מדעי הצמח - שיעורים 15-17
שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך 159 16.05.2010 שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך הורמונים בצמיחה וגטטיבית ציטוקינינים כדי להדגיש מה הקשר בין מה שציטוקינין עושה למה שאוקסין עושה ,אנחנו יכולים להסתכל שוב על השיווי משקל בין חלבוני ה ARF-והמעכב שלהם .Aux/IAA ,בנוכחות של אוקסין כאמור של פולי- יוביקוויטינציה של Aux/IAAואז שחרור של .ARF באיורים של הפסיג אנחנו רואים נקודות כחולות שמראות ביטוי של הגנים המשועתקים על ידי .ARF כאשר מוסיפים ציטוקינין אנחנו יכולים לראות שככל שמגדילים את הריכוז ,הכמות של הצבע הכחול יורדת – הדגמה לעובדה שהציטוקינין מדכא למעשה את הביטויים שמעוררים על ידי אוקסין. ציטוקינין גורם לעלייה בכמות החלבון Aux/IAAולכן הוא למעשה מסיט את שיווי המשקל לצד התחתון ,מה שגורם לעיכוב בביטוי של הגן. חשיבות ציטוקינין למריסטמה של הנצר בשיעור עם דני ,ראינו את המוטנט shoot ,meristemlessמוטנט שאין לו את הכיפה האופיינית למריסטמה של הנצר. מוטציה שכזו תהיה מוטציה רצסיבית ואז אפשר להרבות את המוטנטים על ידי ההטרוזיגוט שמפיק פרחים ,ומתוך הצאצאים מבודדים הומוזיגוטים מוטנטים למחקר והטרוזיגוטים שיפיקו מוטנטים נוספים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 160 כאשר מרססים את המוטנט stmבציטוקינין ,ניתן לראות שהוא מתחיל לייצר עלים – היינו נוצרה מריסטמה .כאשר מחדירים להם את היכולת לייצר ציטוקינין המריסטמה נוצרת וגם נשארת .אנו יודעים שהגן stmאחראי ,בין השאר ,לביטוי של גנים המייצרים ציטוקינין וזהו חלק אינטגרלי בתפקידו לשימור זהות תאי המריסטמה כתאי גזע. מה קורה במריסטמה הקודקודית של הנצר בירוק רואים מריסטמה עם איניציאציה של עלים ,בסגול מופיע הניצן החיקי. בנצר יש יצירה של ענפים צדדיים המעודדת על ידי ציטוקינין וסטרינגולאקטון. לעומת זאת ,אוקסין וסטרינגולאקטון גורמים לעיכוב של יצירה של ענפים צדדים .בשורש לעומת זאת קורה דבר הפוך :אוקסין מעודד יצירה של שורשים צדדים ואילו ציטוקינין מעכב את היווצרותם .לשיווי משקל ביניהם יש חשיבות כי היצירה של ענפים ושורשים צדדיים חשובה להתפתחות של הצמח. היבטים ביוטכנולוגיים גילו כי אם בעלים של אורז מעלים ביטוי של ציטוקינין אנחנו יכולים לראות שינוי בתבנית העלים .הצמחים האלה מפיקים יותר זרעים מאשר ה .WT-כך למעשה ציטוקינין יכול לשמש להעלאת היבול של האורז ,דבר חיוני עבור תזונה במזרח הרחוק ,בעיקר לאור העלייה בכמות האוכלוסייה לצד הירידה בכמות השטחים הפנויים לחקלאות האורז. למטה :במעבדה של חוקר ישראלי התגלה כי אם מעלים את רמת ציטוקינין בצמחי טבק ואחרים זה גורם להאטה בתמותת העלים וכתוצאה מכך הצמחים הופכים להיות עמידים יותר ליובש .בשל סכנת ההתחממות הגלובאלית ,גם שימוש ביוטכנולוגי זה הוא בעל חשיבות רבה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך 161 מסלול האותות של ציטוקינין מתווך במערכת דו-קומפוננטית בתחום הפעילות בפועל של ציטוקינין הייתה התפתחות רבה ,בעיקר תודות למחקרים על ארבידופסיס. המחקרים מראים שהצורה של עבודת ציטוקינין דומה למערכת העברת אותות בחיידקים ,כאשר היא מבוססת על פוספורילציה של חלבונים. חלבון רצפטור קולט אות .החלבון מכיל שייר חומצת אמינו היסטידין ,שעובר פוספורילציצה עקב קליטת האות .הפוספורילציה גורמת לחלבון )שהוא קינאזה( לזרחן חלבון נוסף המכונה .response regulator החלבון הזה מקבל זרחן בחומצת האמינו אספרטאט ,וכשהוא מזורחן הוא מוציא לפועל את התגובה. פעמים רבות ה response regulator-הוא פקטור שיעתוק ,והזירחון גורם לאקטיבציה שלו מה שמביא לביטוי של גנים .המערכת הזו אומצה באבולוציה על ידי צמחים ,הן למסלול העברת האותות בציטוקינין והן להעברת אותות באתילן כפי שנלמד בהמשך )אבל באתילן יש ,מן הסתם ,חלבונים אחרים(. האיור הבא מראה את הפעילות של המערכת. הערה :המערכת באיור זה היא המערכת שמוכרת כקיימת בחיידקים .המערכת באיור הבא היא מה שקיים בצמחים כפי שאנו מכירים אותה כיום. בקרה של ביטוי גנים על ידי ציטוקינין בארבידופסיס החוקרים מחפשים תופעות שונות של השפעת ציטוקינין כאשר מרססים אותו על מוטנטים שפגועים בפעילויות שונות .סריקה של המוטנטים שמגיבים הביאה גילוי הרצפטור וה,response regulator- חלבוני ההעברה הם .HPt – Histidine Phospho transfer Proteins החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 162 ציטוקינין נקשר לרצפטור ,שהוא קינאז; היסטידינים באתר הקינאז עוברים זירחון .ברצפטור של הציטוקינין יש גם אתר של אספרטאט וידוע שהסיגנל של הפוספט עובר מהיסטידין לאספרטאט – פיזית הפוספט עובר בין השיירים. הפוספט עובר מהאספרטאט שברצפטור לשייר היסטידין של .HPtהחלבונים האלה גורמים לזירחון של Response Regulatorשמכילים אספרטאט ,והם לרוב פקטורי השיעתוק שמביאים לשיעתוק המבוקש כתגובה לציטוקינין. .ARR = Arabidopsis Response Regulator זירחון של ) ARRהמוכרים כ (Type B ARRs-גורם להם להיכנס מהציטופלזמה לגרעין ולהתחיל בשיעתוק .במקביל יש קבוצות ARRאחרות שמקבלות פוספט מה ,HPt-כאשר אחת מהן היא Type A ,ARRsאשר במנגנון שטרם הובן לחלוטין מעכבים את התפקוד של ,Type B ARRsשהם פקטורי השיעתוק. סטריגולאקטונים סטריגולאקטונים הם תוצרי פירוק של קראטנואידים – פיגמנטים של צבע כתום המונעים עקת חימצון.13 קראטנוטאידים לא נוצרים רק בעלים ,אלא גם בפלסטידות אחרות :אמילופלאסטים )המזהים את כוח הכובד( ,אתיופלאסטים )פלאסטידות של חושך( וכדומה. הסטריגולאקטונים היו מוכרים כחומרים שמעודדים היווצרות השלוחות של הרהיזוביום בקטניות; הם מעודדים נביטה של עלקת, שהיא טפיל שמדביק צמחים ויונק לשדם את )באיור משמאל למטה(. אינטראקציה עם אוקסין בעבודה רחבה גילו שאוקסין שנוצר בקודקוד וזורם פולארית אל השורש גורם לסינטזה של סטריגולאקטון .הללו זורמים לכיוון הנצר שם הם מעכבים יצירה של ענפים צדדיים. 13מוטנט ללא קראטנואידים יהיה בעל עלים לבנים כי הכלורופילים מתפרקים עקב עקת חימצון שלא מעוכבת. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך 163 לא אוקסין ישירות מעכב ענפים צדדיים אלא הוא מעודד יצירה של סטריגולאקטונים ,שהם המעכבים של התפתחות הענפים הצדדיים. דוגמה לכך היא המוטנט באורז המופיע באיור ,שבו אנחנו יכולים לראות במוטנט )הימני( ענפים צדדיים הרבה יותר מפותחים מאשר ב ,WT-כאשר המוטנט לא מייצר סטריגולאקטון. לכל ההסתעפות בצמחים יש לה גם אספקטים תיאורטיים מעניינים, מבחינת שליטה על הארכיטקטורה של הצמח ,אבל גם היבטים ביוטכנולוגיים חשובים. לא צריך לדעת איך הסטריגולאקטונים נוצרים ,איך אוקסין מפרק קראטנואידים כדי ליצור אותם וכדומה. ג'יברלינים אנחנו עדיין עוסקים בגדילה הוגטטיבית של הצמח; קבוצת החומרים גיברלינים הם חומרים חומציים )על כן הם מכונים בקיצור (GAשגורמים להתארכות של תאים – ראינו בשיעור המבוא מוטנט שפגוע בהם ונראה אותו שוב בהמשך; הם מעודדים נביטה של זרעים ,מעודדים פריחה בתנאים ומינים מסויימים ואף במינים מסויימים קובעים את זהות איברי הרבייה )זכרי או נקבי( .כמו כן הם מעודדים גדילה של פירות. בקרת גדילה ג'יברלינים מבקרים התארכות תאים ,וכך למעשה גדילה של איברים .