מהנדסים צמחים

מראשית בריאת העולם ועד להופעתו של עובד האדמה הראשון, הוכתבה התפתחותם של הצמחים על-ידי כוחות האבולוציה בלבד. התבססותה של החקלאות העתיקה והמודרנית הביאה לשינויים מכוונים בשיטות של הכלאה וברירה של זנים מובחרים מתוך מגוון מצומצם יחסית של מיני צמחים. מזה שני עשורים משביחים גנטית סוגי צמחים שונים באמצעות הנדסה גנטית. היכולת להעביר גנים בין צמחים מסוגים שונים, בין חיידקים לצמחים ואף מבני האדם לצמחים, מטשטשת את הגבולות שבין ממלכות החי והצומח.

בשלהי חודש מארס השנה נאלצה חברת שוקולד ידועה משוויץ, להורות על החזרת מלאי השוקולד והורדתו ממדפי החנויות. ההוראה לא נבעה, כפי שקורה לעתים, עקב גילויו של זיהום בחומרי הגלם, ולא מחשש לפגיעה מכוונת בתהליך הייצור או כתוצאה מנזק תעשייתי אחר. החוק השוויצרי, האוסר על שיווק מוצרים מהונדסים גנטית או על שימוש במוצרים אלה כמרכיבי ייצור במוצרי מזון, הוא זה שהביא להורדת סדרת הייצור מהמדפים. השימוש בלציטין, אחד ממרכיבי השוקולד, שמקורו בזרעי סויה שעברו השבחה באמצעים של הנדסה גנטית, פסל את השוקולד למאכל אדם.

מקרים דומים של חרם צרכני על מוצרים שהושבחו בשיטות של הנדסה גנטית (בעיקר צמחים מהונדסים) ידועים בארצות-הברית, בבריטניה וביתר ארצות אירופה. בגרמניה, מקום הולדתה של תנועת ה"ירוקים" (המטיפה כנגד טכנולוגיות עתידיות, פגיעה באדמה ובטבע או התערבות ביוטכנולוגית בחי ובצומח), מלווה לעתים ההתנגדות למוצרים מהונדסים באלימות והשחתה, בעיקר של שדות מחקר בהם נערכים ניסויי שדה בצמחים מהונדסים. ההתנגדות הזאת לוקה לעתים בחוסר הבנה של התהליכים הביולוגיים המעורבים בפיתוחם של צמחים מהונדסים ובאופיים של הצמחים האלה.

עד לעת האחרונה התבסס הטיפוח לקבלת זני צמחים חדשים בעיקר על ההשבחה הקלאסית שבסיסה הטכני-מדעי הוא סדרת הכלאות בין מינים וזנים קרובים. כתוצאה מההכלאות הללו מתקבלים עשרות, מאות ואף אלפי צאצאים שונים, שעליהם מבצע המטפח תכנית של סלקציה (ברירה) לצמחים הנושאים את התכונות הרצויות. תכנית טיפוח כזו, המבוססת על הכלאות וסלקציה של צאצאים, נמשכת זמן רב, ודורשת שטח נרחב ומספר רב של עובדים. בנוסף לכך, התכניות הללו מוגבלות למאגר הגנים. הזמין של כל מין מסוים, ובדרך כלל אינן מאפשרות, להעביר גנים בין צמחים ממינים שונים. חיסרון נוסף של השיטה הוא אובדנן של תכונות חשובות המצויות באחד ההורים, ושלא תמיד עוברות לצאצאים, עקב הריבוי המיני המתבצע במהלכה.

טיפוח זנים חדשים באמצעות טכניקות של הנדסה גנטית עשוי לענות על חלק מהבעיות המתעוררות בהשבחה הקלאסית. הטיפוח מתבצע מעשית בדרך כלל בזנים מובחרים, אשר בנוסף לכל תכונותיהם הטבעיות ישאו גם גן נוסף בודד שישפר את תכונותיהם.

השימוש בכלים מולקולריים המאפיין את ההנדסה הגנטית, מאפשר לגשר בין מיני צמחים רחוקים, כלומר מאפשר את הגדלת מאגר הגנים הזמין העומד לרשות המטפח (להבדיל ממאגר גנים מצומצם הקיים בהכלאות בין מינים קרובים). ההתפתחות המהירה שהתרחשה בשלושים השנים האחרונות: פענוח מבנה ה-DNA, הבנת תפקידם של גנים בקביעת תכונות ופיתוח כלים לזיהוי, בידוד ושיבוט. גנים, מאפשרת כיום להעביר גנים בין קבוצות ביולוגיות שונות ואף בין מינים השייכים לממלכות שונות, כגון, בין צמחים וחיידקים.

מספר מערכות להחדרת גנים לצמחים קיימות כיום, והעיקרית והחשובה שבהן מבוססת על חיידק בשם אגרובקטריום (Agrobacterium). יכולתו הטבעית של החיידק להעביר מקטעי DNA לתאי צמחים, פתחה צוהר לתקופה חדשה שבה הטיפוח עובר מהחממות, חלקות הזרעים והמטפחים הקלאסיים למעבדות, תרביות רקמה, ולמהנדסים הגנטיים.

