחרר זרחן כך שצמחים יוכלו להשתמש בו [1].
חנקן הוא חומר מזון חשוב נוסף עבור צמחים. חיידקים יכולים לסייע לצמחים לקבל חנקן על ידי שחרור אנזימים אחרים. אך ישנהּ בעיה כיוון שאנזימים משחררי-חנקן נהרסים על ידי חמצן. כדי להתגבר על בעיה זו, חיידקים מסייעים לצמחים ליצור על שורשי הצמח מִבְצָר מוגן שנקרא נוֹדוּלה. הנודולה מגינה על החיידקים ועל האנזימים שלהם, ובתוך הנודולה חנקן נעשה זמין עבור הצמח.
חיידקים להצלה!
חיידקים מועילים יכולים להגן על צמחים מפני מתקפות של פיטופתוגנים (איור 1C). דרך אחת שבה הם עושים זאת נקראת עמידוּת מערכתית מוּשׁרית, הפועלת בדומה לחיסון שמגן על צמחים מפני פטריות, חיידקים ווירוסים. החיידקים מספּקים את העמידוּת על ידי כך שהם באים במגע עם שורשי הצמחים, מה שמפעיל את מערכת ההגנה של הצמח ומכין אותו לקְרָב. עמידוּת מערכתית מושרית מְעָרֶבֶת אותות שנישאים דרך הצמח מהשורשים, או אותות שנעים דרך האוויר, ומזהירים את חלקי הצמח שעדיין לא הותקפו [2]. הודות לאותות האלה, כאשר פתוגנים של צמחים מגיעים, הצמחים מוכנים לפלישה ויכולים להגן על עצמם טוב יותר.
דבר נוסף שחיידקים יכולים לעשות כדי להגן על צמחים הוא לשחרר חומרים שמבריחים את האויבים הגדולים ביותר של הצמח. החומרים האלה נקראים תכשירים אנטיביוטיים, והם דומים לתרופות שאנו נוטלים לעיתים, כשאנו נדבקים בחיידקים מסוימים. תכשירים אנטיביוטיים, ששמותיהם לדוגמה pyrrolnitrin ,phenazine או zwittermycin, אשר מיוצרים על ידי חיידקים, משוחררים בחלקם כנגד חיידקים אויבים, וחלקם כנגד פטריות מסוכנות. הם עשויים להיות משוחררים כתרכובות אורגניות נדיפוֹת–תרכובות שנמצאות במצב גזי בטמפרטורת החדר, או שיכולות להפוך לגז בקלות. שחרור של תרכובות אורגניות נדיפות הוא מנגנון יעיל ביותר שחיידקים משתמשים בו כדי לסייע לצמחים במהרה, מאחר שגזים יכולים להתפשט בקלות ולהגיע במהירות לכל חלקי הצמח. סידֵרוֹפוֹרים גם הם מולקולות שחיידקים מייצרים ומשחררים כאשר מרכיבים כמו ברזל אינם נמצאים באדמה בכמות מספקת. מולקולות אלה יכולות ''לחבּק'' את מעט הברזל שנמצא באדמה, וליצור קוֹמפּלקס סידרופור-ברזל שבאמצעותו ברזל יכול להיות מועבר בקלות רבה יותר וּלְשַׁמֵּשׁ את הצמחים.
יצירת כוח הצלה חיידקי
במעבדה, חיפשנו את ''סיירי ההצלה'' הטובים ביותר, במטרה ליצור צבא של חיידקים שיכול לסייע בחיזוק הצמחים שמזינים אותנו. כדי לעשות זאת, ראשית, גייסנו חיידקים רבים מהאדמה שמתחת לצמחים שונים. לאחר מכן, גרמנו לחיידקים להילחם כנגד פטריות רבות שגורמות נזק לצמחים האלה, ובחרנו את אותם החיידקים שלא אפשרו לפטריות לגדול.
נספר לכם עתה על ארבעה חיידקים מועילים שהם חלק מ''צוות ההצלה'' שלנו. חיידקים אלה נקראים UM256 ,UM240 ,UM16 ו-UM270 [3], והם שייכים לסוג Pseudomonas.
