לפצח את הפאזל של גנום חיטת הבר

כולנו מכירים את המראה המרהיב של שדה חיטה הממתין לקציר, כולו שיבולים שיבולים זקופות ועמוסות גרעינים. מסתבר, שהחיטה לא תמיד נראתה בדיוק כך. לדברי המדענים, השיבולים המאוגדות הן תוצר של תירבות החיטה בידי האדם עם התפתחות החקלאות, לפני כ-10,000 שנה בלבד. תכונה זו היא ההבדל המרכזי בין החיטה התרבותית שנקצרת בידי אדם, לבין אמה הקדמונית, חיטת הבר – ששיבוליה מתפרקות ומפיצות את הזרעים לכל עבר, כדי  שינבטו במרחק זה מזה בעונת הגשמים הבאה.

במחקר פורץ דרך הצליחו עתה חוקרים במכון לחקר הדגנים שבפקולטה למדעי החיים ע"ש ג'ורג' ס.וייז באוניברסיטת תל אביב, בהובלת ד"ר אסף דיסטלפלד, לרצף את גנום חיטת הבר, ולאתר בו שתי מוטציות גנטיות האחראיות על תכונת השיבולים המאוגדות. "מצאנו ששתי המוטציות הללו קיימות בכל זני החיטה התרבותית שגדלים היום ברחבי העולם, אך לא קיימות בחיטת הבר," אומר ד"ר דיסטלפלד. "שתי המוטציות הן ממש כמו לוגו, סימן מסחרי של חיטה תרבותית."

המחקר פורץ הדרך בוצע עם החברה הישראלית NRGene מנס ציונה, ועם מעבדות מובילות בגרמניה, באיטליה, בקנדה, בישראל ובארה"ב. הוא התפרסם בכתב העת המדעי  Science - מהיוקרתיים והחשובים ביותר בעולם.  

אחד מן הגנומים המורכבים בטבע

תחילתו של המחקר פורץ הדרך בפיצוחו של גנום חיטת הבר בעזרת אלגוריתם חדשני של החברה הישראלית NRGene מנס ציונה. "גנום החיטה נחשב לאחד המורכבים ביותר בטבע - 17 מיליארד אבני בניין (נוקלאוטידים/אותיות) בחיטת הלחם ו-12 מיליארד בחיטת הבר ובחיטת הדורום (פסטה) - לעומת 3 וחצי מיליארד בלבד בגנום של האדם," אומר ד"ר דיסטלפלד. "במהלך העשור האחרון ניסו חוקרים בכל העולם, מגובים בתקציבי עתק, לרצף את גנום החיטה, אבל התוצאות היו חלקיות בלבד. הטכנולוגיה של NRGene איפשרה לנו באוניברסיטת תל אביב, בתקציבים מוגבלים יחסית, להרכיב סוף סוף את הפאזל של גנום חיטת הבר."

מסביר הדוקטורנט רז אבני, מעורכי המחקר: "כשמרצפים את ה-DNA בטכנולוגיה המקובלת, מקבלים מספר רב של רצפי DNA קצרים, באורך של 250 אבני בניין (אותיות) כל אחד. התוכנה של NRGene איפשרה לנו לבנות מהרצפים הקצרים הללו רצפים ארוכים הרבה יותר – 7,000,000 אבני בניין בממוצע. כעת ביקשנו לסדר את הרצפים הארוכים בסדר הנכון, על מנת לבנות את הגנום השלם. לשם כך פיתחנו במעבדה שלנו מה שמכונה במדע 'אוכלוסיה גנטית': 150 פרטים שהם צאצאים של שני הורים חיטה תרבותית וחיטת בר.  מיפינו את האוכלוסייה הזו בעזרת אלפי סמנים גנטיים, ויצרנו מהם מעין 'עוגנים', שהתוו את סדר הרכבתם של הרצפים הארוכים. בסופו של דבר בנינו כ-90% מגנום חיטת הבר: כ-10.5 מיליארד אבני בניין שמכילות  65,000 גנים (לעומת 20,000 גנים בגנום האנושי)."

ההבדל בין חיטה תרבותית לחיטת הבר

כעת ניגשו החוקרים אל השאלה הבאה: מה תפקידם של הגנים השונים, ובעיקר, אילו הם הגנים האחראים על תכונות שייחודיות לחיטה? "התכונה הראשונה שחיפשנו בגנום הייתה זו שמבדילה בין החיטה התרבותית לחיטת הבר: איגוד הזרעים בשיבולים לעומת התפרקות השיבולים ופיזור הזרעים," אומר ד"ר דיסטלפלד. "לשם כך חילקנו את האוכלוסייה הגנטית שלנו לכמה קבוצות: צמחים שירשו את תכונת איגוד השיבולים, לעומת כאלה ששיבוליהם מתפרקות או מתפרקות חלקית. השוואה בין ה-DNA של הקבוצות השונות חשפה שתי מוטציות ספציפיות, שמצויות רק בחיטה בעלת שיבולים מאוגדות."

כדי לוודא שאלה אכן המוטציות האחראיות על תירבות החיטה בראשית ימי החקלאות, בחנה הדוקטורנטית מורן נוה 113 צמחי חיטת בר ממקומות שונים במזרח התיכון – מישראל ועד תורכיה, אירן, עירק וסוריה, מול 94 זנים של חיטה תרבותית מכל העולם. והתוצאות היו חד משמעיות: שתי המוטציות נמצאו בכל זני החיטה התרבותית, ובאף אחת מחיטי הבר.

"מבחינתנו זהו רק צעד ראשון," מסכם ד"ר דיסטלפלד. "באמצעות הכלים שיש בידינו היום, ואף הופצו לכל העולם, נוכל לאתר בגנום החיטה גם גנים האחראים לתכונות נוספות - כמו ערך תזונתי, יצרנות (יבול), עמידות בפני מזיקים, עמידות בפני תנאי אקלים משתנים כמו קור, חום ויובש ועוד. מידע זה צפוי לשמש בסיס חיוני לשיפור עתידי של זני החיטה שמגדל האדם - כמענה מרכזי לאתגר קריטי ביותר: הזנת האנושות במאה ה-21."