מאז שנצפו החיידקים לראשונה על-ידי אנטון וון לוונהוק בשנת 1683, ומאז הגילויים של לואי פסטר וחוקרים אחרים על מעורבותם בגרימת מחלות, נתפסים החיידקים, בעיני הציבור, כגורמי מחלות וכיצורים מסוכנים. אך במקביל לקיומם של סוגי חיידקים אשר גורמים למחלות אצל האדם ובעלי-חיים, קיימים מינים רבים שלא רק שאינם גורמי מחלה אלא אף משמשים בתעשיית המזון (כגון בני הסוג באצילוס, Bacillus, המשמשים בתעשיית מוצרי חלב מותססים), בתעשיית הטקסטיל (באצילוס סובטיליס, Bacillus subtilis), בתעשיית התרופות ועוד.

מיני צמחים שונים נתקפים אף הם בידי מגוון נרחב של חיידקים גורמי מחלות. מבין אותם סוגי חיידקים גורמי מחלה בצמחים קיים סוג חיידק בעל ביולוגיה מעניינת וייחודית. ביולוגיה זו, המכוונת במהותה לגרימת מחלה בצמחים, מנוצלת כיום בידיו של המהנדס הגנטי דווקא לשם שיפורם של מיני צמחים. חיידק זה ידוע בשם הלטיני אגרובקטריום (Agrobacterium).

האגרובקטריום זוהה כבר בשנת 1931, והעניין הראשוני בו התעורר בשל היותו גורם מחלה בעל השלכות כלכליות בעגבניות, בגפנים, בוורדים ועוד. נמצא, שחיידק האגרובקטריום המצוי באופן טבעי בקרקע, תוקף אזורים פצועים בצמחים וגורם להיווצרותה של רקמה דמוית סרטן באזורים אלו. רקמה זו המוכרת בשם "עפץ" (crown gall), גדלה בצורה בלתי מבוקרת וחסרת מבנה מוגדר. מחקר מדוקדק יותר הראה, כי רקמה זו יכולה לייצר חומרי מזון עתירי חנקן הידועים כאופינים (opines), המנוצלים על-ידי החיידק, אך לא על-ידי הצמח, כמקור לחנקן. הפניית תוצרי ההטמעה (פוטוסינתזה) של הצמח לכיוון גדילת העפץ ויצירתם של האופינים, גורמת לפגיעה בצמיחתו הטבעית של הצמח, לירידה בכמות ובאיכות יבולו, ולעתים אף גורמת למותו.


בשנת 1982, עם התפתחותו של המחקר המולקולרי, התברר כי האגרובקטריום גורם לשינוי גנטי ברמת ה-DNA בצמח המותקף - תהליך הידוע בשם התמרה (טרנספורמציה) גנטיתהתמרה (טרנספורמציה) גנטית. זאת בניגוד למיני חיידקים אחרים הנוקטים באסטרטגיות אחרות של תקיפת רקמות צמחיות, תוך ניצול תרכובות קיימות בצמח, ללא "הפניית" כושר הייצור של הצמח לייצר תרכובות הנחוצות להם. למעשה, חיידק האגרובקטריום הוא החיידק היחיד הידוע כמסוגל להתערב גנטית במסלולי המטבוליזם הצמחי.

חיידקי האגרובקטריום הם בעלי מבנה מאורך אופייני. בהגיעם אל רקמה צמחית פצועה הם נצמדים אליה, כשלב מקדים להתמרה. בתמונה, שצולמה במיקרוסקופ אלקטרוני, ניתן להבחין במספר רב ביותר של חיידקי אגרובקטריום המצטופפים סביב הרקמה הצמחית.
צילמה: נעמי בהט. עיבוד: צילי סדובסקי

חיידקי אגרובקטריום ברקמה צמחית - (באדיבות Dr. Kapilla J. and Van Montagu M. אוניברסיטת גנט, בלגיה).

המרכיב החשוב ביותר המצוי בחיידק האגרובקטריום, ושבלעדיו מאבד החיידק את יכולתו לתקוף צמחים, הוא מולקולת DNA גדולה ומעגלית הנושאת גנים מסוימים. מולקולות DNA מעגליות הן מבנים המאפיינים חיידקים רבים, והן ידועות בשם "פלסמידים". כאשר התגלו לראשונה פלסמידים ספציפיים אלו באגרובקטריום הם זכו לשם "פלסמידי Ti" (במקור Tumor inducing plasmids כלומר: "פלסמידים גורמי עפצים").

התקדמותו של המחקר המולקולרי והטכניקות שעמדו לרשות החוקר המולקולרי מצד אחד, והעניין הגובר בחיידק ה"משונה" הזה מצד שני, הביאו לזיהוים של שני אזורים עיקריים וחשובים על פניהם של פלסמידי ה-Ti; האזור הראשון כונה בשם T-DNA ("דנ"א עובר") והשני בשם אזור ה-vir - "האזור האלים" (virulence region).

