ארבידופסיס. כמו צמחים אחרים, פיתח יכולת להתמודד עם שינויים פתאומיים בעוצמת האור, צילום: מכון ויצמן למדע כשנוהגים במכונית לא מומלץ, בלשון המעטה, ללחוץ בעת ובעונה אחת על דוושת הדלק ועל הבלמים. מדעני מכון ויצמן למדע גילו כי דווקא הצמחים נוהגים כך בחלק מתהליכיהם החיוניים.
פרופ' אביחי דנון מהמחלקה למדעי הצמח והסביבה וחברי קבוצתו, החוקר הבתר-דוקטוריאלי ד"ר ארז אליהו ותלמידי המחקר דאז עידו רוג וענבל דנגור, בחנו את המנגנונים השולטים בצמח בהפקת עמילן - הפחמימה הנפוצה ביותר במזון האדם המצויה בכמויות גדולות במזונות בסיסיים כגון אורז, תפוחי אדמה ותירס. הצמח מתחיל לייצר עמילן ברגע שבו אור השמש מפעיל בבוקר את הפוטוסינתזה ומפסיק את הייצור בערב.
» רוצים לקבל עדכונים נוספים? הצטרפו אלינו לפייסבוק המתג המולקולרי אשר מפעיל את ייצור העמילן ידוע למדע כ-40 שנה. מדובר באנזים המופעל, באמצעות שורה של חלבוני בקרה, באמצעות קבלת אלקטרונים הנוצרים בתהליך הפוטוסינתזה. במחקר חדש, שפורסם באחרונה בכתב-העת המדעי רשומות האקדמיה למדעים של ארה"ב, PNAS, דיווחו מדעני המכון כי גילו את מתג הכיבוי של תהליך זה, בניסויים בצמח הדומה לחרדל, הקרוי Arabidopsis,שבאמצעותו האנזים מאבד אלקטרונים וחדל מפעולתו. הם פיענחו את שרשרת האירועים המולקולריים המובילים לכיבוי: הפחתת האור גורמת לחלבון איתות קטן הקרוי ACTH4 לאבד אלקטרונים, דבר הגורם לו לשלוח איתות "הפסק" לאנזים שאחראי להפקת העמילן.
היכולת להפסיק במהירות את הפקת העמילן בעת הצורך הינה חיונית לתפקודם התקין של מנגנוני הצמח. הייצור הזה חייב לחדול עם הפסקת האור, כדי שבשעות הלילה יוכל הצמח לפרק את העמילן ולנצל את חומרי הפירוק לצמיחה ולהתפתחות. אם ההפקה לא תיפסק, עלול הצמח להיכנס למחזור עקר ובזבזני בו הוא ימשיך להרכיב את העמילן בחזרה מחומרי הפירוק שלו במקום להשתמש בהם לצרכי קיום, גדילה והתפתחות.
למדענים שבחנו את מנגנון הכיבוי הזה ציפתה הפתעה: מנגנון הכיבוי נשאר פעיל ברמה נמוכה במשך כל היום אפילו כאשר השמש זורחת והפוטוסינתזה פעילה. כאילו הצמח מנהל את הפקת העמילן שלו בכך שהוא לוחץ באותו זמן על דוושת הדלק ועל הבלמים: הוא מפעיל את הייצור אך גם בולם אותו. כאשר הוציאו המדענים את ה"בלמים"מהצמח באמצעות הנדסה גנטית, הוגברה ההפקה בכמעט 20%. הדבר מצביע על כך שיעילות הפקת העמילן עומדת על כ-80% בלבד מפני ש"דוושת הבלמים"פעילה כל הזמן. בעתיד, ייתכן שאפשר יהיה להגדיל את הפקת העמילן בגידולים חקלאיים בהתבסס על התובנות החדשות.
מדוע הצמחים פועלים בדרך כל-כך לא יעילה? המדענים סבורים שגישה בזבזנית לכאורה זוהינה למעשה חלק בלתי נפרד ממנגנון הסתגלות אבולוציוני. מכיוון שהעוצמה של האור ושל הפוטוסינתזה משתנות לעיתים במהירות במשך היום, חייב הצמח לשנות בהתאם את קצב חילוף החומרים שלו. כך קצב ייצור העמילן חייב להיות מותאם לעוצמת הפוטוסינתזה, כדי שהחומרים טעוני האנרגיה הנוצרים באמצעותה ימצאו שימוש מהיר – אחרת, כמויות גדולות של מולקולות חמצן פעילות הקרויות רדיקלים חופשיים, אשר נוצרות כתוצר לוואי של הפוטוסינתזה, יצטברו במהירות ויגרמו נזק לצמח.
הלחיצה הכפולה על דוושות הדלק והבלמים מאפשרת לצמח לשלוט באופן מהיר ומדויק על ייצור העמילן - באמצעות ההתאמה היחסית של עוצמות הלחיצה על שתי ה"דוושות". יתר על כן, הלחיצה הקלה והמתמדת על "דוושת הבלמים" משאירה מקום להאצת הייצור כאשר אור השמש מתעצם בפתאומיות. בניסוייהם מצאו המדענים כי כאשר עוצמת האור גברה באופן פתאומי, גבר בהתאמה גם ייצור העמילן.
אילו הצמחים היו מנהלים את הפקת העמילן שלהם ביעילות מירבית כל הזמן, הם לא היו יכולים להגדיל אותה במהירות הנדרשת והיו מתים מעודף רדיקלים חופשיים בזמן הגברה פתאומית של הפוטוסינתזה. הלחיצה על שתי הדוושות במקביל הינה חלק מהמנגנונים שאיפשרו לצמחים לשרוד במשך מאות מיליוני שנים בסביבה המשתנה לעיתים קרובות באופן בלתי צפוי.
