הפאזל הגנטי של הבטטה: כיצד פיצחו מדענים את הקוד של ירק-על ועשויים להציל מיליונים מרעב

מה הסוד של הבטטה? במשך שנים, הקוד הגנטי שלה היה אחד הפאזלים המסובכים ביותר בעולם המדע - עם 90 כרומוזומים בשישה עותקים שונים! עכשיו, חוקרים הצליחו סוף סוף לפצח את הגנום הכאוטי, וגילו את מקור עמידותה המדהימה ואת אבותיה הקדמונים. התגלית הזו היא לא רק מדע מרתק, היא עשויה להיות המפתח לפיתוח זני-על חדשים שיעזרו להילחם ברעב בעולם.

היא כתומה, מתוקה וצנועה, אורחת קבועה על שולחנות ברחבי העולם, מככבת במדורה בל"ג בעומר או כתוספת מפנקת בארוחת שישי. הבטטה, אותו ירק שורש פשוט למראה, היא למעשה גיבורת-על חקלאית. היא אחד הגידולים החשובים והמזינים ביותר על פני כדור הארץ, מקור מזון חיוני ליותר ממיליארד בני אדם, במיוחד באפריקה, אסיה ואמריקה הלטינית. יכולתה לשגשג באדמות דלות, דרישות המים הנמוכות יחסית שלה ועמידותה המרשימה הופכות אותה לתקווה גדולה בעידן של שינויי אקלים ומשברי ביטחון תזונתי. אך מאחורי המראה הפשוט והאופי הנוח, הסתירה הבטטה סוד גנטי מורכב כל כך, חידה ביולוגית כה סבוכה, עד שהיא הותירה מדענים חסרי אונים במשך עשרות שנים. כעת, באמצעות טכנולוגיה חדשנית ועבודת נמלים דקדקנית, צוות חוקרים בינלאומי הצליח סוף סוף לפצח את הקוד הגנטי הכאוטי של הבטטה. מה שהם גילו לא רק שופך אור על עברה האבולוציוני המפתיע, אלא גם סולל את הדרך לעתיד שבו נוכל להפוך את ירק-העל הזה לחזק, מזין ועמיד עוד יותר.

כדי להבין את גודל האתגר, צריך להבין עד כמה הגנום של הבטטה "מוזר". רוב היצורים המורכבים, כולל בני אדם, הם דיפלואידים - כלומר, בכל תא בגופנו יש שני עותקים של כל כרומוזום, אחד מהאם ואחד מהאב. ריצוף הגנום האנושי, שהיה פרויקט אדיר, היה כמו לנסות להרכיב פאזל של 3 מיליארד חלקים כשיש לך שתי ערכות כמעט זהות. עכשיו, דמיינו את הבטטה. הבטטה היא הקספלואידית - יש לה לא שניים, אלא שישה עותקים של כל כרומוזום, בסך הכל 90 כרומוזומים. ניסיון לרצף את הגנום שלה היה כמו לנסות להרכיב פאזל כשיש לך שש ערכות כמעט זהות, שמישהו שפך יחד וערבב היטב. במשך שנים, המדענים הצליחו לרצף רק מקטעים קצרים של הדנ"א, אך לחבר אותם יחד לספר הגנים השלם והמסודר היה משימה כמעט בלתי אפשרית. כל פיסת מידע חדשה הייתה יכולה להתאים לשישה מקומות שונים, מה שיצר כאוס חישובי.

האתגר הזה ריתק צוות חוקרים ממכון בויס תומפסון באוניברסיטת קורנל, בהובלת הגנטיקאי ג'אנגג'ון פיי (Zhangjun Fei). הם ידעו שהמפתח לעתיד החקלאי של הבטטה טמון בתוך הפאזל הגנטי הזה. כדי לפתור אותו, הם השתמשו בטכנולוגיות ריצוף מהדור החדש, המסוגלות לקרוא מקטעי דנ"א ארוכים הרבה יותר מבעבר. אך פריצת הדרך האמיתית שלהם הייתה בגישה החישובית. במקום רק לנסות לחבר את כל החלקים יחד, הם פיתחו אלגוריתם מתוחכם שביצע תחילה משימה אחרת: הוא למד להבחין בין ששת העותקים השונים, למיין את חלקי הפאזל לשש ערימות נפרדות - ערימה לכל אחד מששת ה"הורים" הגנטיים של הבטטה - ורק אז החל להרכיב כל סט בנפרד. טכניקה זו, המכונה "הרכבה מפורדת" או "פאזית" (Phased Assembly), היא שהפכה את הבלתי אפשרי לאפשרי. "קבלת הגנום השלם והמפורד הזה מעניקה לנו רמת בהירות חסרת תקדים", מסביר פיי. "היא מאפשרת לנו לקרוא את הסיפור הגנטי של הבטטה בפירוט מדהים".