חיידק האגרובקטריום ופלסמיד ה-Ti; חיידקי אגרובקטריום גורמי מחלה נושאים בתוכם, פרט למטען הגנטי הטבעי שלהם (הכרומוזום), גם פלסמיד גדול בשם פלסמיד Ti. פלסמיד זה נושא על פניו את האזור התוקפני (אזור ה-vir) האחראי על העברת ה-T-DNA לתאי הצמח. התבטאותם של גנים שונים המצויים על-פני ה-T-DNA בתאי הצמח, מביאים להתמיינותו של העפץ וליצירתם של האופינים, המנוצלים על-ידי החיידק בתרכובות מזון.
איור: דני גרשוני

חיידק אגרובקטריום הנמצא בסביבת צמח פצוע עובר שורה של תהליכים המעבירים אותו ממהלך חיים וגטטיבי, שבו החיידק מתרבה באיטיות, ללא קשר ישיר לצמחים, לאורח חיים תוקפני (וירולנטי) בו החיידק משקיע את מרב משאביו בתקיפת הרקמה הפצועה, בשינויה הגנטי ובניצולה לשם יצירת האופינים הנדרשים לו כמזון.

תהליך התקיפה מתחיל כאשר החיידק חש בקרבתו רקמה צמחית פצועה (כתוצאה מפגיעת חרקים, מכרסמים ואף ציוד מכני חקלאי). באמצעות קולטן מיוחד המצוי על-פני תא החיידק והקרום שלו מזהה החיידק תרכובות שונות המופרשות מרקמות צמחיות פצועות. הקולטן הזה מפעיל את האזור התוקפני (אזור ה-vir) המצוי על פני פלסמיד ה-Ti בסיוע מרכיב מולקולרי חיידקי המצוי בתוך תא החיידק. הפעלתו של האזור התוקפני גורמת לשורת תהליכים שבמהלכה משכפל החיידק את ה-T-DNA, עוטף אותו בחלבונים המגינים עליו מפני פעולתם של אנזימים צמחיים המעכלים DNA זר, יוצר תעלה מחברת בינו לבין תא המטרה הצמחי, מעביר את מקטע ה-DNA העטוף לגרעין התא הצמחי, ומביא להשתלבותו עם ה-DNA של התא הצמחי.

תהליך העברת ה-T-DNA מהאגרובקטריום לתא הצמחי. בתהליך זה מעורבות מולקולות צמחיות וחיידקיות הקושרות את החיידק לתא הצמחי (שלב 1) תרכובות מסוימות המופרשות מתאי צמח פצועים (שלב 2) מפעילות את האזור התוקפני (אזור ה-Vir) שעל-פני פלסמיד ה-Ti (שלב 3). כתוצאה מההפעלה, משכפל החיידק את מקטע ה-T-DNA (שלב 4), עוטף אותו בחלבונים מגינים, ומעבירו דרך תעלה מיוחדת אל תוך התא הצמחי (שלב 5) ומשם אל גרעין התא הצמחי (שלב 6). השתלבותו של ה-T-DNA ב-DNA התא הצמחי הוא השלב האחרון בתהליך הפיכתו של תא צמחי טבעי לתא מותמר (טרנסגני (שלב 7).
איור: דני גרשוני

לאחר ההשתלבות, עוברים הגנים שעל פני מקטע ה-T-DNA תהליכים הגורמים לשינויים בתאי הצמח: הם מקודדים לאנזימים הפעילים בייצור של שני הורמונים צמחיים עיקריים, האוקסין והציטוקינין. רמתם של ההורמונים האלה מבוקרת ברקמות שונות בצמח לא מותמר, ותפקידם יחד עם הורמונים צמחיים נוספים, הוא לקבוע את האופי והקצב של התפתחות הרקמה הצמחית. אולם גני ה-T-DNA גורמים לייצור מוגבר ולא מבוקר של ההורמונים, שמביא לחלוקת תאים נמרצת ולא מבוקרת, ולבסוף להיווצרותו של העפץ. ה"גידול" הזה מהווה אתר נוח לגדילתם ולהתרבותם של חיידקי האגרובקטריום, הנהנים ממקור מזון עתיר חנקן בדמות האופינים, אשר ייצורם מוכתב על-ידי גן נוסף המצוי על פני ה-T-DNA. חיידקים בעלי פלסמידי Ti המביאים להתמיינותו של עפץ כונו "חיידקים סרטניים" (אונקוגניים), בשל אופיה הסרטני של רקמת העפץ.