את כל אחד מסוגי החיידקים הללו הכנסנו לכלי זכוכית עם צמח שנקרא אַסְפֶּסֶת קטועה (barrelclover, Medicago truncatula). כעבור 15 ימים, יכולנו לראות שהצמחים היו גדולים יותר כאשר לווּ על ידי החיידקים מאשר כשגדלו לבד (איור 2). גידלנו את החיידקים גם בבקבוק זכוכית שהיה ממוקם בתוך כלי הזכוכית, כך שהם לא יכלו לגעת בצמחים. ראינו כי הצמחים עדיין היו גדולים יותר כאשר החיידקים היו נוכחים, אפילו אם הם לא נגעו בצמח. המשמעות של כך היא שהחיידקים שחררו תרכובות אורגניות נדיפות שסייעו לצמחים לגדול.
- איור 2 - ממצאי הניסוי הראשון שערכנו במעבדה.
- כלי הבקרה (משמאל) מכיל צמח אַסְפֶּסֶת קטועה שגדל ללא תוספת של חיידקים. הכלים הנותרים מכילים את הצמח ואת אחד מארבעת סוגי החיידקים הידידותיים. החיצים מראים כי הצמחים גדלו טוב יותר בנוכחותם של חיידקי UM240 ו-UM270 (לצבע החיצים אין משמעות).
מבחן אחר שעברו חיידקים מצילים אלה היה היכולת להילחם כנגד פטרייה פיטופתוגנית שמדענים מכנים ריקבון אציל (Botrytis cinerea). פטרייה זו גורמת ליבולים כמו עגבניות, תותים וענבים לחלות, מה שמפחית את ייצור המזון. לביצוע המבחן הזה, הוספנו חיידקים ופטרייה לצלחת פֶּטְרִי (איור 3A). כאשר החיידקים והפטרייה היו יחד בצלחת, החיידקים מנעו את גדילתה של הפטרייה. כמו כן הִנַּחְנוּ את הפטרייה והחיידקים בתוך צלחות פטרי שחולקו כך שלא נוצר מגע ביניהם, והם יכלו לתקשר רק דרך חלון קטן. אפילו כאשר לא נוצר מגע, הפטרייה לא גדלה כפי שצמחה כשגֻדְלָה לבד, מה שמלמד אותנו כי תרכובות אורגניות נדיפות שיוצרו על ידי החיידקים דיכאו את גדילתה של הפטרייה (איור 3B).
- איור 3 - ממצאי הניסוי השני שערכנו.
- (A) כאשר החיידקים גודלו באותו התא של צלחת פטרי עם פטרייה, החיידקים הפחיתו את גדילתה של הפטרייה בהשוואה לצלחת הבקרה (בצד השמאלי). (B) כאשר החיידקים והפטרייה גודלו בתאים נפרדים, גדילת הפטרייה עדיין הייתה פחותה ביחס לצלחת הבקרה, מה שהעיד על כך שהחומרים שהפחיתו את גדילת הפטריה היו תרכובות אורגניות נדיפות (החיצים והסוגריים מציגים את ההבדלים בגדילתן של הפטריות). (C) צמח אַסְפֶּסֶת קטועה שנדבק בפטרייה הראה פחות סימני מחלה כאשר גֻּדַּל בנוכחותם של חיידקים.
ברגע שהחיידקים ניצחו את הקרב כנגד הפטרייה, ביקשנו לדעת אם יוכלו להגן על צמח אמיתי. כדי לבחון זאת הבאנו את הפטרייה במגע עם צמח אַסְפֶּסֶת קטועה, וראינו כי הפטרייה הפכה את גוון הצמח לחוּם, והרגה אותו (איור 3C). כאשר הצמח לוּוה על ידי החיידקים UM256 ,UM240 ,UM16, או UM270, הפטרייה לא גרמה לצמח לחלות באותה המידה שבה חלה בנוכחות הפטרייה לבדה. כלומר, המצילים החיידקים שלנו הצליחו להגן על הצמח מפני הפטרייה הפיטופתוגנית המרושעת, ולשמור עליו בחיים.
