עמידויות כנגד וירוסים ופטריות

צמחים, כמו האדם וכמו יצורים חיים אחרים, חשופים לווירוסים ולמחלות ויראליות. בפרק זה נעסוק בנזקים שווירוסים גורמים ובהתמודדותה של ההנדסה הגנטית, היום ובעתיד, עם המחלות הללו.

נתחיל בווירוסים. אלה יצורים שעל גבול החי והדומם. למעשה הם מעין מולקולות שמסוגלות להתרבות. היכולת להתרבות כלולה, כמובן, בעצם מהות החומר התורשתי כחומצת גרעין. אצל וירוסים הוא יכול להיות D.N.A, או R.N.A. אבל פרט לעובדה הזאת של נשיאת חומר תורשתי בתוכם, אין הם מתרבים בכוחות עצמם. הווירוסים הם כה קטנים, שאפילו חיידקים גדולים מהם אלפי-מונים. וירוסים יכולים לתקוף חיידקים ולהתרבות בהם, לא כל שכן תאים של יצורים חיים אחרים כמו בעלי-חיים או צמחים. תפוצתם בעולם נעשית על-ידי התקפת תא חי כלשהו, השתלטות על מנגנון השיכפול שלו ושימוש בו כדי להכפיל את עצמם, לפרוץ מתוך התא המותקף ולתקוף תאים חדשים. אם נבודד וירוסים בכמות מספקת כדי לשים אותם במבחנה, הם לא יתרבו בשום פנים ואופן אלא יתנהגו כמו מולקולות, כמו חומר גבישי שעומד בתוך צנצנת וניתן לאיכסון לתקופה בלתי מוגבלת. במצב זה הם דומים לדומם יותר מאשר לחי. המיוחד בווירוסים, ומכאן גם העניין הרב שלנו בהם, נוסף לעניין האקדמי, הוא העובדה שהם גורמים נזקים. הם פוגעים בתא, משתלטים עליו, במקרים מסוימים מפוצצים אותו, ובמקרים אחרים גורמים לתא להתרבות בקצב מהיר ובלתי מבוקר - סימפטומים שאנחנו מכנים בשם סרטן - תופעות כאלה אינן רצויות, כיוון שהן פוגעות בצומח, בבעלי-חיים ובאדם עצמו.

הפגיעה של וירוסים בצמחים ידועה זה זמן רב. לפני כ- 60-50 שנה בודד לראשונה וירוס שתוקף צמחים, והוא מוכר היטב לעוסקים בהנדסה גנטית בצמחים, הלא הוא ה-T.M.V - "טובקו מוזאיק ויירוס" או בעברית "וירוס מוזאיקת הטבק". שמו ניתן לו על שום הצורה שהוא נותן למחלה. המחלה גורמת לעלה הטבק להיראות כמו מוזאיקה. התאים שהווירוס פוגע בהם מתים, ואז צבעם לבן או צהוב. הכתמים הצהובים נמצאים בין קטעים ירוקים שהווירוס לא פגע בהם. המראה הכללי של העלה הוא של מוזאיקה: קטעים ירוקים בריאים וביניהם כתמים צהובים חולים.

במקומות שהטבק מגודל בהם כצמח כלכלי, Fמו צפון קרולינה בארה"ב, המחלה היא נזק כלכלי גדול והמלחמה בה היא מעניינו של כל חקלאי שמגדל טבק. למרות שמו, הווירוס תוקף גם גידולים אחרים, כמו עגבנייה, למשל. כיום אנחנו יודעים כבר על מחלות רבות בצמחים שנגרמות על-ידי וירוסים, מחלות אלו הן נושא מחקר בעל חשיבות עצומה לחקלאים וגם לעוסקים בהנדסה גנטית, המנסים להבין איך ניתן לעצור מחלות של וירוסים.

גם החקלאות בישראל סובלת מנזקם של וירוסים. אחד מהם פגע לפני שנים מספר ביבולי העגבניות וגרם לנזק כלכלי חמור. כתוצאה ממחסור בעגבניות עלה מחירן מאוד, והאוצר היה אמור לשלם תוספת יוקר בגלל שינוי במדד. דובר אף על יבוא עגבניות מספרד.
מדובר היה בווירוס ששמו "צהבון האמיר" והוא מתבטא בחלקו העליון של הצמח שנקרא "אמיר הצמח". חלק זה מצהיב ולכן הצמח לא גדל ולא מניב את היבול הצפוי. הווירוס מועבר אל הצמח באמצעות חרקים שבמציצתם את מיץ הצמח מעבירים אותו מתוך בלוטות הרוק שלהם אל הצמח.

