כיצד צמחים מסוגלים לזכור מצוקה ללא מוח

רבים רואים בצמחים יצורים ירוקים ונעימים למראה. אמנם הם חיוניים לאוויר נקי, אך נחשבים לאורגניזמים פשוטים. שינוי משמעותי במחקר מטלטל את הדרך שבה מדענים תופסים את הצמחים: הם הרבה יותר מורכבים ודומים לנו מכפי שיכולנו לדמיין.

זה אולי נשמע מוזר, אבל צמחים מסוגלים לזכור מצבי מצוקה. מדענים עדיין מנסים להבין כיצד הם עושים זאת ללא מוח. אך מאחר ששינויי האקלים מאיימים על יבולים ברחבי העולם, הבנת זיכרון המצוקה של הצמחים עשויה לסייע בגידול מזון עמיד יותר.

מאז שהתיישבו ביבשה לפני 500 מיליון שנה, צמחים פיתחו דרכים להגן על עצמם מפני מזיקים ומחלות. אחת היכולות המרתקות ביותר שלהם היא "לזכור" מפגשים מלחיצים ולהשתמש בזיכרון הזה כדי להגן על עצמם. תופעה זו, הנקראת חיסון מקדים (immune priming), דומה לאופן שבו חיסונים מסייעים לבני אדם לבנות חסינות, אך היא מבוססת על מנגנונים שונים.

אז איך הם עושים את זה ללא מוח?

צמחים עמידים גנטית בפני הרוב המוחלט של המיקרואורגניזמים המזיקים הפוטנציאליים. עם זאת, מספר קטן של חיידקים ופטריות הצליחו לפתח מנגנונים המאפשרים להם לדכא את המערכת החיסונית המולדת של הצמחים, מה שמאפשר להם להדביק את הצמח ולגרום למחלה.

זו הסיבה שבעלי חוליות, כולל בני אדם, פיתחו מערכת חיסון ניידת המתבססת על תאי זיכרון מסוג B ו-T. תאים אלה מופעלים כאשר אנו נחשפים למחלה או מקבלים חיסון, מה שמאפשר לנו להיות עמידים יותר בפני הידבקויות חוזרות.

לצמחים אין תאים מיוחדים לרכישת זיכרון חיסוני. במקום זאת, הם מסתמכים על שינויים אפיגנטיים בתוך תאי הצמח כדי לאגור מידע על התקפות קודמות ולהפעיל את מערכת החיסון המולדת שלהם. כאשר צמח עובר "הכנה חיסונית", הוא יכול להתמודד טוב יותר עם מזיקים ומחלות - גם אם במקור היה פגיע מבחינה גנטית.

מחקרים מהעשור וחצי האחרונים הראו כי חשיפה ממושכת וחוזרת למזיקים או מחלות יכולה לגרום לשינויים אפיגנטיים ארוכי טווח בדנ"א של הצמח, ללא שינוי ברצף הבסיסי של הדנ"א. שינוי זה מאפשר לצמחים להישאר במצב מגונן לאורך זמן.

תופעת החיסון המקדים נצפתה במגוון רחב של צמחים, החל ממינים קצרי-חיים כמו תודרנית לבנה שחיה מספר שבועות בלבד, ועד לעצים ארוכי-חיים כמו אשוחית נורווגית, שיכול לחיות עד 400 שנה. עם זאת, חיסון מקדים כרוך במחיר עבור הצמח, כמו האטת הצמיחה. לכן, זיכרון ההכנה החיסונית הפיך, ועם הזמן - בהיעדר מצבי לחץ נוספים - הוא נחלש.

עם זאת, בעוצמות גבוהות יותר של לחץ סביבתי, הזיכרון הזה עשוי להימשך לכל החיים ואפילו לעבור לדורות הבאים. ככל שהמצוקה חזקה יותר, כך הצמחים זוכרים אותה זמן רב יותר. צמחים משנים כל הזמן את פעילות הגנים שלהם כדי לגדול ולהתאים את עצמם לסביבתם. גנים יכולים להישאר כבויים לפרקי זמן ארוכים באמצעות מנגנונים אפיגנטיים.