הצעד הבא: יצירת יחידת עילית של חיידקים!
כעת, סיירי ההצלה החיידקיים שלנו מוכנים לצאת לשטח, להגן על צמחים ולסייע לחקלאים לייצר מספיק מזון עבור אוכלוסיית העולם הַגְּדֵלָה. אנו עדיין חוקרים את החיידקים האלה, מאחר שלכל אחד מהם יש מנגנון ייחודי שמסייע לצמחים. כפי שכבר ראינו, ארבעת החיידקים שהצגנו במאמר הם מצילים טובים בפני עצמם, אך דַּמְיְנוּ שארבעתם היו משלבים את כוחות-העל שלהם ליצירת יחידת עילית אחת–אז הם היו בלתי מנוצחים! זכרו, כל סוגי החיידקים, הן הידידותיים הן המזיקים, חיים יחד באדמה. ככל שהאדמה מכילה מגוון מיקרובי גדול יותר, כך גדֵלה היכולת להילחם כנגד פיטופתוגנים. כדי שיהיה לנו מזון בריא, אנו זקוקים לאדמה בריאה ולסיועם של החיידקים הידידותיים המצילים שלנו!
מילון מונחים
פיטופתוגן (Phytopathogen): ↑ אורגניזם שגורם לצמחים לחלות.
קביעות (Sessile): ↑ חוסר היכולת לנוע ממקום למקום.
חומרי מזון (Nutrients): ↑ כימיקלים שמהם מתקבלת אנרגיה כדי לבצע פעולות.
מולקולות (Molecules): ↑ שני אטומים מחוברים או יותר. זוהי היחידה הקטנה ביותר של חומר.
אנזימים (Enzymes): ↑ מולקולות שמווסתות תגובות כימיות.
נודולה (Nodule): ↑ מבנה עגול או אוֹבָלִי שמורכב מתאי צמח.
עמידות מערכתית מושרית (Induced Systemic Resistance): ↑ אחד המנגנונים שצמחים פיתחו במטרה להגן על עצמם כנגד פיטופתגונים.
תכשירים אנטיביוטיים (Antibiotics): ↑ חומרים שהורסים מיקרואורגניזמים.
תרכובות אורגניות נדיפות (Volatile Organic Compounds): ↑ מולקולות שמשוחררות כגזים.
סידרופורים (Siderophores): ↑ מולקולות קטנות שנקשרות לברזל ומקילות על צמחים להשתמש בו.
הצהרת ניגוד אינטרסים
המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.
מאמר המקור
↑Hernández-León, R., Rojas-Solís, D., Contreras-Pérez, M., del Carmen Orozco-Mosqueda, M., Macías-Rodríguez, L. I., Reyes-de la Cruz, H., et al. 2015. Characterization of the antifungal and plant growth-promoting effects of diffusible and volatile organic compounds produced by Pseudomonas fluorescens strains. Biol. Control 81:83–92. doi: 10.1016/j.biocontrol.2014.11.011
מקורות
[1] ↑ Tapia-Torres, Y., and García-Oliva, F. 2013. Phosphorus availability is a product of soil bacterial activity in oligotrophic ecosystems: a critical review. Terra Latinoam. 31:231–42.
[2] ↑ Pieterse, C. M., Zamioudis, C., Berendsen, R. L., Weller, D. M., Van Wees, S. C., and Bakker, P. A. 2014. Induced systemic resistance by beneficial microbes. Ann. Rev. Phytopathol. 52:347–75. doi: 10.1146/annurev-phyto-082712-102340
[3] ↑ Hernández-León, R., Rojas-Solís, D., Contreras-Pérez, M., del Carmen Orozco-Mosqueda, M., Macías-Rodríguez, L. I., Reyes-de la Cruz, H., and Santoyo, G. 2015. Characterization of the antifungal and plant growth-promoting effects of diffusible and volatile organic compounds produced by Pseudomonas fluorescens strains. Biol. Control 81:83–92. doi: 10.1016/j.biocontrol.2014.11.011