ישנן כמה דרכים להתמודד עם מחלות הנגרמות על ידי וירוסים. האחת היא על-ידי ניסיון למצוא צמחים שמסיבות שונות יהיו עמידים כנגד הווירוס. לאחרונה התבשרנו שמדענים של מכון וולקני, ד"ר מאיר פילובסקי וד"ר שלמה כהן, הצליחו להכליא צמחי עגבנייה תרבותית עם צמחים שונים על-מנת לקבל זן שהוא עמיד כנגד הווירוס של "צהבון האמיר". ההישג הוא עצום והוא נעשה בדרך של גנטיקה קלאסית - על-ידי הכלאות חוזרות ונשנות, ובתהליך מתמשך שהביא בסופו של דבר ליצירת צמח עמיד. עמידות כזאת נעשית בהכלאות עם צמחים שפירותיהם אינם כה יפים, אבל משום מה יש בהם גנים שמקנים להם עמידות. איננו יודעים מה הם הגנים האלה וכמה גנים מעורבים בתכונה של העמידות, אבל הדבר נעשה והגידול מניב עגבניות יפות גם כאשר יש התקפה של וירוס. השאלה היא איך ניתן להקנות עמידויות כאלה כנגד וירוס זה שתיארתי, או כנגד אחרים, באמצעות ההנדסה הגנטית.

בשתי דרכים ההנדסה הגנטית מנסה לפתור את הבעיה של התקפות וירוסים. הדרך האחת מתבססת על מחקרים הקשורים למחקר הישראלי, והם נעשים על-ידי שני חוקרים ישראלים ידועים: פרופ' אילן סלע מהפקולטה לחקלאות ופרופ' גד לובנשטיין ממכון וולקני. הם מצאו כבר בשנות ה- 60, שצמחים שמודבקים על-ידי וירוס מייצרים איזשהו חומר נגד וירוסים. מאוחר יותר התברר להם שמדובר בחלבון המעכב את התרבות הווירוס. המחקר הזה נעשה ברמה המולקולרית, והוא עוקב אחר החלבון הזה ומנסה לבודדו. מחקר כזה יוליך בעתיד לחיפוש הגן בתוך ה- D.N.A של הצמח, כדי למצוא איזה גן מכתיב יצירה של חלבון כזה, ולהעברתו לצמחים, כדי לחסנם נגד התקפה של וירוסים.

מחקר מסוג אחר, מקובל מאוד היום בעולם, מתבסס על תכונה מסוימת של הווירוס. כדי להבין זאת נעמיק מעט במבנה הווירוס. וירוס, בניגוד לתא חי, אין בו כל המערכת שמתקיימת בתא רגיל, כמו למשל ממברנה שעוטפת מסביב, וציטופלסמה וגרעין תא. הווירוס הוא חלקיק קטן מאוד והוא בעצם חומצת הגרעין, כלומר אותו חומר גנטי שמכתיב את ההורשה. סביב החומר הגנטי נמצאת מעטפת של חלבונים. כאשר הווירוס תוקף תא, מעטפת החלבונים המגינה על החומר הגנטי נשארת מחוץ לתא הנתקף, והחומר הגנטי עצמו מוחדר או מוזרק על-ידי הווירוס פנימה אל תוך התא. כאשר הוא משתכפל בתא שהוא תוקף, בין הגנים שנמצאים בווירוס יש גם גנים שמקודדים את יצירת החלבון "העוטף" שלו עצמו. כך שנוצרים הרבה מאוד העתקים של החומר הגנטי ואחר-כך, בשלב מסוים של ההתקפה, נוצרים הרבה מאוד חלבוני מעטפת שלו עצמו, העוטפים את החומר הגנטי. אז אלפי הווירוסים השלמים פורצים מתוך התא ותוקפים תאים חדשים.