במוטנט האפונה ) leמוטנט של מנדל!( מוכר היום כפגוע בייצור של ג'יברלין .הג'יברלינים הם קבוצה די גדולה של חומרים; ביניהם יש ג'יברלינים פעילים וישנן צורות של ג'יברלינים שאינם פעילים .בקרה חשובה על הפעילות שלהם בצמח היא יצירה של ג'יברלינים פעילים ופירוקם לג'יברלינים לא פעילים. בשיעור הז לא נעסוק במבנה הכימי השונה של שני הסוגים אבל צריך להיות מודעים לקיומם. מכיוון שהמוטנט של האפונה פגוע בהפיכה של ג'יברלין לא פעיל לג'יברלין פעיל ,כתוצאה מכך הענפים לא מתארכים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 164 היבטים ביוטכנולוגיים המהפכה הירוקה שקרתה במאה ה 20-הביאה לשני דברים: • אם משתמשים בדשנים ניתן לקבל צמחים שגדלים יותר טוב .הדשנים מכילים חומרי מזון לצמחים כמו חנקן ,זרחן וחומרים אחרים. • פיתחו זנים – במיוחד דגניים – שהגיבעולים שלהם יותר קצרים .מכיוון שהם עבים וקצרים הם מחזיקים את השיבולים טוב יותר ולא נשברים ,מה שהעלה את היבול. מי שהוביל את המהפכה היה נורמן בורלאג .בורלאג מצא מוטנטים כמו אלו של מנדל עם גבעול יותר קצר וחזק ,ועל ידי הכלאות הוא הכניס את המוטציה לתוך קווי חיטה עם גבעולים ארוכים יותר ,השביח אותם והביא ליצירה של מינים עם גבעול קצר .בשיעור האחרון אנחנו נראה כיצד בביוטכנולוגיה עושים את ההשבחות הקלאסיות האלה. חלק מהגנים שקשורים למהפכה הירוקה הם גנים שקשורים בסינטזה של הג'יברלין – למעשה מיני המהפכה הירוקה הם מוטנטים של גנים אלו. מעבר הסיגנל בג'יברלינים,כמו באוקסין ,מעבר הסיגנל מבוקר על ידי יוביקוויטינציה .בריכוז ג'יברלין נמוך פקטורי השיעתוק קשורים למעכבים בשם חלבוני ,DELLAששמם ניתן להם בזכות זנב שיש להם בצורה המורפולוגית. כשריכוז ג'יברלין עולה והוא נקשר לרצפטור שלו יש שינוי קונפורמטיבי של הרצפטור .השינוי הזה מאפשר קישור של שייר הרצפטור לשייר של חלבון ה .DELLA-בעקבות הקישור, הרצפטור ,שהוא חלק מקומפלקס E3 ,Ubiquitine Ligaseמסמן את החלבון וכך חלבוני ה DELLA-עוברים פולי-יוביקוויטינציה והם נשלחים לפרוטאוזום. בצורה כזו פקטורי השיעתוק משתחררים וביטוי הגנים מתאפשר. הקישור של חלבוני ה DELLA-לרצפטור של ג'יברלין נעשה דרך הזנב; אם מוטנט בחלבון יהיה חסר את הזנב ,מופע הצמח יהיה כמופע של צמח שפגוע בג'יברלין – צמח קצר .למרות שג'יברלין עדיין קיים בתא ,הוא אינו מסוגל לגרום לפירוק של המעכב ולכן אין ביטוי .מוטציה כזו היא חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך 165 מוטציה דומיננטית ,14משום שגם אם הצמח הוא הטרוזיגוט תמיד יהיו חלבוני DELLAשנשארים קשורים לפקטורי השיעתוק ,לא מתפרקים ולכן מונעים ביטוי. על מנת להבדיל בין מוטנט שפגוע בסינטזה למוטנט שפגוע ב DELLA-אנחנו יכולים לרסס אותו בג'יברלין ולראות אם יש גדילה או לא. כשגילו את כל המנגנון הזה חיפשו מה פגוע במוטנט של המהפכה התעשייתית ,וגילו שמה שפגוע הוא ה- DELLAולכן המוטציה היא דומיננטית. שימו לב שזה דומה למנגנון של אוקסין אבל כאן ג'יבלין לא משמש ל"דבק" שמדביק את Aux/IAAלחלבון בקומפלקס E3כי אם הוא משמש לשינוי קונפורמציה שמאפשר קשירה בין החלבונים. בראסינוסטרואידים בראסינוסטרואידים דומים במבנם הכימי לכולסטרול והורמונים סטרואידים אחרים שקיימים בגוף .הם חשובים להתארכות נחשון ההאבקה ,נביטה של זרעים ,התמיינות של רקמות הובלה ויונקות השורש ,וכן יש להם תפקיד בעמידות ליובש .המוטנטים של סינטזה או מסלול האותות של הורמון זה יהיו פגועים בתהליכים אלו. בראסינוסטרואידים מעודדים יצירה של אנזימים שמפרקים את דופן התא. הפירוק מוריד את פסיי-פי ,מים נכנסים לתא כתוצאה מכך על מנת להעלות את פסיי W-וכך נגרמת התארכות של התא .הם עובדים יחד עם ג'יברלין ואוקסין בתהליכים אלו – זוהי רשת של הורמונים שעובדים יחד. 14למתבלבלים :אנחנו למדנו שמוטציה של loss of functionהיא מוטציה רצסיבית ומוטציה של gain of functionהיא מוטציה דומיננטית; לכאורה ה DELLA-מאבד את היכולת להיקשר לרצפטור .אבל למעשה זוהי אינה יכולת של הDELLA- להיקשר כי אם היכולת של הרצפטור להכיר את הזנב .על ידי היפטרות מהזנב ,ניתן לומר שה DELLA-מקיים gainשל הפונקציה "לא ליפול מהפקטור שיעתוק" ,ולכן זוהי בהכרח מוטציה דומיננטית. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 166 בתמונות הבאות רואים מוטנטים של בראסינוסטרואיד ,שהם קצרים מאוד וגם מאוד מסועפים – בצורה כזו מפרידים מורפולוגית ביניהם למוטנטים של ג'יבלרין .המוטנטים שאנו רואים הם בארבידופסיס ,אפונה ועגבניה. שימוש ביוטכנולוגי בתמונה הבאה אנו רואים מוטנטים נוספים בשמוש ביוטכנולוגי שגורמים להגדלה של היבול עקב הקטנה ) (dwarf/ semidwarfשל הצמח. מעבר אותות מבחינת מעבר האותות ,בריכוז נמוך של בראסינוסטרואידים הרצפטור של ההורמון לא פעיל עקב מעכב )מצוייר בכתום( שקשור לרצפטור )בירוק( .חלבון נוסף שהוא קינאז מזרחן פקטורי שיעתוק וכך מעכב את הפעילות שלהם. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך 167 כאשר ריכוז ג'יברלין עולה ,יש זירחון של הרצפטור יחד עם עוד חלבון ממברנלי המביאה לזירחון של קינאז אחר .הקינאז הזה מזרחן פוספאטאז, חלבון שמפרק זרחן מחלבון מטרה .חלבון המטרה הוא ,BIN2הקינאז שמזרחן פקטורי שיעתוק ומעכב אותם .כאשר אין ל BIN2-זרחן ,הוא מפסיק לזרחן את פקטורי השיעתוק ,העיכוב מופסק וכך למעשה מתאפשר שיעתוק וביטוי של הגנים. יש לנו שרשרת של מעבר אותות שצריך לזכור בה את העיקרון: זירחון של חלבונים שבסופו של דבר מסירה עיכוב מפקטורי השיעתוק .ללא בראסינוסטרואידים יש עיכוב של פקטורי השיעתוק וכאשר באראסינ' נקשר לרצפטור יש שחרור של העיכוב. • • • במערכת ג'יבלין ואוקסין יש יוביקוויטינציה של המעכב בציטוקינין יש זירחון שמאקטב את הפקטורי שיעתוק. בבראסינוסטרואידים יש דה-זירחון שגורם להפעלה של פקטורי שיעתוק. אתילן בהקשר של הורמון זה נתחיל עם צמיחה וגטטיבית ונעבור לצמיחה רפרודוקטיבית ,ונראה מה התפקיד של אתילן ושאר ההורמונים בהקשר הרפרודוקטיבי. אתילן הוא גז וככזה הוא יכול לעבור בדיפוזיה בין תאים וגם להיות מופרש מהתאים ולעבור באוויר ולהשפיע על צמחים סמוכים .הוא חשוב להבשלה של פירות – הוא ההורמון שגורם לכך; הוא גורם להזדקנות של עלים ועלי כותרת ,הוא הורמון הראשון שמביא לביטוי הזדקנות – גם הבשלה של פרי היא תופעה של הזדקנות .הפעולה הזו שלו מנוגדת לפעילות של ציטוקינין ,שמעכב הזדקנות של עלים. כמו כן ,אתילן בעל תפקיד בבקרה על חלוקה של תאים והוא למעשה מעכב התארכות של תאים – פועל בניגוד לאוקסין ,וגם בניגוד לג'יברלין ובראסינוסטרואיד .יש לו תפקיד בקביעת זהות איברי הרבייה )זכרי או נקבי( וכן בגדילה של השורש ותגובות עקה שונות. אוקסין ,במצבים מסויימים ,יכול לעכב התארכות של תאים; הסיבה היא שבריכוזים גבוהים אוקסין גורם ליצירה של אתילן ,שהוא המעכב בפועל את ההתארכות. צמיחה רפרודוקטיבית בצמחים מכוסי זרע יש מעבר מצמיחה וגטטיבית לצמיחה רפרודוקטיבית שמאופיינת בצמיחת פרחים, פירות ,הבשלה של פירות ,התפתחות זרע ,הבשלה של הזרע ונביטה. כל התהליכים האלו מבוקרים על ידי ההורמונים שלמדנו עליהם :לג'יברלין למשל יש תפקיד חשוב במעבר הזה ,כי הוא מעודד מעבר לפריחה .