תצפיות ובחינות מולקולריות הראו כי גזעי אגרובקטריום שונים, הם בעלי פלסמידי Ti שונים המייצרים אופינים שונים, אך בכולם מסלול העברת ה-T-DNA ואופן פעולתם של גני ה-T-DNA בצמחים דומים. יתרה מכך, התברר כי מקטע ה-T-DNA הוא מקטע מאוד מוגדר, שמאופיין בשני רצפים התוחמים אותו משני עבריו. רצפים אלו, המכונים "הגבול הימני" ו"הגבול השמאלי", הם הגורם היחיד המכתיב את זהות ה-T-DNA, כלומר רק מקטע DNA המצוי בין הגבולות הללו מועבר לתאי הצמח ולא מקטעי DNA המצויים מחוץ לגבולות. החלפת מקטע ה-T-DNA המקורי של החיידק בכל מקטע DNA אחר תוך שמירה על מבנה הגבולות, אינה פוגעת ביכולתו של החיידק להעביר מקטע זה אל תאי הצמח וכן אינה פוגמת בהשתלבותו של המקטע בגנום הצמחי. יחד עם זאת, ברור כי אם מקטע ה-T-DNA המקורי הוחלף באחר, הרי שהגנים המתערבים בייצור האוקסינים והציטוקינינים אינם קיימים יותר, ותוצאתה של העברת המקטע החדש אינה כרוכה בהיווצרותו של עפץ. למעשה, ההעברה אינה כרוכה בשום שינוי במופע הצמח אלא במטענו הגנטי בלבד, כלומר בהתמרתו.

המהנדס הגנטי יכול בצורה הזו להחדיר כל רצף DNA מהונדס במקום מקטע ה-DNA החיידקי המקורי, ובסיועו של האזור התוקפני להעביר מקטע זה לתא הצמחי. אם על-פני ה-DNA המהונדס יימצא גן לתכונה חדשה (כגון גן שזוהה כרעלן נגד חרקים, גן נגד תקיפת פטריות וכדומה), הרי שהתא המותמר יהיה שונה גנטית מיתר התאים, בכך שיבטא את אותה תכונה חדשה.

מבנה אופייני של פלסמיד Ti טבעי ומהונדס
פלסמידי Ti טבעיים נושאים T-DNA סרטני. מקטע זה נושא מספר גנים המתערבים במסלול ייצור ההורמונים הצמחיים בתא המותמר. בין הגנים מבחינים בגנים לייצור אוקסין, ציטוקינין ואף גן לייצור אופינים. בפלסמידי Ti מהונדסים הורחק ה-T-DNA הסרטני ובמקומו מצוי T-DNA מלאכותי, המגודר על-ידי גבול ימני ושמאלי, על-פני פלסמיד אחר. החלפתם של הגנים הסרטניים בגנים אחרים אינה פוגעת ביכולתו של החיידק להעביר את הגנים הללו לתא הצמחי, וזאת בתנאי שגנים אלו יימצאו בין הגבול הימני והשמאלי. מקטע T-DNA מהונדס, המשמש להתמרת מינים צמחיים, נושא על-פי-רוב גן מדווח, גן לסלקציה ואת גן המטרה, הנושא תכונה צמחית רצויה.
איור: דני גרשוני

בתחילת דרכם השתמשו הביולוגים המולקולריים בפלסמידי Ti, אשר אזור ה-T-DNA המקורי שבהם הוחלף בגנים הרצויים. הפלסמידים הללו נקראו פלסמידים קואינטגרטיביים ואפיינו אותם גודלם העצום, והעובדה שהאזור התוקפני שלהם ואזור ה-T-DNA נמצאו שניהם על אותו הפלסמיד. גודלם העצום של הפלסמידים והקשיים הטכניים שבהחלפת מקטע ה-T-DNA המקורי ב-DNA שנושא את הגנים הרצויים, הביא לפיתוחם של פלסמידים מהונדסים אשר מקטע ה-T-DNA הסרטני שבהם הורחק לגמרי. פלסמידים אלו נושאים על פניהם רק את האזור התוקפני, ומאחר שבפלסמידים האלה חסר מקטע ה- T-DNAהסרטני הם קיבלו את השם "פלסמידים לא חמושים" (disarmed plsamids). ברור, כי חיידק אגרובקטריום הנושא פלסמידים לא חמושים אינו מסוגל לבצע תהליך של התמרה מאחר שהוא אינו נושא מקטע T-DNA. לשם השלמת התמונה פותחו פלסמידים נוספים, קטנים יותר, הנושאים על פניהם מקטע DNA המוגבל בשני עבריו בגבול ימני ושמאלי (גבולות שרצפיהם דומים לרצפים התוחמים T-DNA סרטני) ללא אזור תוקפני. הפלסמידים האלה נקראו פלסמידים בינאריים, והם מאפשרים להעביר במערכת של חיידק המכיל בנוסף להם גם פלסמיד לא חמוש, את מקטע ה- T-DNAשעל פניהם אל התא הצמחי, וזאת באמצעות פעילותו של האזור התוקפני המצוי על הפלסמיד הלא חמוש.

