מחקר חדש שנערך בשיתוף פעולה בין האוניברסיטה ואוניברסיטת קליפורניה (דיוויס), הצליח לזהות את הגנים (OPRIII) האחראים לוויסות אורך השורשים בחיטת הלחם, מה שיאפשר לחיטה עם שורשים ארוכים יותר להגיע למים הנמצאים בשכבות קרקע עמוקות יותר ולהניב יותר יבול בתנאי יובש ומיעוט משקעים. “זאת הפעם הראשונה בה נמצא גן המקנה עמידות לתנאי יובש בחיטת הלחם. לאור החשיבות של החיטה לתזונת האוכלוסייה העולמית  מחד, והתחממות הגלובלית שמגדילה עוד ועוד את האזורים הסובלים מיובש ומקשים על גידולים חקלאיים, לתגלית חשיבות רבה שתאפשר גידול חיטה בתנאי אקלים נרחבים יותר”, אמר ד”ר גלעד גבאי המחבר הראשי במאמר שפורסם בכתב העת היוקרתי Nature Communications.

החיטה היא אחת משלושת הדגנים העיקריים שעליהם מבוססת תזונת העולם, יחד עם האורז והתירס. צריכת החיטה בעולם כיום עומדת על למעלה מ-800 מיליון טון לשנה, והיא מספקת למעלה מ-20% מצריכת הקלוריות והחלבונים העולמית. כמעט רוב מוחלט, כ – 95% מהחיטה המסחרית המשמשת למאכל של בני אדם שייכת למין אחד, חיטת הלחם (Triticum aestivum), וכמעט כל חמשת האחוזים הנותרים שייכים למין שני, חיטת הדורום (Triticum durum). לפי תחזיות מומחים, עד 2050 תוכפל הדרישה לחיטה, אולם כיום, לא רק שלא ניתן להגדיל את שטחי הגידול של חיטה – ההתחממות הגלובלית ושינויי האקלים הופכים יותר שטחים ליבשים מידי מכדי לגדל בהם חיטה, הנשענת על השקיית גשמים (גידול בעל), אשר מצמצם את היצע השטחים האפשרי. לכן, ההערכות הן כי אם לא נמצא דרכים אחרות להגדיל את קצב ייצור החיטה, יווצר מחסור משמעותי, שעלול להוביל למשבר מזון עולמי. לאור זאת, אחד הפתרונות האפשריים להגדלת יבולי החיטה הוא באמצעות השבחה גנטית אשר תגדיל את יבולי החיטה מבלי להגדיל את שטחי הגידול. לפני כחמש שנים רוצף הגנום המלא של חיטת הלחם, בזכות מאמץ בינלאומי רחב היקף שכלל את פרופ’ ציון פחימה ופרופ’ אסף דיסטלפלד מהמכון לאבולוציה והפקולטה למדעי הטבע באוניברסיטה. ריצוף הגנום סלל את הדרך למציאת גנים ייעודיים בחיטת הלחם, שאחראים על התהליכים השונים בצמיחתה של החיטה.

במחקר הנוכחי, ד”ר גבאי ופרופ’ ג’ורג’ דובקובסקי מאוניברסיטת קליפורניה (דיוויס), יחד עם פרופ’ פחימה והדוקטורנט האנצ’או ואנג מאוניברסיטה, וחוקרים נוספים מאוניברסיטאות שונות בעולם הצליחו לזהות מקבץ גנים שאחראית על וויסות אורך שורשי החיטה.

בשלב הראשון של המחקר זיהו החוקרים זני חיטה שנמצאו בהם הבדלים משמעותיים ביבול של יותר מ2000 ק”ג להקטר (הקטר=10 דונם) ובביומסה של  הצמחים, אך הדבר שצד את עיניהם היה שהבדלים אלו היו גדולים יותר תחת תנאי יובש. בשלב השני, באמצעות בדיקות בשדות חיטה ובשיטות הידרופוניות נמצא כי הבדלים אלו נוצרו בגלל שוני בהתארכות השורשים. בשלב השלישי, באמצעות כלים גנומים וביו-אינפורמטים מתקדמים זיהו החוקרים את מקטע הגנום שבו עשויים להימצא הגנים הקשורים למבנה השורשים בחיטה. “זיהוי זה נחשב למורכב ביותר מאחר וחיטת הלחם היא בעלת גנום ענק, גדול פי-5 מהגנום האנושי, המורכב משלושה תת-גנומים שונים הכוללים שישה עותקים מכל כרומוזום”, אמר ד”ר גבאי. בשלב האחרון הצליחו החוקרים להוכיח את תפקידם של הגנים בהתפתחות השורשים בחיטה באמצעות שיטות של עריכה גנומית והנדסה גנטית פורצות דרך במחקר החיטה שפותחו לאחרונה במעבדתו של פרופסור דובקובסקי ויושמו על ידי צוות שכלל את  הדוקטורנט ואנג תחת הדרכתו של  ד”ר גבאי, שפיתח כלים חדשניים של Next Generation Sequencing (NGS) לאיתור מוטציות בגנום החיטה שמתרחשות כתוצאה מעריכה גנומית.

כאמור, במחקר הנוכחי, הצליחו החוקרים לזהות את מקבץ הגנים -III OPR ומצאו כי רמת ביטויי הגן, ששונתה באמצעות עריכה גנומית וכלים מולקולארים, או במספר העותקים של הגן השונה בין  זנים שונים של חיטה,  משפיעים על אורך השורשים של החיטה. בנוסף, אפיינו החוקרים את המנגנון שדרכו הגנים משפיעים על התארכות השורשים וזיהו את ההורמון המופרש שמשפיע על קצב צמיחת השורשים.

 נכון להיום, הרגולציה ברוב מדינות המערב לא מאפשרת השבחה גנטית באמצעות התערבויות מלאכותיות לשינוי ביטוי הגן. לחלופין ניתן להעביר את הגן על ידי הכלאות טבעיות של זנים קיימים. כאן נכנסים לתמונה בנקי הגנים לדגני בר, שאחד הגדולים שבהם בעולם נמצא באוניברסיטה ומנוהל על ידי ד”ר תמר קרוגמן, השותפה למחקר המשך המתנהל בחיפה. “בבנק הגנים שלנו יש אלפי זנים של חיטת בר, מהארץ ומהעולם. לאחר גילוי קבוצת הגנים שאחראים על אורך השורשים, אנחנו יכולים לחפש כעת זני בר שבהם יש רמת ביטוי אופטימלית של קבוצת -III OPR ולהכליא אותם עם זני חיטת הלחם, וכך לפתח זנים חדשים של חיטת הלחם שבהם השורשים ארוכים יותר ושיוכלו להניב יבול גדול יותר תחת תנאי יובש”, אמר פרופ’ פחימה.

המחקר נתמך על ידי הקרנות

BARD US-Israel Agricultural Research and Development Fund, U.S. Department of Agriculture,

Howard Hughes Medical Institute and

National Natural Science Foundation of China  .

23.2.23