ההשפעה הזו אינה קיימת בכל הצמחים .בארבידופסיס ,בתנאי החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 168 יום קצר יש השפעה של ג'יברלין על הצמחים אבל הם גדלים יותר לאט; בתנאי יום ארוך לעומת זאת הארבידופסיס גדל מהר מאוד אבל לג'יברלין אין השפעה על הפריחה. ההשפעה תלויית מין ותלויה בתנאי בית הגידול. אתילן למשל משפיע על צמיחת הפרחים של אננס; בשדות אננס מרססים באתילן על מנת שהפריחה תהיה אחידה. לאחר ההתפתחות של הפרח יש היווצרות של פרי; הפרי נוצר מעלי השחלה .בעגבניה למשל ג'יברלין ואוקסין יחד מעודדים התפתחות הפרי .בענבים זה רק ג'יברלין; בתותים זה אוקסין .הגילוי הזה מאפשר לנו לייצר פירות חסרי זרע – כי למעשה באופן טבעי ההורמונים מופרשים מהזרע ,אבל אם מרססים את הצמח בהורמון אפשר לייצר פרי ללא שייווצר זרע. במינים רבים של פירות, אתילן מעודד הבשלה של הפרי כפי שציינו; זה מאופיין גם בהופעה של הפלסטידות כרומופלאסטים בהתרככות של וגם הפרי – הנגרמת על ידי פירוק של הדופן. נחזור לאתילן בתחילת המאה ה ,20-הרבה מאוד בתים השתמשו במנורות גז וגם ברחובות פנסים הוארו בגז .כתוצאה מכך הרבה צמחים שגודלו בבית ,או עצים ליד פנסי גז ברחוב ,היו מאבדים את עליהם .אז התגלו זני צמחים שלא היו חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :15ציטוקינינים והורמונים אחרים – המשך 169 רגישים למנורות הגז ואנו יודעים היום שהם פשוט לא רגישים לאתילן – ולכן הם זכו לפופולאריות כצמחי בית. ושוב ביוטכנולוגיה... אתילן גורם לנשירה של עלים כחלק מתופעות ההזדקנות שהוא אחראי עליהם .יש לדבר חשיבות ביוטכנולוגית גדולה :הוא גורם להזדקנות של עלי כותרת ,הבשלה של פירות אחרים כששמים אותם יחד עם בננות )שמפרישות אתילן( ,עטיפות צלופן של פירות מחוררות על מנת לאפשר לאתילן להשתחרר ולא להרקיב את הפירות ,ויש אפשרויות של העלאה בריכוז CO2או הורדה בריכוז חמצן ,וכן פינוי חומרים שונים על מנת להאריך את חיי המדף של פרחים או פירות .יש ענף שלם במחקר החקלאי שנוגע בטיפול תוצרת חקלאית לאחר הקטיף – והרבה מאוד ממנו עוסק במשחק באפקטים של אתילן כדי להאריך את חיי המדף. אפשר לעכב את היצירה של אתילן בעזרת פעולה גנטית – אם מעכבים את האנזים ACC Synthase האתילן לא נוצר ואז אנחנו יכולים לשמור את הפרי ירוק; לקראת ההבאה לסופר מרססים את הפרי באתילן ואז הפרי בשל בעת הרכישה אבל לא ממשיך להבשיל בבית הלקוח ,כי הפרי לא מסוגל לייצר בעצמו אתילן )צמחים כאלה משמשים למשל בארה"ב אך לא בשוק האירופאי(. בצמחים דו פסיגיים ניתן לראות שכאשר הנבט מתחיל לנבוט הוא מוציא שורשון ואז מתחיל להתפתח הנצר; הנצר צומח מכופף – לא ישר – והצורה הזו של כיפוף הנצר מכונה Apical Hookאו "ברך בקיעה" .היצירה של ברך הבקיעה נובעת מאוקסין באיזור של הכיפוף ,כתוצאה יש התארכות של התאים בצד החיצוני ,וכך נוצרת הקרס של ברך הבקיעה. החשיבות היא שהמריסטמה של הנצר לא תשתפשף בקרקע; ההתיישרות מגיעה רק לאחר הבקיעה .בחד פסיגיים המריסטמה קבורה מאוד עמוק ולכן לא מתקיימת ברך בקיעה. התכונה הזו קיימת גם בארבידופסיס; ניתן לגדל נבטים בחושך כדי לדמות תנאי קרקע .נבטים בחושך הם ארוכים יותר כי יש ייצור מוגבר של ג'יברלין .הצמח הזה פשוט מחפש את האור ולכן מתארך. כאשר שמים אותו בכלי סגור ומרססים באתילן מקבלים נבטים קצרים יותר ,עבים יותר ,שיוצרים ברך בקיעה. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 170 דבר כזה קל מאוד לראות ,ולכן אם יש מוטנטים נוכל לזהות אותם בקלות .אם מופיע צמח עם כיפוף ללא טיפול באתילן אנחנו מבינים שזו כנראה מוטציה שבה יש ייצור מוגבר של אתילן או פגיעה במעבר האותות באופן כלשהו כך שיש מעבר אותות אינדוקטיבי – כל הזמן. מוטנטים כאלה באמת שימשו למציאת המסלול של העברת האותות של אתילן .אתילן עובר במערכת עם שני קומפוננטים ,כמו ציטוקינין ,כאשר הרצפטור ,בנוכחות אתילן ,משחרר חלבון המעוכב על ידו במצב של היעדר אתילן ,והחלבון ההזה הוא פקטור שיעתוק שמתחיל לבטא גנים .אם המוטנט פגוע ברצפטור והוא לא מחזיק את פקטור השיעתוק ,אז יש ביטוי אינדוקטיבי של הגנים. באיור משמאל למטה ניתן לראות מסלול הבשלה של עגבניה בזן הבר ובמוטנטים שונים .המסלול הוא אותו מסלול של העברת אותות כמו זה ששולט בהיווצרות ברך הבקיעה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית 171 23.05.2010 שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית חומצה אבסיסטית )(AbA החומצה האבסיסטית ) ,(Abscisic Acid, AbAהיא חומר חיוני בתהליכי התרדמת של הזרעים ושל ההבשלה שלהם .בנוסף היא בעלת תפקיד מרכזי בכל הנוגע לעמידות לתנאי יובש ועקה אביוטית אחרים ,במנגנונים הדומים לאלו הפעילים בזרע )כפי שנראה בהמשך( .כמו כן הם בעלי יכולת בקרה על פתיחה של פיוניות – שוב דבר מהותי בכל הנוגע לבקרה ועמידות לתנאי עקה. חומצה אבססית מצטברת בזרעים המבשילים בשלבים הראשונים של התפתחות הזרע ניתן לראות את תהליכי התבגרות של העובר .ההורמון AbAמתחיל להיווצר בזרע בשלב בו צריך שבזרע יאגרו חומרי מזון שיספקו לו אנרגיה בשלבי הנביטה הראשונית .כמו כן הוא מעודד יצירה של חלבונים ספציפיים הנוצרים בזרעים שיאפשרו להם לעמוד בתנאי יובש.15 כיצד תאים שומרים על חיות בריכוז מים כה נמוך? מכאן ניתן להבין שכנראה יהיו גנים שאחראים על שמירת החיות וכן הורמונים שיישמרו על כך .יש חלבוני תשמורת )כמו הגלוטן( וחומרי תשמורת )כמו העמילן( שנחוץ לאנרגיה .לחלבונים האלה יש תפקיד בעשיית הלחם ,להקניית הגמישות המאפשרת גמישות של הלחם )נרחיב על כך בשיעור על ביוטכנולוגיה( .ישנה קבוצה נוספת של חלבונים שמאפשרת חיות גם בתאים עם 5%מים .התהליך כולו מפוקח על ידי ההורמון AbA .AbAנוצר בזרעים מתפתחים, והרמה שלו נשארת גבוהה כל עוד הזרעים בתרדמה; במעבר לנביטה ניתן להבחין בירידה ברמת ,AbA כפי שנראה בהמשך. הסינטזה של – AbAמוטנטים שמפתחים שורשונים בתרמיל מה קורה בפגיעה של הסינטזה? בתמונה הבאה אנחנו רואים משמאל תרמילים של ארבידופסיס – וניתן 15זרעים מצויים בתנאי יובש משום שהם מכילים ריכוז של 5%מים בלבד ,ויחד עם זאת שומרים על חיות – זאת יודעים לפי מדידת תהליכי נשימה ומטאבוליזם ,שהם קיימים )גם אם מאוד איטיים( .ברגע שהזרע קולט מים הוא מסוגל לנבוט. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 172 לראות שבמוטנט )הימני מביניהם( שלא מייצר AbAהזרעים מתחילים להוציא שורשון כבר בתרמיל. בתמונה הימנית רואים תירס מוטנט שגם בו יש שורשונים מבצבצים .הסיבה היא פגיעה בפקטור שיעתוק שקשור לפעילות של .AbA תופעת נביטת מוקדמת של הזרעים בספרות המדעית מכונה Viviprgוהמוטנטים מכונים .vp-utants המוטנטים ממוספרים וכל מספור פגוע בגן אחר הקשור לתהליך הסינטזה והתגובה של .AbA פגיעה ב AbA-גורמת לנביטה בשלבים מוקדמים מדי כמו בתרמיל או בקרקע כשאין מים .מכאן ניתן להבין את חשיבותו לשמירה על הזרע. יכולת ההשתמרות של הזרעים... בתמונה משמאל רואים דוגמה לזרעים ששרדו לאחר 2,000שנה – זרעים של תמר שנשמרו בתנאים קבועים ונמצאו בחפירות ארכיאולוגיות במצדה. קבוצת חוקרים ניסו להנביט אותם וגם לקבוע בעזרת פחמן רדיואקטיבי את גיל הזרעים די במדוייק .