בצורה זו החיידק המהונדס אינו נושא יותר את הגנים הטבעיים, המאפשרים לו לגרום למחלה ובמקומם הוא מכיל גנים אחרים, שמקורם עשוי להיות בצמחים, בפטריות, בחיידקים אחרים, בבעלי-חיים וכדומה. למעשה, החיידק פועל כאן ככלי להחדרתם של הגנים הרצויים לתאים צמחיים, ובסוף פעולתו הביולוגית ניתן להיפטר ממנו באמצעים שונים. צמחים מהונדסים, שהתקבלו בעזרת חיידק האגרובקטריום, אינם נושאים בתוכם חיידקים. "שאריות" או סימנים כלשהם לקיומו של החיידק.

סילוקם של הגנים הסרטניים מונע, כאמור, את היווצרותו של העפץ, ולמעשה, פעולת החיידק אשר אינו יוצא נשכר מהתהליך, מסתיימת בחדירתו של ה-T-DNA המהונדס והשתלבותו בגנום הצמחי. הימצאותם של תאים מותמרים ברקמה צמחית פצועה אינה מספיקה לשם התפתחותו של צמח מהונדס. תהליך ההתמרה הוא, למעשה, הנדבך הראשון ביצירתם של צמחים מהונדסים. בשלב הבא, צריך הביולוג המולקולרי למצוא דרך שתאפשר התמיינות צמח חדש ושלם מתאים בודדים. אם הצמח החדש שייווצר יתמיין מתא מותמר, הרי שתאיו ואיבריו השונים יכילו כולם את מקטע ה-DNA הזר, את הגנים המצויים על פניו, ולמעשה יכיל הצמח גנים חדשים.

השיטות לקבלת צמחים חדשים ושלמים מרקמות ותאים בודדים פותחו כבר לפני למעלה משלושים שנה. השיטות הללו מבוססות על היכולת הבסיסית המאפיינת צמחים (ושאינה קיימת אצל מרבית מיני בעלי-החיים) לפתח רקמות, איברים ואף צמחים שלמים תוך ארגון מחדש של תאים ממוינים. השיטה שבעזרתה ניתן לרבות, להשרות התמיינות מחודשת (רגנרציה) ולהשפיע על קצב ההתמיינות וכיוונה במיני צמחים שונים, היא חלק מתחום רחב במדע הביולוגי, הידוע בשם תרביות רקמה של צמחים.

רגנרציה של צמחונים חדשים בתרביות רקמה של צמחי צפצפה וציפורן; רגנרציה של ניצנים מרקמות צמחיות היא תנאי בסיסי לקיומה של מערכת התמרה יעילה. גבעולי צפצפה וציפורן הגדלים בתנאים סטריליים בשיטות של תרביות רקמה אינם מתפתחים על-גבי מצע מזון רגיל. תוספת של ציטוקינין מביאה להתמיינות נמרצת של ניצנים חדשים אל פניהם. ניצנים אלו, המופרדים מרקמת האם, עשויים להשריש בתנאים מקדימים ולהתפתח לצמחונים שלמים. צמחונים אלו זהים לחלוטין לצמח האם שממנו נלקח מקטע הגבעול. רגנרציה במינים שונים יכולה להתרחש מרקמות שונות.
צילמו: צביקה צפירה ועופר תבל

בתרביות רקמה של צמחים משתמשים באיברי צמחים וברקמותיהם (עלים, מקטעי גבעול, עלי כותרת מפרחים, מקטעי שורש, תאים בודדים וכדומה) הגדלים בתנאים סטריליים (ללא נוכחותם של חיידקים או פטריות מזהמות) על-גבי מצעי מזון מלאכותיים. מצעי המזון מכילים בדרך כלל מקור פחמן, חנקן, ויטמינים ומלחים שונים החיוניים לגידולה ולהתפתחותה התקינים של הרקמה הצמחית. באמצעות תוספות חיצוניות של הורמונים צמחיים ניתן להשפיע על התפתחותה של הרקמה, ואף לגרום להתמיינותם של איברים צמחיים, כגון ניצנים או שורשים מאותה רקמה. כך לדוגמה, תוספת של הורמון הצמיחה ציטוקינין למצע הגידול גורמת על-פי-רוב להתמיינותם של ניצנים על פני רקמת עלה טבק או על מקטעי גבעול של עץ הצפצפה. לאחר שחותכים ומרחיקים את הניצנים החדשים מרקמת האם, ומעבירים אותם למצע מזון חדש, המכיל תוספת של אוקסינים, מתמיינים מהניצנים האלה שורשים המאפשרים את התפתחותו של צמחון חדש ושלם. עליו או גבעוליו של הצמחון החדש יכולים לשמש אף הם כמקור לקבלת ניצנים וצמחונים חדשים, באותה שיטה של תרביות רקמה. הצמחונים המתקבלים מרקמת אם בשיטה של תרביות רקמה, זהים לחלוטין לצמח האם ולכן הם מהווים למעשה שבט (clon) של צמחים הזהים גנטית, ופנוטיפית.