עם ספר הגנים המלא והמסודר בידיהם, יכלו החוקרים סוף סוף לשאול שאלות יסודיות על מקורה של הבטטה. התמונה שהתגלתה הייתה מפתיעה. בצמחים פוליפלואידים אחרים, כמו חיטה (שהיא גם הקספלואידית), הגנום מאורגן בגושים ברורים. ניתן לראות בבירור "שכונות" שלמות של כרומוזומים שהגיעו מאב קדמון אחד, ולצידן שכונות אחרות שהגיעו מאב קדמון אחר. בבטטה, המצב היה שונה לחלוטין. "בניגוד למה שאנו רואים בחיטה", מסבירה שאן וו (Shan Wu), המחברת הראשית של המחקר, "בבטטה הרצפים הקדומים שזורים זה בזה על אותם כרומוזומים, מה שיוצר ארכיטקטורה גנומית ייחודית". במקום שכונות מסודרות, גנום הבטטה נראה כמו פסיפס כאוטי, שבו פיסות דנ"א מששת אבותיה הקדמונים מעורבבות זו בזו לאורך כל כרומוזום. המבנה הפסיפסי הזה מספר סיפור אבולוציוני של הכלאות חוזרות ונשנות וערבוב גנטי אינטנסיבי.

הגנום המפוענח גם איפשר לחוקרים לצאת למסע בלשות בזמן ולחפש את קרובי הבר של הבטטה. על ידי השוואת הדנ"א שלה למינים אחרים במשפחת החבלבליים, הם הצליחו לזהות את אחד מאבותיה הקדמונים המרכזיים: מין בר בעל ארבעה סטים של כרומוזומים (טטרפלואידי) בשם Ipomoea aequatoriensis, הגדל כיום רק באקוודור. גילוי זה מספק רמז גיאוגרפי חשוב למקורותיה של הבטטה, ומאפשר למדענים להבין טוב יותר את המסע האבולוציוני שעברה מצמח בר לגידול חקלאי מרכזי.

אך מדוע לבטטה יש גנום כה מורכב? ייתכן שהתשובה טמונה בסוד עמידותה. בעוד שעבור המדענים ריבוי העותקים היה סיוט חישובי, עבור הצמח עצמו הוא מהווה יתרון אדיר. "ששת עותקי הכרומוזומים של הבטטה תורמים גם הם לחוסן המשופר שלה", אומר פיי. ריבוי העותקים מספק גיבוי גנטי. אם מוטציה מזיקה פוגעת בעותק אחד של גן חיוני, ישנם עוד חמישה עותקים בריאים שיכולים להמשיך ולתפקד. ה"כאוס" הגנטי הזה הוא למעשה פוליסת ביטוח ביולוגית, המאפשרת לבטטה להתמודד עם מגוון רחב של תנאי סביבה קשים ומחלות. מה שנראה כחיסרון הופך ליתרון הישרדותי.

כאן הסיפור עובר מהבנת העבר לעיצוב העתיד. פענוח הגנום אינו רק הישג אקדמי; הוא פותח את הדלת למהפכה בטיפוח הבטטה. עד היום, פיתוח זנים חדשים של בטטה היה תהליך איטי ומייגע, המבוסס על הכלאות וניסוי וטעייה. מטפחים, כמו פרופ' קרייג ינקו (Craig Yencho) מאוניברסיטת המדינה של צפון קרוליינה, שהיה שותף למחקר, נאלצו לעבוד במשך שנים כדי לנסות ולשלב תכונות רצויות כמו עמידות למחלה מסוימת עם יבול גבוה. כעת, כשהם מחזיקים במפה הגנטית המלאה, הם יכולים לעבור ל"טיפוח מדויק". במקום לנחש, הם יכולים לזהות את הגן הספציפי האחראי לעמידות בבצורת, או את קבוצת הגנים המעניקה לבטטה את צבעה הכתום העשיר בבטא-קרוטן (ויטמין A). הם יכולים לבחור את ההורים להכלאה הבאה על בסיס הפרופיל הגנטי שלהם, ולקצר באופן דרמטי את הזמן הנדרש לפיתוח זן חדש ומשופר.

ההשלכות על הביטחון התזונתי העולמי הן עצומות. באזורים רבים באפריקה שמדרום לסהרה, בטטה עשירה בוויטמין A היא כלי מרכזי במאבק נגד תת-תזונה ועיוורון ילדים. היכולת לפתח במהירות זנים חדשים שעמידים יותר למחלות וליובש, ומכילים רמות גבוהות יותר של חומרים מזינים, יכולה להציל את חייהם ולשפר את בריאותם של מיליוני בני אדם. הסיפור שהחל כאתגר אינטלקטואלי במעבדה, הופך לפתרון מעשי בשדות החקלאיים של העולם המתפתח. הגנום המפוענח הוא לא רק ספר היסטוריה אבולוציונית, הוא ספר מתכונים לעתיד טוב יותר, שבו ירק השורש הצנוע הזה יוכל למלא תפקיד מרכזי עוד יותר בהאכלת האנושות.

המחקר:

Phased chromosome-level assembly provides insight into the genome architecture of hexaploid sweetpotato