התגלה שגילם היה כ- ,2,000כנראה מהתקופה שמצדה הייתה קיימת ,וכן שאכן הצליחו להנביט אותם. במאמר שלהם ,החוקרים מספרים שהצמח נבט והגיע לגודל הזה תוך 24חודשים ,שזה די דומה לתהליך ההתפתחות של תמר כיום .למרות שהזרעים ישנים התהליך של הנביטה תקין ומתבצע באותו הקצב. הסיבה שהם לא נבטו והשתמרו זמן רב כל כך הייתה כי לא הייתה חשיפה למים ,וזאת בעיקר עקב התנאים המיוחדים של מצדה – היובש הקיצוני והטמפרטורות הגבוהות עזרו לשמור על הזרעים ,בתנאים של מקום אחר אולי לא היו נשמרים .כמו כן יש להם דופן מאוד עבה שעזרה להם להישמר. כשעשו בדיקה גנטית לצמחים שנבטו והשוו עם זני התמרים הקיימים היום ,מצאו שיש לא מעט שוני – הזנים שבוייתו באיזור מדבר יהודה לפני 2,000שנה שונים מהזנים המשמשים כיום. הפרח בתמונה הוא הלוטוס הקדוש – שממנו הצליחו להנביט זרע בן 3,000 שנה .גם הוא זרע שמאופיין בדופן מאוד עבה ויכול לשמור על מצב תרדמה במשך הרבה מאוד שנים .הזרעים האלה שמרו על חיות – נשימה ,חילוף חומרים )איטי מאוד( – במשך אלפי שנים. יש לציין כי במאמר אומרים שלא כל הזרעים נבטו. הקשר בין ABAלג'ברלין כאשר AbAמתפרק וזרע מתחיל לנבוט ,חומרי התשמורת בתגובה מתחילים להתפרק; כתוצאה מתאפשר גידול מהיר יותר של התאים – חלוקה והתארכות ההכרחיים לנביטה .אלו שני תהליכים שנגרמים על ידי ג'יברלין ומעוכבים על ידי .AbA חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית • • • 173 דגרדציה של AbAמעודדת תגובה לג'יברלין וייצור ג'יברלין. קיום AbAמעכב את הג'יבלרין על ידי העלאת ריכוז חלבוני DELLAשמונעים תגובה ל.GA- כמו כן הוא גורם לכך שיהיו הרבה יותר ג'יברלין לא פעילים. בקליטה של מים AbAמתחיל להתפרק ,כתוצאה ריכוז ג'יברלין עולה ,חלבוני DELLA מתפרקים ,וג'יברלין גם מעכב את הייצור של .AbA ראינו אם כן שהחומצה האבססית חשובה לנביטה ,הן בחד פסיגים והן בדו פסיגים ,זאת למרות שמבנה הזרע הוא שונה – בחד פסיג רוב חומרי התשמורת הם באנדוספרם ובדו-פסיג הם נמצאים בפסיגים. הג'יברלין משמש להבשלה של זרעי שיבולת התהליך הזה נחקר בצורה יותר מדוייקת בחד פסיגים .באיור למטה ניתן לראות שיבולת עם זרעים; באמצע התמונה מופיעה תמונת חתך רוחב בזרע של שיבולת .בחתך ניתן לראות שיש אנדוספרם )בבז'( וכן עובר )בירוק( .את האנדוספרם מקיפה רקמה המכונה רקמת האלוירון ) .(Aleuroneרקמת האלוירון היא חד-שכבה המקיפה את הזרע. כאשר נקלט ג'יברלין ברקמת האלוירון – בין אם הוא בא מבחוץ ,דרך רקמות ההובלה בשיבולת ,ובין אם בא מבפנים – נוצר בתוך העובר – מתרחש תהליך של העברת אותות ,דגרדציה של חלבוני DELLA וייצור חלבונים המכונים עמילאזות ) – (amylaseחלבונים מפרקי עמילן .הם עוברים מהאלוירון לאנדוספרם ומתחילים לפרק את העמילן לסוכרים שמשמשים כמקור אנרגיה לגידול הזרע. המחקר הזה נחקר רבות ,בין השאר ,משום שבמשך השנים למדו לקחת זרעים ולבודד מהם את רקמת האלוירון על מנת לשמור אותה בתרבית לזמן ממושך ולבחון מה קורה בתאי הרקמה כשמוסיפים הורמונים שונים ) GAאו .(ABAניתן היה לראות את ההפרשה של אלפא-עמילאזות וכך להבין ,In vitro ,מה קורה בתאים. בדו פסיגים אין רקמת אלוירון; GAשנוצר בעובר גורם לייצור עמילאזות שמפרקות את העמילן בפסיגים .בנוסף יש ייצור פרוטאזות שמפרקות את חלבוני התשמורת ומספקות חומרי בניין ליצירת חלבונים בנבט המתפתח. חוסר יכולת לפרק את חלבוני התשמורת הוא הדבר הגורם למחלת הצליאק. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 174 היבטים ביוטכנולוגיים תהליך זה שקשור ב GA-חשוב בתעשייה לייצור בירה – בהרבה פעמים כשרוצים להתחיל לפרק את העמילן לסוכרים מוסיפים ג'יברלין על מנת לפרק את הסוכרים ואז להתסיס אותם וליצור אלכוהול. תגובות הורמונליות לעקב אביוטית כבר ציינו את העובדה שצמחים קבועים במקומם; עקב עובדה זו ,הם פיתחו לאורך האבולוציה מנגנונים המאפשרים להם לעמוד מול עקות שונות. • עקת טמפרטורות קיצוניות בנוף – כשצמח נמצא בתנאי יובש הוא לא יכול לחפש צל או מקורות מים – הוא חייב להגיב במקום עומדו. כנ"ל לגבי תנאי קור קיצוני וקיפאון. כאשר הטמפרטורות בחוץ גבוהות מאוד צריך מנגנונים שיאפשרו עמידות לחלקים העליונים של הצמח ,כי טמפרטורה גבוהה גורמת דה-נטורציה של חלבונים ואגרגציה של חלבונים ,ולכן צריך לאפשר עמידות או יכולת הורדת הטמפרטורה בתאים. • קרקע ענייה במים או מלוחה – ישנן קרקעות עם ריכוז מלחים גבוה ,דבר שמוריד את פוטנציאל המים ,ואז יש פחות כניסה של מים לשורשים .כך גם ריכוזי מלחים או חוסר במים בקרקע גורמים לתופעה דומה של עקת יובש .גם במצבים של עקת קור יש בעיה של תנועת המים מהקרקע לשורשים ,ולכן התגובה דומה לעקת יובש. • עקת קרינה – צמחים נמצאים באור השמש ועוצמת האור היא בערך 2,000מיקרו-איינשטיין למ"ר/שנייה .הדבר גורם לנזקים במערכת הפוטוסינטטית – שטף הפוטונים חזק מכפי שהמערכת יכולה לקלוט ולהתמודד איתו.כתוצאה מכך יש חזרה של אלקטרונים בתוך המערכת הפוטוסינטטית, דבר המוביל לכלורופילים עם יותר מדי אלקטרונים המותקפים על ידי חמצן אטמוספרי המפרק את הכלורופיל; הביטוי של תופעה זו הוא עלים לבנים. כדי למנוע זאת יש קראטנואידים בכלורופלאסט שמגינים על המערכת הפוטוסינטטית מעודף פוטונים ,אך יש גם אמצעים אחרים שמורידים את הפגיעות – כמו שערות על העלה ,שמחזירות את הקרינה .גם דברים אלו צריכים להיות מבוקרים. • בעיות של זיהום אויר או פציעות התגובות לעקות אלו צריכות להיות מבוקרות כאשר שני ההורמונים העיקריים לכך הם AbA והאתילן. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית 175 ההתמודדות עם עקת המים באופן טבעי ,כפי שראינו בשיעור הייעודי על כך ,פתיחת הפיוניות גורמת לירידה בפוטנציאל המים בנוף – דבר שקורה באופן טבעי על מנת לקיים זרימה של מים מהשורשים אל העלים דרך העיצה בעזרת קוהזיה ואדהזיה )היצמדות מוקלות מים לדפנות; היצמדות מולקולות מים אחת לשנייה(. אולם ,בתנאי עקה של יובש קיצוני ,השארת הפיוניות פתוחות תביא לאיבוד מוגזם של מים .אובדן זה גורם לתנועה מוגברת של המים ,אשר יכולה ליצור בועות אוויר שתחסום את כלי ההובלה .ברקמות הובלה כל הזמן יש בועות אוויר ,ולכן יש חורים בין הטרכאידים שמעבירים את המים מכלי הובלה אחד למשנהו ,כאשר המים עוקפים את האוויר. טרנספירציה חזקה של מים תגרום לאובדן מים ,שיוביל בסופו של דבר ליצירה של בועות אוויר מאויר הכלוא בין מולקולות המים .טרנספירציה קיצונית הייתה סותמת את כלי ההובלה מה שהיה מוביל למותו של הצמח. ל AbA-יש תפקיד חשוב הן בסגירת הפיוניות והן בייצור חלבונים המאפשרים תפקוד בתנאי עקה של מים. סינטזה של ABAמעודדת על ידי עקה כשמדדו את הייצור של ABAבתנאי עקה ראו שהייצור גדל ככל שפוטנציאל המים יורד ,כפי שניתן לראות בגרף; עד טווח מסויים הריכוז של ABAלא משתנה אך מנקודה מסויימת יש עלייה חדה בייצור של ABAוהיצירה שלו היא מאוד מהירה – עניין של דקות – בתגובה ליובש. ההשפעה של ABAבעקה ההורמון ABAמפעיל גנים המקודדים לסוגים שונים של חלבונים .דוגמה לכך היא חלבונים שמונעים אגרגציה של חלבונים אחרים – אלו חלבוני ) HSPsהפועלים בדומה לשאפרונים( .הם נקשרים גם לחלבונים אחרים בממברנה ומונעים מהממברנה לקרוס. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב 176 מבוא למדעי הצמח -הרצאות ישנם חלבונים שיודעים לטפל בצורות של חמצן פעיל )רדיקלים חופשיים( שעשויות להזיק לתא .כמו כן, מתקיימת בקרה על תעלות ) aqua porinsשתפקידן בקרה על תנועת המים בין התווך התוך -לחוץ-תאי( ותעלות יוניות .הם מייצרים גם מולקולות קטנות שנועדו לשמור על התא על ידי בקרה אוסמוטית. אם כן ,יש גנים שונים שאחראים לייצור ,HSPמולקולות בקרת יונים ,חלבונים נגד רדיקלים ,מולקולות בקרה כמו פרולין וסוכרים ,כאשר כל אלו עוזרים להתגבר על מצב של עקה אוסמוטית .גם בזרעים ,כאשר הם נכנסים לתרדמה עם 5%ריכוז מים ,צריך את החלבונים האלה על מנת לשמור על החיות של התאים ולמנוע אגרגציה של החלבונים בזרע ולשמור על חיותו – גם אם בקצב נשימה וחילוף חומרים מאוד נמוך. כיצד ABAמבקר ביטוי של גנים? באיור ,החלקיק הכחול מדמה פקטור שיעתוק ) (TFשמבקר ביטוי של גנים, כשהביטוי גורם לתופעות שצויינו לעיל; פקטורי השיעתוק זקוקים לזירחון על מנת להיות פעילים .הם מזורחנים על ידי קינאז בשם .SnRK כאשר ריכוז AbAנמוך ,יש חלבון אחר שהוא פוספאטאז – – PP2Cפרוטאין פוספאטאז מסוג .2Cהוא מוריד את קבוצות הזרחן מהקינאז .SnRKהדה-זירחון של הקינאז מוריד את יכולת הקינאז לפעילות ,ולכן הוא לא יכול לזרחן את פקטור השיעתוק. כאשר הרצפטור של ABAקושר את ההורמון ,הוא יכול לקשור את הפוספאטאז. כאשר הפוספאטאז נקשר לרצפטור ,PYL1הוא לא פעיל וכעת הקינאז מזורחן ויכול לזרחן את פקטורי השיעתוק ולבטא את הגנים. ABAמסיר את העיכוב של הפוספאטאז ומאפשר זירחון הקינאז ,שמזרחן את פקטורי השיעתוק של הגנים המבוטאים ומבוקרים על ידי .ABA חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית 177 הבקרה של ABAעל סגירה של פיוניות הפיוניות ,בתנאי עקת יובש ופוטנציאל מים נמוך ,נסגרות מהר – בתוך דקות .כעת נבחן כיצד תהליך זה נעשה בתיווכו של ההורמון .ABA מבחינת מבנה ,הפיונית מורכבת משני תאים שומרים שיוצרים פתח ביניהם .הדופן הפנימית של תא השמירה עבה יובש מהדופן החיצונית .מסיבה זו, כאשר יש כניסה של מים לתוך התאים הלחץ פועל כלפי חוץ יותר מאשר כלפי פנים ואז ,משום שהתאים מחוברים בקודקודיהם ,התא נמשך לאחור והפיונית נפתחת. בתנאים של יובש ,צמחים מייצרים מהר מאוד ,ABAכפי שראינו קודם .במצב זה יש יציאה של יונים מתוך התאים השומרים החוצה; בעקבות כך יש יציאה של מים; בעקבות כך יש נפילה בלחץ הטורגור ופתח הפיונית נסגר. התהליכים הכימיים שמעורר ABAבתאי השמירה שימו לב :האיור מציג את ההתרחשות בתא שמירה אחד בלבד אבל יש לזכור שתהליך זהה קורה גם בתא השני. כאשר רמת ABAעולה נגרמת עלייה בריכוז הסידן התוך תאי .לא ידוע כיצד ABAגורם לעליית הסידן – יכול להיות שזה קורה על ידי אותו מנגנון שראינו קודם, פרוטאין קינאז שמפעיל פקטורי שיעתוק מפעיל גם תעלות של סידן ,אבל זה לא ידוע לבטח. עלייה בריכוז הסידן גורמת לפתיחה של תעלות שמוציאות אניונים מחוץ לתא .כמו כן ,בעקבות יציאת האניונים ,כדי להשוות את הפוטנציאל האלקטרוכימי ,יש פתיחת תעלות שמוציאות אשלגן החוצה מהתא .במקביל, הסידן גורם לחסימה של תעלות שמכניסות אשלגן לתא. משום כך יש נטו יציאה של אניונים וקטיונים. עקב היציאה הזו ,פוטנציאל המים עולה .כדי להשוות את פסיי W-המים יוצאים החוצה ,לחץ הטורגור יורד עד שפוטנציאלי המים משתווים והפיונית נסגרת. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 178 מאוחר יותר ,ירידה בריכוז ABAתוריד את ריכוז הסידן ,כשהוא ירד האניונים והקטיונים ייקלטו חזרה בתא והמים נכנסים חזרה פנימה .לחץ הטורגור עולה והפיונית נפתחת. יכול להיות שדרך אותם רצפטורים ,חלבוני PYLשראינו קודם ,נגרם זירחון שמביאה להפעלת תעלות שמכניסות סידן .כך או כך ,הסידן הוא שליח משני בהרבה תהליכים של העברת אותות בתאים ,וישנם חלבונים שרגישים לריכוז התוך תאי של הסידן. כשהחלבונים הרגישים קושרים סידן הם גורמים לפעילויות השונות שראינו – פתיחה של תעלות להוצאת אניונים ,חסימת תעלות כניסה של קטיונים ,וכך הפוטנציאל האלקטרוכימי פותח גם תעלות יציאה של קטיונים )פעולה המשווה את המפל האלקטרוכימי הנוצר עקב יציאת האניונים( ,הורדת ריכוז המלחים בתא ועקב כך יציאה של מים מהתא וירידה בלחץ הטורגור. הוכחת הקשר בין פעילות של ABAוהעלייה בסידן בתמונות הבאות רואים מוטנט בארבידופסיס .המוטנט נסרק לחיפוש לתגובה מוגברת ל .ABA-המוטנט שבודד הוא .era1כאשר לא משקים את הצמחים האלה במשך 3 שבועות ,צמחי הביקורת התייבשו לגמרי והמוטנט נשאר ירוק .הסיבה היא שהוא רגיש ביתר ל,ABA-ולכן הפיוניות שלו נשארו סגורות. כאשר מודדים את ריכוז הסידן בתאים החיים )הגרפים(, ניתן לראות שבצמח ) WTעליון( רואים עלייה בריכוז הסידן בתא כשמטפלים ב 10-מילימולאר .ABAהסיגנל לא נשאר גבוה באופן קבוע ,אלא הוא עולה ויורד בתדרים שונים .בצמח WTשטיפלו בו במינון נמוך יותר )עקום שני( ,לא רואים תגובה. לעומת זאת המוטנט ,גם במינון נמוך ,מפגין פיקים של סידן .משמעות הדבר היא שמשהו קורה במוטנט שמאפשר פתיחת תעלות סידן בריכוזים שלא משפיעים על – WTכלומר הוא רגיש ביתר. המוטנט הזה לא נובט בריכוזים של ABA שלא משפיעים על צמח ה .WT-כתוצאה מכך ניתן להסיק שהבקרה של ABAעל הצמח ועל הזרע גם יחד נעשית במנגנונים דומים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית 179 סיכום האיור משמאל מתייחס בעיקר ל GA-אבל הוא מסכם הרבה ממה שאמרנו על הורמונים והאינטראקציות שלהם .המסר שלו הוא שהורמונים לא עובדים לבד :הם עובדים יחד על תהליכים ,מקדמים אותם יחד, מעכבים האחד את השני. • אם מסתכלים על נבט צעיר, ניתן לראות שאוקסין וGA- מעודדים את הנביטה ,גדילה של תאים .אתילן חשוב ליצירת ברך הבקיעה ולכן חשוב בנביטה GA .ואוקסין בשורש אחראית על גדילת השורש .ציטוקיניןABA , ואתילן מעכבים התפתחות של השורש. • במריסטמה הקודקודית ציטוקינין שומר על זהות תאי הגזע במריסטמה. אוקסין ,במקומות הריכוז שלו ,יוצר עלים ו GA-גורם לדיפרנציאציה של התאים )הפוך מציטוקינין(. • בשלב הוגטטיבי של הצמח ,אוקסין עם ג'יברלין אחראים להתמיינות רקמות הובלה; ציטוק' מעכב את ההתמיינות וכם אתילן מעכב. • במעבר לפריחה GA ,מקדם פריחה במינים מסויימים ,כמו ארבידופסיס בתנאי יום קצר ,וANA- מעכב את הפריחה .נביטה GA ,מעודד נביטה ו ABA-מעכב אותה. הרבה מאוד הורמונים מבקרים את רמת חלבוני ה DWLLA-וכך הם מבקרים את התגובות ל.GA- המערכת עובדת יחד ,הצמח הוא יצור אחד ,וההורמונים עוברים אינטראקציה .מדובר ברשת של סיגנלים ולא מסלול לינארי, שמביאה בסופו של דבר להתפתחות של הצמח. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 180 תגובות של צמחים לאור כבר הכרנו תגובה אחת – פוטוטרופיזם – התופעה שלפיה ובעקבותיה צמחים מתכופפים לכיוון האור .דיברנו על תפקיד האוקסין בתגובה הזו .כעת נרחיב יותר על תגובות לאור. באיור הבא מוצגת שורה של ניסויים בהם הוארו נבטים באורכי גל שונים, ובדקו מה גורם להם להתכופף .ניתן לראות אורכי הגל ,מאדום ועד ירוק, לא גורמים לכיפוף; אורך גל כחול הוא זה שגורם לכיפוף. עובדה זו מרמזת על כך שיש רצפטור ספציפי לאור הכחול .