תרביות רקמה ותוספות הורמונליות במצע המזון מאפשרות אם כן, את התמיינותו של צמח חדש מתא או ממספר תאים בודדים. לכן השימוש ברקמה שנחשפה לפעולתו של חיידק אגרובקטריום הנושא פלסמיד לא חמוש ופלסמיד בינארי בעל T-DNA, המכיל גן בעל תכונה צמחית חדשה, תביא להתפתחותם של צמחים חדשים מותמרים, ולקבלתם של צמחים מותמרים.

המטפח המולקולרי צריך לפתור שתי בעיות נוספות בבואו להתמיר מין צמח נתון בסיוע חיידק האגרובקטריום. עקב הרחקתם של הגנים הסרטניים והחלפתם ב- T-DNA, הנושא גן בעל תכונה צמחית רצויה, נעלם הסמן הפנוטיפי (הביטוי החיצוני) האופייני להתמרה - העפץ, ולכן קשה לקבוע אם היה אירוע התמרה או לא. השימוש בתרביות רקמה להשראת ההתמיינות אנו נותן יתרון לתאים המותמרים לעומת אלה שאינם מותמרים. כתוצאה מכך רק מיעוטם של הצמחים החדשים מותמר, ורובם דווקא מתמיינים מתאים שלא עברו התמרה. מספר קטן זה נובע מאופיו הטבעי של החיידק, אשר אינו תוקף את כל תאי הרקמה אלא רק מספר תאים מועט יחסית, ומהעובדה כי רק בכאחוז מכלל התאים שלגרעינם חדר ה- T-DNAהאיחוי עם ה-DNA הצמחי הוא יציב. לכן, נוצר הצורך למצוא דרך לשפר את יעילות תקיפת החיידק שמתבטאת באירועי התמרה ולאפשר יתרון לתאים מותמרים על-פני תאים שאינם מותמרים.

השימוש ב"גן מדווח" מאפשר למטפח לבחון כבר בשלבים מוקדמים מאוד את יעילותה של פעילות החיידק, כלומר את מספר אירועי ההתמרה, להחליט על שיפור טכניקת הפגשת החיידק והרקמה הצמחית (אילוח), וכן לחשב את סיכויי האיחוי היציב. גן מדווח הוא גן המאפשר ניטור מהיר ונוח לאירועי ההתמרה. אחד הגנים השימושיים ביותר ידוע בשם GUS. כשהגן הזה נמצא בתאים צמחיים על מצע מתאים, הוא נותן צבע כחול. השימוש בו מאפשר, כעבור זמן נתון ממועד האילוח, להעריך את יעילות ההתמרה, ולבחון אם החיידק אכן תקף את הרקמה הממיינת.

בתמונות: חיידקי אגרובקטריום מראים יכולת התמרה יעילה של עוברי אורן ירושלים. עם זאת, הצבע הכחול האופייני לגן המדווח GUS ששימש בתהליך הזה, מתמקד בעיקר בבסיס העובר, אזור שאינו מהווה אתר רגנרציה לצמחונים (המתמיינים דווקא מהפסיגים) (A). על המהנדס הגנטי לבסס מערכת רגנרציה מאזור בסיס העובר, או לחילופין למצוא דרך להדבקתם של הפסיגים תוך שימוש בטכניקת פציעה שונה, מצע מזון משופר או שימוש בגזע אגרובקטריום שונה. לעומתם, צמחוני צפצפה טרנסגניים (B) המכילים את הגן המדווח, מבטאים צבע כחול חזק בעלים ובגבעולים.
צילם: צביקה צפירה

יש דרכים שונות להגביר את יעילות ההתמרה, וביניהן פציעה אינטנסיבית של הרקמה, הוספת מרכיבים שונים למצע לשם עידוד תוקפנות החיידק, שימוש בחיידקים מגזעים שונים, שימוש ברקמות ובמצעי מזון שונים ועוד.

כדי לתת יתרון לתאים מותמרים על-פני תאים שאינם מותמרים במהלך חשיפת הרקמה למצע הרגנרציה, משתמש המהנדס הגנטי בגן נוסף הידוע בשם "גן לסלקציה" (גן ברירה). גני הברירה מבוססים במקורם על גנים המקנים עמידות לאנטיביוטיקות שונות. תוספת אנטיביוטיקה למצע הרגנרציה לאחר פעילות ההתמרה של החיידק, תגרום למותם של כלל התאים שאינם מותמרים. לעומתם תאים מותמרים, הנושאים את הגן לעמידות לאנטיביוטיקה, ישרדו, ובבוא העת יתפתחו לצמחונים חדשים. בצורה זו מספרם הכולל של הצמחים המתמיינים אמנם קטן אך במקביל, עולה שיעור הצמחים המותמרים מתוך כלל הצמחים החדשים.