מחקר שתחילתו במעבדה באוניברסיטת וושינגטון בסנט לואיס, ונעשה בעיקרו על-ידי רוג'ר ביטצ'י, פרופ' לביולוגיה באותה מחלקה, ניסה לבדוק מה יקרה אם באמצעות הנדסה גנטית ניקח את הגן מתוך הווירוס שמקודד ליצירת חלבון המעטפת שלו, ונכניס אותו לתוך צמחים, ולא זו בלבד, אלא שנשים אותו בפיקוח יחידות בקרה שיגרמו לכך שחלבון המעטפת של הווירוס יווצר בכמות אדירה - מה שאנו מכנים - התבטאות חזקה של הגן. הם עשו זאת באמצעות הנדסה גנטית: בודדו את הגן מהווירוס, החדירו את הגן לתוך ה-.A.N.D-T של אגרובקטריום והתקיפו צמחים עם אגרובקטריום, ובכך העבירו את הגן של הווירוס אל תוך הצמח. הצמח עצמו, כיוון שלא הועבר אליו הווירוס, אלא רק גן לחלבון המעטפת, הוא צמח בריא לחלוטין, הוא יכול לפרוח, אין בו שום שינוי שיעיד שהוא נושא בתוכו גם גן שמקורו בווירוס. כאשר הם התקיפו את הצמחים בווירוס, הצמחים לא פיתחו מיד את סימני המחלה. הייתה מעין השהייה בהתקפה של הווירוס על הצמח, ובמקום שתתחיל בתוך פרק זמן מסוים כמקובל אצל צמחים רגילים, היא החלה כשבוע עד שבועיים אחרי אותו פרק זמן. עדיין אין אנו יודעים מדוע. המחקר ממש בעיצומו.

אחת האפשרויות שלא הוכחה עדיין, היא שכאשר הווירוס פורץ אל תוך התא הוא חשוף, כאמור, שהרי את חלבוניו הוא משאיר בחוץ, ואז חלבוני המעטפת שהצמח המהונדס מייצר מזהים אותו. הם "מכירים" את הווירוס כדבר שהם צריכים לעטוף. הם עוטפים אותו עוד לפני שהתרבה וגרם נזקים. מן הסתם מנגנון כזה יכול להסביר מדוע אין הווירוס תוקף. אבל לא כל-כך ברור לנו מדוע הוא בכל זאת תוקף אחרי ההשהייה. ייתכן שישנם מספר פרטים בין הווירוסים התוקפים שמצליחים להתחמק ובכל זאת להשתכפל.

במחלות שווירוסים גורמים לאדם או לבעלי-חיים, השהייה כזאת איננה יתרון דווקא, שהרי אם אדם לקה בווירוס מסוכן מאוד לחייו, מה היתרון בפיתוח הסימפטומים של המחלה לאחר שלושה שבועות? בצמחים, ובעיקר בצמחי חקלאות חד-שנתיים, יש לדבר משמעות עצומה, מפני שההשהיה מאפשרת לצמח להניב את פריו, ולחקלאי - לאסוף את יבולו. בשנה הבאה ממלא הוא יזרע זרעים או ישתול שתילים חדשים באדמה. וירוסים אלה, אין בהם שום נזק לאדם, לכן גם אם יימצאו וירוסים בתוך הפרי שנאכל, הם לא ישפיעו על טיבה של העגבנייה. גם היום אנחנו אוכלים עגבניות שנושאות בתוכן וירוסים צמחיים.

נזקים נוספים לחקלאות נגרמים גם על-ידי קבוצה גדולה של יצורים הנקראים פטריות. אחד הסיפורים הטרגיים בהיסטוריה המודרנית של האדם קשור בפטרייה. לסיפור זה קשורים גם רונלד רייגן וג'ון קנדי שהיו נשיאי ארה"ב והם צאצאים למשפחות איריות. לפני 120 שנה היגרו מליוני אנשים מאירלנד בגל אחד גדול של הגירה בגלל סיבה אחת פשוטה: פטרייה מסוימת תקפה את יבולי תפוחי-האדמה באירלנד. כ-3 מיליון איש חיו בה, כאשר ב-1845 תקף כימשון תפוחי-אדמה את שדות תפוחי-האדמה שלה. מבין שלושה מיליון תושביה מתו כמיליון איש ברעב, כמיליון איש היגרו מאירלנד, חלקם לאנגליה וחלקם לארה"ב, וכל זאת בגלל אותה פטרייה בשם "פיטופטורה" או בעברית "כימשון תפוחי-האדמה".