כאשר צמחים נמצאים תחת צל של צמחים אחרים, הם רואים אורכי גל ירוקים ואדומים, ולכן אינם מתכופפים; הרצפטור לאור כחול בעל תפקיד חשוב בבקרה של פוטוטרופיזם ,כפי שנראה בהמשך. מציאת הרצפטור לאור כחול על מנת למצוא את הרצפטורים אפשר למצוא מוטנטים שלא מגיבים לאור הכחול .את הנבטים שבודקים מגדלים בחושך כדי לראות בקלות את התגובה .נבטים שגדלים בחושך הינם בעלי היפוקוטיל ארוך ופסיגים שפונים כלפי מטה. יש לנו נבט שגדל בחושך; כעת מאירים אותו באור כחול חד כיווני .סורקים למוטנטים ומצאו מוטנטים שכשמאירים אותם באור הכחול החד-כיווני אינם מתכופפים לאור ,לעומת ה WT-שכן מתכופפים .המוטנטים כונו בשם הכולל nph = none .phototriphicהמוטנט הזה לא מגיב ,כאמור ,לאור כחול .בצורה זו ניתן היה לחקור את הרצפטורים. החיפוש הוא בנבטים כי אפשר לראות בהם את התגובה בקלות ,שכן אין ענפים שמסתירים את התגובה; אפשר גם לגדל אלפי נבטים בצלחות פטרי ,שזה חשוב כשסורקים ומחפשים מוטנטים נדירים. בצורה זו מצאו שורה של מוטנטים ,ויודעים למשל ש nph1-הוא הרצפטור לאור כחול .הגן nph2מקודד לחלבון שקשור להעברת האותות ו nph4-קשור בתגובות לאוקסין ,הוא אחד מאותם חלבונים Aux/IAA שבמוטנט הוא לא מתפרק ,ולכן אין תגובה צפוייה לאוקסין .בצורה זו ,כשחקרו את המסלולים של החלבונים והגנים האלה ,הוכיחו ש nph1-הוא רצפטור לאור כחול. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :16חומצה אבסיסטית ) (AbAועמידות לעקה אביוטית 181 תנאי יום ארוך ויום קצר האור משמש גם כמדד חשוב מאוד לאורך היממה ובכך לעונה – יותר מדוייק מטמפרטורה שיש לה שונות יותר גדולה .אנחנו יודעים שיש צמחים שעוברים לפריחה בתנאים של יום קצר )כשהימים קצרים לעומת הלילות( וישנם לעומת זה צמחים כמו האירוס או דגניים שפורחים ביום ארוך ,כאשר תקופה האור ארוכה מתקופה החושך .ישנם צמחים גם כמו העגבניה שהם נייטרלים – אורך היום לא משפיע על המעבר שלהם לפריחה. המעבר לפריחה הוא תהליך מורכב מאוד מבחינה התפתחותית ,ומושפע מגורמים שונים ,כאשר האור הוא אחד מהם .בהמשך נראה את המנגנון האבולוציוני שהוביל להתפתחות המנגנונים האלה. דוגמאות ושימושים ביוטכנולוגיים באיור הבא רואים צמח שמגודל בחממה כפרחים ,והם רגישים לאורך יום – כשמגדלים ביום ארוך הם פורחים וביום קצר הם לא פורחים.16 אופן גידול זה יעיל לגידול הפרחים לקראת מכירה – מגדלים אותם בתנאי יום קצר ורק כשרוצים לקטוף אותם משנים ליום ארוך. ישנם גם צמחים אחרים ,דוגמת ה ,Kalanchoe-שלא פורחים ביום ארוך ופורח בתנאי יום קצר. 16שלא כמו ארבידופסיס שייפרח בסופו של דבר ביום קצר ,פרחים אלה לא גדלים בכלל. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 182 פוטופריודיזם – ההסבר האבולוציוני לפוטוטרופיזם הגרף הבא מנסה להסביר את המנגנון האבולוציוני .הגרף מציג את אורך היום בחודשים שונים בשנה באיזורים שונים בעולם )בחצי הכדור הצפוני(. ניתן לראות שבעיר וויניפג ,בצפון קנדה ,בחודש ינואר מספר שעות האור נמוך מאוד – 2-3שעות ורוב הזמן חושך; לעומת זאת בקיץ כמעט ואין חושך ,ורוב היממה נמצאים באור .בשיקגו ,שהיא די בצפון ארה"ב ,גם כן יש בה יותר שעות חושך מאשר אור בחורף ובקיץ היום הוא ארוך משמעותית מהלילה. אולם כאשר מגיעים למיאמי ,שקרובה יותר לקו המשווה ,אורך היום לא משתנה הרבה בין החודשים. הקווים הירוקים מציינים את מספר שעות האור שדרושות על מנת שמיני הפרחים השונים שמצויינים מימין למעלה ייפרחו .אנחנו רואים למשל שהקוקובר ) (Cockleburייפרח רק ב 20-שעות אור ולכן הוא ייפרח רק באיזורים צפוניים כמו וויניפג ולא באיזורים דרומיים יותר .ההגיון הוא שהקור באיזורים האלה בחורף הוא קשה מאוד ולכן בעזרת אורך היום הצמח יכול לזהות את הקיץ ולעבור למצב של פריחה. לעומת זאת צמחים כמו Maryland Mammoth Tobaccoפורח בתנאי 13שעות אור ,והוא לא ממש רגיש לאורך היממה ולכן מתאים להרבה מאוד איזורי גידול – כולל איזורים כמו מיאמי שהם יחסית משווניים. ניתן להסיק כי המנגנון של רגישות לאור התפתח במינים שונים במהלך האבולוציה על מנת להתאים את אותם המינים לאיזורים בהם הם חיים. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים 183 25.05.2010 שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים צמחי יום ארוך ויום קצר בניסוי הבא אנו רואים ניסוי בו לקחו חרצית שגדלה באורך יום קצר ופורחת ,ולא באורך יום ארוך .ניתן לראות שכאשר נתנו הבזק אור בלילה ,מנעו את הפריחה של הצמח .בניסוי מקביל עם אירוס הפורח בתנאים ההפוכים ,הבזק האור הקצר בן כמה השניות גרם לפריחה בתנאי יום קצר .המסקנה מהמחקר היא שמה שקובע הוא אורך תקופת החושך ולא אורך היום; עובדה זו מגדירה את "אורך הלילה הקריטי" ) .(Critical night lengthלמעשה גורמים לצמחים לחשוב שזה תנאי "יום ארוך" ,כלומר שברו את אורך הלילה הקריטי. אורך הגל המשפיע ניסו לבדוק איזה אורך גל משפיע על התגובות האלה )בניסויים השתמשו באור לבן( .בניסוי הבא נתנו הבזקים באורכי גל אדומים .בהבזק אור אדום במשך זמן קצר קיבלו מעבר לפריחה באירוס ואי -פריחה בחרצית .אורך הגל של האור האדום הוא 600-700ננומטר )מסומן ב.(R- בהמשך )עמודה רביעית( ראו שאם נותנים הבזק של אור אדום ומספר דקות אחריו אור אדום רחוק )שאורך הגל שלו הוא 700-800ננומטר ,מסומן ב (FR-מקבלים עיכוב פריחה בצמחי יום ארוך ופריחה בצמחי יום קצר ,כלומר חזרנו לתנאים המקוריים. הבזק של אור אדום רחוק מבטל את ההשפעה של האור האדום – הצמחים חוזרים למצב כאילו תקופת החשיכה שלהם לא נשברה. בהמשך )עמודות חמישית ושישית( המשיכו ונתנו את ההבזקים לסירוגין וראו שמה שקובע הוא ההבזק האחרון .יש להדגיש שההבזקים צריכים להינתן בהפרשים של דקות – אם ממתינים שעות זה לא עובד. יש לציין גם שאם היו נותנים רק הבזק של אור אדום רחוק הצמח היה ממשיך להתנהג כאילו הלילה היה ארוך. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 184 השפעת זווית הפגיעה של הקרניים על יחס אור אדום /אדום רחוק כאשר בוחנים את חדירת קרני השמש באטמוספרה ,רואים שזווית הזנית ) (Zenithחוצה את האטמוספרה בזווית חדה ,ועובדה זו ,יחד עם הרכב האטמוספרה ,יוצרת יחס אור אדום לאור אדום רחוק שהוא נמוך יחסית. באמצע היום ,בשל הזווית הישרה יחסית ,היחס בין האור האדום לאדום הרחוק הוא גבוה – יש יותר אור אדום כי המרחק דרך האטמוספרה קצר יותר .בערב שוב מקבלים יחס נמוך. אלו העובדות הפיזיקליות של כדור הארץ שמראות שלאורך היממה קריאת היחס בין אדום לאדום רחוק נותנת יכולת לקריאה מדוייקת של אורך היממה .עובדה זו מתחברת לכך שבמהלך האבולוציה התפתחו מנגנונים המאפשרים לצמחים להרגיש את אורכי הגל ולהגיב להם. השפעת היחס על תופעות שונות במינים רבים של צמחים )זרעי חסה באיור( רואים שבחושך הם לא נובטים ,במתן הבזק אור אדום הם כן, ואם נותנים לסירוגין אור אדום גורם לנביטה ואור אדום רחוק מעכב נביטה. עוד תופעה שמוכרת מצמחים היא הימנעות מאור – אנחנו רואים שכאשר נבט נמצא תחת צל של עלה אחר הוא קולט כמות אור אדום מסויימת ,נמוכה יותר מאשר אם היה חשוף לקרינה ,זאת משום שהאור האדום נבלע בכלורופיל של העלה שמעליו .בליעה זו עוזרת להתפתחות של הנבט ,שצריך את קרינת האור האדום הרחוק להתפתחותו. תופעת הavoidance- shade והתפתחות ההיפוקוטיל תלויה באורך הגל .