השפעתה של הסלקציה מודגמת יפה בניצנים של צמחי ציפורן. צמחונים אלו נחשפו לרמות גבוהות של אנטיביוטיקה ורק צמחון יחיד מתוך קבוצה של כשישה צמחונים שהתמיינו ממקטעי גבעול מאולחים באגרובקטריום, מציג עמידות לאנטיביוטיקה. למעשה, הוא צמחון מותמר.
צילם: עמיר צוקר

השפעת הגן המדווח והגן לסלקציה על רגנרציה של צמחונים מותמרים
(צילמו: צביקה צפירה ועמיר צוקר)
מקטעי גבעולים של צפצפה, אשר נחשפים בתרביות רקמה למצע מזון, ממיינים מספר רב של ניצנים על פני שטח פניהם (A). תוספת של אנטיביוטיקה למקטע שעבר אילוח עם חיידק אגרובקטריום הנושא גן מדווח וגן לעמידות אנטיביוטית, הקטינה בשיעור גבוה את מספר הניצנים המותמרים. שלושה ניצנים מותמרים נצבעו לפעילות הגן המדווח בעוד שרקמת האם שלא הותמרה, נותרה ללא צבע (B).

מגוון הפונדקאים המוגבל ורגישותם הנמוכה של מיני דגניים רבים ומספר עצים מחטניים להדבקה באגרובקטריום, חייבה פיתוח אמצעים חלופיים לשימוש בחיידק, כאמצעי להחדרת גנים למיני הצמחים האלה. ואמנם, פרט לאגרובקטריום קיימים מספר אמצעים נוספים להחדרת גנים למיני צמחים. השיטה העיקרית מבוססת על הפגזה של רקמות צמח חיות במולקולות DNA, שיטה הידועה בשם biolistic.

בשיטה הזאת משתמשים במכשור המאפשר הפגזה של חלקיקי טונגסטן או זהב (רובה חלקיקים), בסיוע לחץ גז גבוה או אבק שריפה, עטופים במולקולות DNA הנושאות את הגנים הרצויים ישירות אל תאי הרקמה הצמחית. חלקיקי המתכת חודרים דרך דופן התא הצמחי וה-DNA עובר איחוי עם הגנום הצמחי. לאחר רגנרציה ניתן לקבל צמחונים מותמרים בשיטה זו. שיטות נוספות מבוססות על הזרקה ישירה של מולקולות DNA לתוך תאים, החדרה של DNA בסיוע זרם חשמלי או חומרים כימיים שונים, איחוי של תאים צמחיים עם שלפוחיות מלאכותיות המכילות DNA ועוד. שיטות אלו הן בעלות יעילות נמוכה בהשוואה לאגרובקטריום, אך בפיתוח טכנולוגי מתאים ניתן לשפרן.

למעלה: תהליך ההינדוס של הצמח מורכב ממספר שלבים: (1) אילוח של הרקמה הצמחית (כגון דסקיות עלים) באגרובקטריום. (2) העברתה של הרקמה, לאחר תקופת הדגרה עם החיידק, למצע מזון המכיל גורם סלקציה (אנטיביוטיקה). (3) התפתחותם של תאים מותמרים הנושאים את הגן לסלקציה והתמיינותם לצמחונים. (4) השרשתם של הצמחונים וגדילתם. הצמח המהונדס יהיה זהה לצמח המקור פרט לתכונות החדשות.
אייר: דני גרשוני

צמחים מותמרים, שהתקבלו בסיוע אגרובקטריום או בשיטות אחרות, יכולים בעיקרון להכיל מגוון נרחב של תכונות חדשות. תכונות שונות הוחדרו למינים שונים בשיטות של הנדסה גנטית והתוצאות מגוונות. למשל, עגבניות בעלות חיי מדף ארוכים, צמחי סויה ותפוחי אדמה עמידים לחרקים, צמחי טבק המייצרים אינטרפרון אנושי, צמחים עמידים לקוטלי עשבים ווירוסים, מיני צפצפה בעלי קצב גדילה מואץ ובעלי תכולת ליגנין מופחתת, פרחי פטוניה בעלת גוני צבע שונים ועוד.

מאגר הגנים העומדים לרשות המהנדס הגנטי מתרחב מיום ליום ואיתו גם האמצעים הטכניים לבידודם, לשיבוטם ולשינויים. כבר היום ניתן, לפחות ברמה הטכנית, להחדיר כל גן מבודד למספר רב של מיני צמחים. גנים המבודדים מרקמות של בעלי-חיים ניתנים לביטוי, אם כי בשינויים מסוימים, בתאי צמחים. ביטוים של גנים ממוצא חיידקי (כגון עמידות לאותם חומרי אנטיביוטיקה ולרעלים כנגד חרקים) וממוצא וירלי קיים כבר מספר שנים במספר מיני צמחים. צמחים אלה מראים עמידות לאותם חומרי אנטיביוטיקה ואף לחרקים ולווירוסים שונים. צמחים בעלי מראה משופר, יכולת צמיחה מוגברת, השרשה מואצת ותכונות נוספות התקבלו כתוצאה מהתמרתם של גנים מקוריים בגנים ממוצא חיידקי. בין הצמחים המותמרים השונים קיימים פרחי ציפורן בעלי חיי מדף ארוכים, גרברות, חרציות, ורדים נושאי גוני צבע חדשים, עצי צפצפה בעלי קצב צימוח מואץ, עגבניות מאחרות הבשלה, טבק עמיד לווירוסים, סויה עמידה לקוטלי עשבים ועוד.