המחלות האחרות שנגרמות על-ידי הפטריות הן רבות מאוד, ובצמחים ידועים כ-8,000 סוגים שונים של פטריות שפוגעות בצמחים. קשה היום לחשוב על מחלות צמחים בלי לקשור אותן בפטריות הגורמות נזקים. יש אומרים שבדרום ארה"ב אוכלים בעיקר לחם שמבוסס על תירס ולא על חיטה, משום שבמשך שנים קיננת שם מחלה שנגרמה על-ידי פטרייה בשם "חילדון החיטה". כך נוצקו הרגלים תרבותיים בגלל הפטריות שהזכרתי.

היום יש כבר נסיונות ראשונים להשתמש בהנדסה גנטית כדי לעצור התקפות של פטריות. עבודה רבה שתוצאותיה מצוינות נעשית, כמובן, באמצעות הגנטיקה הקלאסית - בהעברת עמידויות. אבל במסגרת ההנדסה הגנטית נעשה בשנתיים האחרונות ניסיון להעביר גן לאנזים שנקרא "כיטינאז" אל תוך הצמחים, כך שהגן יתבטא חזק מאוד וייצר בהם "כיטינאז". "כיטינאז" הוא אנזים. משמו ניכר שהוא מפרק כיטין, שהוא אחד ממרכיבי הדופן של תא הפטרייה. כל אחד מתאיה של הפטרייה מוקף בכיטין. אם בזמן שהיא תוקפת את הצמח, היא נתקלת באנזים כיטינאז המפרק את הכיטין - ההתקפה שלה נבלמת. אנחנו יודעים שכיטינאז קיים בצמחים, אבל התבטאותו בהם חלשה, וניסויים נעשים עכשיו במעבדות שונות להלחים באמצעות הנדסה גנטית את הגן לכיטינאז, ליחידת בקרה שתאפשר התבטאות חזקה מאוד שלו בצמח. ואז, בצמח נורמלי הלוקה בפטרייה ולא הונדס גנטית, מופיעים כמשים, ואילו צמח שהונדס גנטית וקיבל את הגן לכיטינאז הוא צמח בריא, כי הפטרייה לא הצליחה לחדור ולבצע בו את מה שהיא מבצעת בצמח רגיל. אגב, בנושא הכיטינאז, יש גם יצורים אחרים שתוקפים צמחים ומבנה גופם כולל כיטין, ולכן הם חשופים לפגיעה של כיטינאז, ומכאן שאפשר אולי יהיה להדביר גם אותם. אלה הן הנמטודות - תולעים קטנטנות שגורמות לנזקים גדולים מאוד בצמחים.

לסיום אספר משהו ייחודי מאוד בנושא ההגנה כנגד התקפות ויראליות על צמחים. בתחילת שנות ה- 80, במעבדתו של פרופ' אילן סלע בפקולטה לחקלאות, ניסו לברר האם אינטרפרון, שידוע כגורם אנטי-ויראלי, ייחודי לעולם בעלי החוליות - האם הוא יכול להגן על תאים צמחיים מפני התקפה של וירוסים. החוקרים קיבלו דוגמאות של אינטרפרון, מרחו אותן על עלים וניסו להדביק אותם ב- T.M.V, אותו וירוס מוזאיקת הטבק. התוצאה המפתיעה היא שהיה עיכוב משמעותי בהתקפת הווירוס באותם עלים שתמיסת האינטרפרון נמצאה עליהם. בשלב הבא הם בודדו תאים של צמח, הסירו מהם את הדופן וקיבלו מה שקראתי פרוטופלסטים. הם הפגישו פרוטופלסטים עם תמיסות של אינטרפרון מאדם, ואחר-כך שוב ניסו להדביקם בווירוס. הווירוס, התקפתו עוכבה בצורה משמעותית.

בשנת 1985 דנתי בנושא עם פרופ' סלע וניסינו לחשוב על אפשרות להעניק לצמח עצמו את היכולת לייצר אינטרפרון. במעבדה שלי הכנסנו לתוך צמחים את הגן לאינטרפרון. גן זה מקורו באדם. הלחמנו לו יחידת בקרה כזו שתבטיח את התבטאותו בצמח, החדרנו אותו באמצעות אגרובקטריום לתאים של צמח והעברנו אותם רגנרציה כדי לקבל צמחים שלמים הנושאים גן לאינטרפרון מאדם. צמחים אלו, שגדלים עכשיו אצלנו בחממה, ייבדקו בעתיד באשר ליכולתם לייצר אינטרפרון ותיבדק עמידותם כנגד T.M.V. ווירוסים אפשריים אחרים.