הגרף )בעמוד הבא( מתאר את רמת העיכוב של הגדילה של חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים 185 ההיפוקוטיל .ניתן לראות שעיכוב התגובה החזק ביותר הוא באור אדום ,קרוב לאיזור האור האדום הרחוק אך לא בתוכו ,בעוד שניתן לראות בבירור שהעיכוב יורד למינימום בטווח האור האדום- הרחוק. פוטורצפטורים לאור אדום /אדום רחוק עולה השאלה ,האם יש פוטו-רצפטורים לנושא? האם אלו שני רצפטורים ,האחד לאור אדום והשני לאור אדום רחוק ,או שמה זה פוטורצפטור אחד שבמצב אחד בולע אור באורך גל אדום ובמצב שני בולע אור באורך גל אדום רחוק? נא להכיר :פיטוכרום האפשרות השנייה הסתברה כנכונה ,ואותו רצפטור מכונה פיטוכרום .הפיטוכרום הם קבוצה של רצפטורים )יש לפחות חמישה חלבונים בקבוצה זו( והוא מורכב בצורה הבאה :החלבון בנוי כדימר של שתי תת יחידות זהות )הומודימר( .כל תת יחידה מורכבת משני מתחמים עיקריים :האחד הוא זה שבולע את האור ) (photoreceptor activityוהמתחם השני פועל כפרוטאין-קינאז ,חלבון שמזרחן חלבונים אחרים .הפעילות של פיטוכרום כקינאז תלויה בשאלה האם הוא בלע אור אדום או אור אדום רחוק. הקבוצה שבולעת את האור האדום והאדום הרחוק הן לא חומצות אמיניות של הרצפטור ,אלא חומצות האמינו משמשות ליגנדים במתחם הפוטורצפטור לקישור של מולקולה שהיא זו שבולעת את האור .איזור פעילות הפוטורצפטור קושר מולקולה שבולעת את האור ,בדומה למערכות הפוטוסינטטיות ששם יש החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 186 חלבונים שקושרים כלורופילים ומציבים אותם בזוויות מסויימות .המולקולה הזו היא הכרומופור, שיכולה לבלוע אור אדום ואור אדום רחוק .התצורה )קונפורמציה( של הפיטוכרום שקולטת אור אדום מכונה ;Prהתצורה שקולטת אור אדום רחוק מכונה .Pfr התפקיד של פיטוכרום כמתג תאורה מה הופך את הפיטוכרום למתג המופעל באור אדום ואור אדום רחוק? בקונפורמצית Prפיטוכרום בולע אור אדום ומשנה את הקונפורמציה שלו והופך להיות .Pfrקונפורמצית Pfrהיא הצורה הפעילה של הרצפטור .קונפורמצית Pfrלעומת זאת ,למרות היותה הקונפורמציה הפעילה ,בולעת אור אדום רחוק וכאשר היא עושה זאת הרצפטור עובר לקונפורמציית Prשהיא הקונפורמציה הלא-פעילה ,שבולעת אור אדום ,כאמור. הפיטוכרום קיים בשתי קונפורמציות: • Prהיא הקונפורמציה הלא פעילה והיא בולעת אור אדום והופכת לקונפורמצית .Pfr • Pfrהיא הקונפורמציה הפעילה ומפעילה את הפעילות הביולוגית – למשל מעבר לפריחה או נביטה של זרעים .היא בולעת אור אדום רחוק ואז עוברת חזרה לקונפורמצית .Pr המעבר בין הקונפורמציות הבקרה על מעבר הקונפורמציות מורכבת וקורית בשלוש רמות של בקרה: • אור אדום רחוק משנה את הקונפורמציה של Pfrל Pr-והופך את הפיטוכרום הפעיל ללא פעיל. • כאשר צמחים נמצאים בחושך לזמן רב ,עם הזמן Pfrהופך ל Pr-בתהליך slow conversion in ) darknessבחלק מהצמחים(. • בחלק מהפיטוכרומים במשפחה ,ידוע שכאשר הם במצב Pfrהם הופכים להיות לא יציבים ומתפרקים מהר מאוד במערכת היוביקוויטינציה .הדבר גורם לכך שרמת ה Pfr-תמיד תהיה נמוכה .הפירוק מתרחש לאחר זמן פעילות בן כמה דקות. • יש לזכור כי מדובר בחלבון אחד שפועל כמתג שמושרה על ידי האור. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים 187 • Prהיא הצורה שוקלטת אור אדום אבל אינה פעילה .היא הופכתל Pfr-שקולטת אור אדום רחוק והיא הצורה הפעילה. • העובדה ש Pfr-יכולה לקלוט אור אדום רחוק גורמת לקונפורמציה זו להפוך חזרה ל.Pr- עם השנים למדו לבודד פיטוכרומים מהצמח ,להאיר אותו באור אדום ואור אדום רחוק ,ולמדוד את ספקטרום הבליעה של כל מצב. בשחור מופיע ספקטרום הבליעה של Prובאדום הספקטרום של .Pfrניתן לראות בגרף הוכחה לכך שכאשר החלבון מואר הוא יכול לעבור בין שני המצבים. מציאת הפעילות הפרוטאין-קינאזית לפיטוכרום כאמור יש שני מתחמים ,האחד שקושר את הפיגמנט שבולע את האור – הכרומופור; והשני פועל ככקינאז, כלומר הוא קולט ATPומזרחן חלבונים אחרים. במשך זמן רב לא היה ידוע שלפיטוכרום יש פעילות של קינאז, עד שקבוצה של חוקרים גילתה שיש פיטוכרומים גם בחיידקים .הפיטוכרומים האלה היו דומים לאלו של הצמחים, במערכת החיידקית גילו שיש להם פעילות קינאז וכשבדקו חזרה בצמחים גילו שגם לפיטוכרומים של הצמח יש פעילות של קינאז. בירור הפעילות של פיטוכרום בצמחים בודדו מוטנטים של ארבידופסיס על מנת לחקור הפעילות. את בארבידופסיס ניתן לזהות בקלות רבה את השינוי בין צמחים שגדלים באור לאלו שגדלים בחושך ,וניתן לסרוק אוכלוסיות גדולות של נבטים בארבידופסיס למציאת מוטנטים. בגדילה בחושך מזהים תסמינים של היפוקוטיל ארוך ,בפסיגים יש אתיופלאסטים ואין התפתחות רבה של עלים .כאשר הנבטים גדלים באור מקבלים פוטו-מורפו-גנזה ,הפסיגים ישרים וירוקים – מכילים כלורופאסטידות ,יש התפתחות של פיוניות ועלים ,ההיפוקוטיל קצר – קל לראות את ההבדלים בין האוכלוסיות. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 188 אנחנו מחפשים מוטנטים שגדלים בחושך אבל נראים כמו נבטים שגדלו באור – היפוקוטיל קצר, פסיגים רחבים ופיתוח עלים .העלים לא יהיו ירוקים כי הסינטזה של כלורופיל תלויה באור ,ולכן לא יהיו כלורופלאסטים בעלים ,אבל הפסיגים של המוטנטים עדיין פרושים והם מתחילים לפתח עלים. בנוסף לכך ,עם השנים גילו גנים שהביטוי שלהם מושרה על ידי האור ,ולכן אפשר היה לסרוק צמחים שגם כאשר מגדלים אותם בחושך מבטאים גנים שמושרים על ידי האור ,או לחילופין צמחים הגדלים באור ומבטאים את הגנים או שמהווים פנוטיפ של צמחים שגדילים בחושך )היפוקוטיל ארוך ,פסיגים סגורים וכדומה(. הפעילות של הפיטוכרום באיור ניתן לראות צמחים סקוטומורפוגנים בחושך( )שגדלו מצד שמאל ופוטומורפוגנים )שגדלו באור( בצד ימין .למעלה רואים את הפיטוכרום על צורתו כהומודימר .רואים אותו קשור לכרומופור ורואים את שינוי הקונפורמציה בין שני מצבי הבליעה. במצב הלא פעיל של החלבון הוא נמצא בציטופלזמה ,במצב הפעיל הוא נכנס לגרעין. בתוך הגרעין יש כמה פקטורים שמונעים את המעבר לפוטומורפוגנזה כאשר הצמחים נמצאים בחושך. למעשה המנגנון פועל על ידי ביטול הפעילות של פקטורי עיכוב מעבר לפוטומורפוגנזה הפעילים בתנאי חשיכה. אחד הפקטורים האלה הוא חלבון בשם ) .COP1 (constitutive photomorphogenesisהפקטור הזה גורם לכך שהחלבונים המופיעים בירוק ,שהם פקטורי שיעתוק שאחראים על הגנים לפוטומורפוגנזה, יעברו פולי-יוביקוויטינציה ופירוק .17הפעילות של Pfrכקינאז גורמת ל COP1-לעבור שינוי קונפורמציה שמוציא אותו מהגרעין .היציאה שלו מהגרעין משחררת את פקטורי השיעתוק מהפירוק המתמיד ,ולכן הם יכולים לגרום לפוטומורפוגנזה. כמו כן Pfrנקשר לחלבונים PIFו ,PIL-העוברים זירחון ועוברים לפולי-יוביקוויטינציה בפרוטאוזום. החלבונים PIFו PIL-אחראים על עיכוב של התגובה לאור ,ולכן הפירוק שלהם ,יחד עם הפעלה של החלבונים המעוכבים על ידי ,COP1מאפשרת את המעבר לפוטומורפוגנזה. במוטנטים של pfrהחלבונים אינם מפורקים גם בחושך ולכן מקבלים פוטומורפוגנזה גם בחושך. 17במוטנטים ל cop1-אין פירוק של פקטורי השיעתוק ולכן מקבלים פוטומורפוגנזה בחושך ,ומכאן נובע שם המעכב – כי במצבו המוטנטי הוא מביא לפוטומורפוגנזה קונסטיטוטיבית ,תמידית. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים 189 הפעילות בנביטה התאים בצמחים אינם פועלים על בסיס הורמון אחד בלבד; קיימת רשת של תגובות לרשת ההורמונים והרצפטורים .כעת נראה כיצד הפעלת הנביטה נובעת מהשפעה על התגובות ל) GA-ג'יברלין( ולABA- )חומצה אבסיסטית(. ה GA-גורם לפירוק של חלבוני ה .DELLA-חלבונים אלו פועלים כמעכבים של תגובות ל.GA- בשחור מופיעים מספר שמות של חלבוני .DELLA בצהוב מופיעים חלבונים המעכבים את המעבר לנביטה .ביטוי חלבונים אלו ,בריכוז GA נמוך ,מעודד על ידי חלבוני ) DELLAבמנגנונים שכבר למדנו(. בחושך ,חלבון PIL5גורם לביטוי של חלבוני ה .DELLA-ההפעלה שלהם מעכבת את ההופעה של GA פעילים .הם מעכבים את התגובות ל GA-ולכן מעכבים נביטה .במקביל הם מעלים את ריכוז ה,ABA- אשר מעכב נביטה גם כן )מפעיל את החלבונים הצהובים(. כאשר מאירים באור אדום ,פיטוכרום עובר ל Pfr-ונכנס לגרעין .שם הוא גורם לפירוק של החלבון .PIL5עם הפירוק ,הגנים של חלבוני ה DELLA-לא מתבטאים .ברגע שהם לא מתבטאים אין מה שיעכב את היצירה של GAולכן רמתם עולה; כמו כן יש ירידה ברמת ה.ABA- פיטוכרום במצב Pfrעובר אינטראקציה עם GAו ABA-על ידי בקרה על רמת חלבוני הDELLA- בתאי הזרע .הוא מפסיק את ביטויים ובכך מגביר ביטוי GAומקטין ביטוי ,ABAמה שמביא לתוצאה הכוללת של עידוד המעבר לנביטה. הבדלים בתגובות לאורך היממה התגובות תלויות בפעילות של מחוון פנימי שהוא השעון הביולוגי .נחזור שוב לפרחים שפורחים באורכי לילה ארוכים לעומת כאלה שפורחים בלילות קצרים. ניתן לראות שכאשר נותנים לצמח כמו הקאלאנכויה 18 הבזק של אור בשעה מסויימת לא קורה דבר; כשנותנים הבזק בשעה אחרת יש עיכוב של הפריחה )גרפים בעמוד הבא(. 18פרח יום קצר שפורח כאשר הלילות ארוכים מסף מסויים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב מבוא למדעי הצמח -הרצאות 190 כשחקרו את העניין יותר לעומק שהתגובה הסתבר של עיכוב הפריחה תלויה בשעה ביממה בה נותנים את הבזקי האור .יש שעות בהן אין תגובה )השפל של הגרף( ויש בהן שעות כן מקבלים תגובה )השיאים של הגרף( .משמעות הדבר היא שלצמחים יש אוסילטור כלשהו ,קצב פנימי שבו הם יגיבו חזק יותר או פחות .המקצב הפנימי הזה מכונה ,Circadian Rhythmusכאשר המקור מלאטינית משמעו "כמעט יום". בכל האאוקריוטים בהם נחקר הנושא נמצא שקיימים המנגנונים האלה .אצלנו הם אחראים לקצב פעימות הלב ,לחץ דם ,דחף מיני ,עייפות – מנגנונים רבים בגוף מבוקרים על ידי זה ,כמו שיודע כל מי שחווה עייפת )ג'ט לג( .המנגנון התגלה לראשונה בצמחים לפני כמה מאות שנים .המחזורים האלה הינם באורך של פחות או יותר 24שעות )לא בדיוק ,מכאן לקוח השם"כמעט יום"(. יש לנו מנגנון של שעון פנימי שפועל כל הזמן בהתאם לתגובות מהסביבה ומתאם בין התהליכים התוך-תאיים להתרחשות שמחוץ לגוף – שינה מול עירנות ,מעבר לפריחה וכדומה. בצמחים ,תהליכים כמו המעבר לפריחה, תנועה של עלים ,פתיחה וסגירה של פיוניות, ביטוי של גנים – כל אלו מבוקרים על ידי השעון הביולוגי. החוקר שגילה את התופעה הוא חוקר גרמני בשם דה-מיירן ) ,(de Mairanאשר בחן עציץ בביתו וראה שהתנועה של העלים של הצמח נמשכת גם כאשר הצמחים נמצאים בחשיכה. דה מיירן מדד את הדברים על ידי חיבור העלה לחוט ,שחובר למוט ,שעליו עיפרון, שמשרטט על גליל .הוא קיבל אוסילציות על גבי נייר הגליל שמתעדות את התנועה .גם בטכניקות של היום מתקבלת אותה תוצאה. חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים 191 השעון הביולוגי – אוסילטור פנימי מתכוונן מדובר באוסילטור פנימי והריתמוסים שלו נמשכים כל הזמן ,גם בהיעדר גירוי חיצוני .צמחים כמו הקאלאנכויה הינם בעלי ריתמוס פנימי בו הם רגישים להארה – למרות שהם היו כל הזמן בחושך. האוסילטור הפנימי עובד במחזורים בני 21-27שעות ,אולם התנאים הסביבתיים יכולים להשפיע על האוסילציות – כך למשל אחרי כמה זמן שנמצאים בארה"ב היעפת נעלמת ,כי האוסילטור מתאם את עצמו. התיאוריה לגבי מנגנון הפעילות של השעון הוא שפקטור מסויים,A , מעורר תגובות שונות – ביטוי גנים, תגובות פיזיולוגיות כמו תנועת עלים וכדומה .אחד מהדברים שהוא מפעיל הוא פקטור שנכנה ,Bשהוא מעכב את הפעילות של פקטור .Aכלומר כאשר Aמעורר תגובה הוא יוצר את Bשמעכב אותו .אם יש הפרש בזמן בין היצירה של Aליצירה של B אנחנו מקבלים ריתמוס אוסילטורי. בצמחים מצאו כבר לפני כמה שנים בארבידופסיס מוטנטים שהתאימו למנגנון; גן מסויים התאים לרעיון פקטור ,Aהוא עורר תגובה ויצר שני פקטורי שיעתוק שעיכבו את התגובה שלו .הכל היה טוב ויפה עד שמתמטיקאים שמו את הרעיון במודל עם פרמטרים וניסו לבדוק האם הפרמטרים יכולים ליצור אוסילציות כאלו; התשובה הייתה שלילית ,כלומר ,המנגנון המעגלי הפשוט הזה לא יכול להביא לאוסילציה .המודל המתמטי צפה שכדי לקבל אוסילציות צריך לפחות עוד מסלול נוסף. בנוסף למסלול הזה של פקטור שמפעיל תגובה ויוצר פקטור שמעכב אותו ,חייב להיות מעגל נוסף .בהמשך הסתבר שיש אפילו עוד שניים ,אם לא שלושה מעגלים: יש מעגל אחד שפועל בחושך והשכם בבוקר ,מעגל שפועל במשך היום ,מעגל שפועל בלילה ומעגל אחרון שפועל במעבר בין הלילה לשעות הבוקר המוקדמות. מעגלים אלו מפעילים את השעון הביולוגי במערכת מורכבת. דרך המחקר בצמחים הבינו את עקרונות הפעולה של השעון הביולוגי גם בבעלי חיים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב 192 מבוא למדעי הצמח -הרצאות השפעות הסביבה על הריתמוס התגובה ,בין שהיא ביטוי גן או תנועה של עלים ,בעלת תדירות מסויימת כאשר נותנים אור רציף וחלש )מצד ימין של הגרף(. כאשר משנים את משטר ההארה למשטר אור וחושך כל שש שעות ,אנו רואים שהתנועה האוסילטורית נשמרת אולם יש שינוי בתדר: התגובות מתואמות לגירוי החיצוני. לשינוי הזה של השעון לתנאים החיצוניים קוראים .entrainment of the circadian rhythmsאנחנו עוסקים בכמה סוגים של התאמה: • אמפליטודה – מידת התגובה לשינוי. • נקודות הפאזה – שינוי בפאזה ,שהתדר יתחיל בנקודה מסויימת ולא באחרת. • התדירות של התגובה. הגרפים מראים צמחים שגדלו ב 12-שעות חושך ו12- שעות יום ,ואז מעבירים אותם לחושך רציף .ניתן לראות שהתדירות יורדת – בהתחלה היה כל 24שעות ולאחר מכן כל 26שעות. אם מגדלים צמחים לאורך זמן בחושך ,רואים שהאוסילטור ממשיך לפעול אבל האמפליטודה הולכת ויורדת – למשל יש מעט שינויים בביטוי של הגן אבל הם פחות בולטים ,או שהתנועה של העלים נחלשת. לפעמים מקבלים גם שינוי בפאזה – ניתן לראות שבעצם התדירות והאמפליטודה נשמרו אבל התגובה מתחילה ונגמרת בזמנים שונים .השינויים האלו בפאזה הם מה שמאפשר לנו להתגבר על יעפת ,וזה מה שאנו מכנים .entrainment חמוטל בן דב החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , שיעור :17השעון הביולוגי של צמחים 193 מנגנון שעון הפוטוכרומים השונים ,הרצפטורים לאור כחול – כולם יחד משפיעים על השעון הביולוגי .הן הפוטוכרומים והן CRY1ו CRY2-משפיעים על האוסילציות האלו .גם אצלנו יש רצפטורים לאור כחול שהם האחראים לשעון ,והם דומים מאוד לפוטורצפטורים הרגישים לאור כחול שקיימים בצמחים. החוג לביולוגיה ,אוניברסיטת תל אביב2010 , חמוטל בן דב
© Copyright 2024