צמח צפצפה שלתוכו הוחדרו גנים זרים מראה יכולת השרשה וצימוח מוגברים, לעומת צמח רגיל.
צילם: עופר תבל

פרחי הציפורן הטרנסגנית זהים לחלוטין לפרחים המסחריים הרגילים, אך בעוד שצמחי הביקורת יבלו בנוכחות החומר האנטיביוטי קאנאמיצין (אחד מחומרי האנטיביוטיקה הרעילים לצמחים ולאדם), הרי שהצמחים הטרנסגניים מראים עמידות לאנטיביוטיקה הזאת. העמידות היא תוצאה של ביטויו של גן זר שהוחדר לציפורן, המפרק את האנטיביוטיקה. פרט לכך, ניתן לראות בנבטים שהתקבלו מצמחים אלו את תכונת הצבע הכחול, שהוחדרה אף היא. תכונות נוספות המוחדרות כיום לצמחי הציפורן כוללות שינוי בצבע הפרח וצורתו, ונעשים גם ניסיונות להקניית עמידות נגד מחלות שונות.
צילם: עופר תבל

היכולת להחדיר גנים ספציפיים למיני צמחים בעלי חשיבות כלכלית משכה גם חברות מסחריות. משנת 1986 ועד סוף 1995 נערכו בעולם למעלה מ-3,600 ניסויי שדה בצמחים מותמרים. ניסויי השדה הללו, הנערכים בדרך כלל תוך ביקורת מקסימלית למניעת פיזור לא מבוקר של חומר מהונדס, מיועדים לשם הערכת יציבותם של הגנים המוחדרים בתנאי שדה. בסיומם של ניסויי השדה נדרשת רשות המזון והתרופות האמריקנית או האירופית לאשר את השימוש בצמח המהונדס כמזון לבני אדם או בעלי-חיים. כיום אושרו, או נמצאים בשלבי אישור סופיים, למעלה מ-20 צמחים מותמרים לשימוש כגידולים מסחריים. בין המינים שאושרו לשימוש כמזון, ידועות העגבניה הנושאת תכונה להבשלה מאוחרת. סויה העמידה לקוטלי עשבים וקנולה המאפשרת הפקת שמן בעל ערכים תזונתיים משופרים.

יש לצפות כי מספר הולך וגדל של מיני צמחים יאושר בעתיד לשימוש מסחרי. ביניהם לא רק גידולים בעלי ערך תזונתי משופר, פרחים העמידים למחלות ומזיקים, מיני עצים בעלי כושר צימוח משופר, אלא גם צמחים העמידים ליובש ועקות סביבתיות שונות וכדומה. השימוש בחיידק אשר במקורו היווה גורם מחלה בצמחים, כאמצעי להשבחתם בשיטות מולקולריות, מאפשר השבחה נקודתית, יעילה ומהירה יותר של צמחים אלו.

עמידות למחלות הנגרמות על-ידי וירוסים היא אחת התכונות הראשונות שהוחדרו לצמחים בשיטות של הנדסה גנטית. בצמחי טבק הנגועים בווירוס נפגמת ההתפתחות התקינה ונגרמת נבילת הצמח (בצמח משמאל). הדבקה מכוונת של צמח טבק עמיד (הנושא עמידות נגד הווירוס) בווירוס אינה פוגעת בהתפתחותו התקינה (בצמח מימין).
התמונה באדיבותו של פרופ' אילן סלע, המחלקה לווירולוגיה, הפקולטה לחקלאות.

צמח צפצפה נורמלי (ימין) לעומת צמחי צפצפה "מהונדסים" הנושאים גן המשפיע על צורת צימוחם. גן זה גרם לגנטיות ולשינויים בצימוח ובצורת עלי הצמח.
צילם: עופר תבל

בעיות אתיות הקיימות בכל התערבות גנטית של האדם, הן בצמחים והן בבעלי-חיים, התנגדותם של גורמים שונים לטכניקות ומוצרים ביוטכנולוגיים, והבעייתיות בבחינתם, רישויים ושיווקם של המוצרים האלה עשויים להאט את כניסתם של צמחים מהונדסים לשימוש מסחרי. יחד עם זאת, אם ברצונם של המטפחים להמשיך ולהזין את תושבי כדור הארץ, לאפשר הגדלת יבולים בשטחי חקלאות מצומצמים, ולהגן על היבול מפני מזיקים ומחלות תוך פגיעה מינימלית בסביבה, עליהם לנקוט בכל אמצעי שיאפשר השבחה מהירה, יעילה ואיכותית של צמחים.