בצמחים, שינויים אלה מתרחשים לרוב בטרנספוזונים, המכונים גם "גנים קופצים" - חלקי דנ"א שיכולים לנוע בתוך הגנום. בדרך כלל, הטרנספוזונים אינם פעילים, כיוון שהם עלולים לגרום למוטציות. אך מצבי לחץ גורמים לשינויים אפיגנטיים בפעילותם של תאים בצמח, מה שמוביל ל"התעוררות חלקית" שלהם. מנגנון זה תורם להתבססות ולשימור זיכרון ארוך טווח בצמחים.

בצמחים שטרם חוו מצוקה, גני ההגנה ברובם אינם פעילים כדי למנוע בזבוז אנרגיה יקר על פעילות חיסונית שאינה הכרחית. אולם כאשר הצמח עובר תקופת לחץ, שינויים אפיגנטיים ארוכי טווח בטרנספוזונים מסייעים להפעלה מהירה וחזקה יותר של גני ההגנה במקרה של מתקפה חוזרת. למרות שהמדענים עדיין חוקרים את המנגנון המלא של תהליך זה, ברור ששינויים אפיגנטיים ב"גנים הקופצים" ממלאים תפקיד חיוני בהתאמת הצמח לאיומים.

צמחים אינם מסתמכים רק על הזיכרון האפיגנטי הפנימי שלהם כדי לשפר את עמידותם בפני מזיקים ומחלות. הם יכולים לשמור זיכרון של מצבי לחץ גם בסביבתם. כאשר צמח נמצא תחת מתקפה, הוא משחרר כימיקלים דרך שורשיו, המושכים מיקרואורגניזמים מועילים שיכולים לדכא מחלות. אם תהליך זה חזק דיו, הוא עשוי להשאיר "מורשת קרקע" ארוכת-טווח, שתסייע גם לצמחים של הדור הבא. לאחר שהתנאים בקרקע "הותאמו", המיקרואורגניזמים המועילים נותרים בקרבת השורשים ומסייעים לצמח להילחם במחלות.

במינים מסוימים, כמו תירס, מדענים הצליחו לזהות מטבוליטים משניים שמעורבים במנגנון הזיכרון החיצוני הזה. מדובר במולקולות שאינן חיוניות למטבוליזם הבסיסי של התא, אך הן ממלאות תפקידים הגנתיים או משדרות אותות סביבתיים - למשל, משיכת חיידקים מועילים או חרקים מסייעים. חלק מהגנים השולטים על כימיקלים אלו מופעלים על ידי מנגנונים אפיגנטיים רגישים ללחץ, מה שמעיד כי המנגנונים המניעים את זיכרון הצמח הפנימי והחיצוני מחוברים זה לזה.

הבנת האופן שבו צמחים אוגרים ומשתמשים בזיכרונות של מצוקה עשויה לחולל מהפכה בהגנה על יבולים. ניצול היכולת הטבעית של הצמחים להתמודד עם מזיקים ומחלות יכול להפחית את התלות בקוטלי חרקים כימיים ולסייע בפיתוח גידולים עמידים יותר בפני לחצים סביבתיים. בעוד אנו מתמודדים עם השפעות שינויי האקלים ועלייה בביקוש למזון, מחקר זה מציע כלים מבטיחים לפיתוח פתרונות חקלאיים בני-קיימא יותר.

מקורות:

• קטעים מ-How plants are able to remember stress without a brain מאת the Conversation שנכתב ע"י: Tom Frew.

• קטעים מ-Plants remember stress to help protect themselves מאת phys.org שנכתב ע"י: Jurriaan Ton.

• קטעים מ-?Tree Memories: How Can Trees Remember Without a Brain מאת Frontiers שנכתב ע"י: Paal Krokene Melissa & Hamner Mageroy.