אחד הדברים הכי מדהימים שצמחים יכולים לבצע הוא פוטוסינתיזה – תהליך המנצל את אנרגית השמש כדי להפוך פחמן דו-חמצני מהאוויר לסוכר, אותו ניתן לפרק מאוחר יותר לצורך ייצור אנרגיה בתא. אבל לפעמים, במצבי עקה שונים, הצמח אינו מבצע פוטוסינתיזה. כשתנאים אלה נמשכים לאורך זמן, צריך הצמח להפיק אנרגיה בצורה חליפית, כדי להישאר בחיים. תהליכים חילופיים כאלה הינם פירוק של חומרים שונים הנמצאים בתא, כמו עמילן, חלבונים ושומנים. 

הסטודנטים שלי ואני חוקרים את מנגנון האוטופאג'י (Autophagy – "אכילה עצמית") מנגנון מיחזור תוך-תאי שמפרק חלבונים בודדים, צברי חלבונים ואברונים שלמים. תוצרי הפירוק של מנגנון זה עוברים לשימוש חוזר בתא, ויכולים לשמש אבני בניין למולקולות חדשות או כמקור לאספקת אנרגיה. אוטופאג'י אינו מנגנון ייחודי לצמחים, אלא קיים בכל התאים האאוקריוטים, משמרים ועד בני אדם. 

אנחנו בודקים איך משתמשים צמחים במנגנון הבסיסי הזה, כדי להתמודד עם האתגרים הייחודיים להם. 

לשומנים תפקיד מבני בתאים, ובנוסף הם יכולים לשמש גם כמקור אנרגיה. במחקר שפרסמנו לאחרונה בכתב העת Plant Physiology, שבוצע בשיתוף פעולה עם פרופ' Wagner L. Araujo מאוניברסיטת ויסוזה בברזיל, ע"י תלמידת המחקר Jessica Barros, שאלנו כיצד משפיע תהליך האוטופאג'י על מאזן השומנים בצמח, כשהצמח נחשף לתנאי עקה אנרגטית. כדי להשרות עקה כזו, החשכנו את הצמחים לכשבוע, על מנת לדמות מצב בו מנגנון הפוטוסינתיזה אינו עובד לאורך פרק זמן ממושך. ידוע לנו שצמחים מוטנטים חסרי יכולת אוטופאג'י רגישים יותר לעקה זו, ורצינו להבין מה בדיוק משתבש, כשמנגנון זה אינו פועל.

בשיתוף עם מעבדתו של דר' יריב ברוטמן מאוניברסיטת בן-גוריון מדדנו את סוגי השומנים השונים בצמחים בעלי או חסרי יכולת אוטופאג'י, ועקבנו אחרי השינוי ברמתם לאורך תקופת ההחשכה. 

ראינו שבצמחים חסרי יכולת אוטופאג'י מתרחש פירוק מאוד מאסיבי של שומנים, הייחודיים לממברנה של הכלורופלסט. אפשר לראות בבירור שבצמחים חסרי יכולת אוטופאג'י, הכלורופלסטים קטנים יותר ומכילים פחות ממברנות (ראו תמונה). מנגנון האוטופאג'י, אם כך, מבקר את תהליך הפירוק, והצמחים בהם הוא חסר מפרקים את הכלורופלסטים שלהם ללא שליטה. 

הפירוק המאסיבי של ממברנות הכלורופלסט גורם להצטברות של חומצות שומן חופשיות, שרעילות לתא בריכוזים גבוהים. 

איך מתמודדים תאים חסרי יכולת  אוטופאג'י עם עודף חומצות השומן?
שלא כמו תאים רגילים, הצוברים טיפות שומן (lipid droplets) כדי להתמודד עם עודף שכזה,  צמחים חסרי יכולת אוטופאג'י מפרקים יותר חומצות שומן ע"י הגברה של מסלולים מטבוליים המבוצעים בפרוקסיזום (Peroxisome)  - אברון שבין תפקידיו פירוק שומן.  בנוסף, כנראה בניסיון להתמודד עם עודף חומצות השומן החופשיות, מאכסנים הצמחים חסרי יכולת האוטופאג'י את עודף חומצות השומן בתוך טיפות שומן כלורופלסטיות, הנקראות פלסטוגלובולי (Plastoglobuli). באנליזה מיקרוסקופית ראינו שצמחים חסרי יכולת אוטופאג'י מייצרים פלסטוגלובולי גדולים מאוד בתגובה לעקת החושך (הכתמים השחורים בתמונה הימנית התחתונה).

המחקר שלנו שופך אור על תפקידי האוטופאג'י בתנאי עקת אנרגיה. בניגוד למשתמע משמו, מנגנון האוטופאג'י דווקא מבקר את "האכילה העצמית" של הצמח, ומאפשר לו למחזר חומרים בצורה מסודרת. בהעדר אוטופאג'י מפרקים הצמחים את עצמם למוות (כנראה על ידי הפעלה לא מבוקרת של תהליכים תאיים נוספים), ואת הפסולת "זורקים" בתוך הכלורופלסטים. 

בתמונה: צילום במיקרוסקופ אלקטרוני של כלורופלסטים של צמחים בעלי יכולת אוטופאג'י (WT) וחסרי יכולת אוטופאג'י (atg5-1).

בשורה העליונה ניתן לראות צמחים שלא עברו החשכה ממושכת (יום אפס). בתנאים אלה הכלורופלסטים של שני הצמחים די דומים. עמילן, חומר התשמורת של צמחים (ומה שאנחנו אוכלים בתפוחי אדמה וחיטה), מסומן בחץ כתום. 

בשורה התחתונה מוצגים כלורופלסטים של שני סוגי הצמחים בעקבות החשכה במשך שבוע. 

ניתן לראות שאין עמילן (כנראה כבר פורק ע"מ לספק אנרגיה). כמו כן, הכלורופלסטים של צמחים חסרי יכולת אוטופאג'י נראים ממש מחוררים, ויש בהם הצטברות של נקודות כהות גדולות, שהן פלסטוגלובולי (מסומנים בחץ צהוב).

כל הזכויות לגבי התמונה שמורות ל- American Society of Plant biologists

קיראו את המאמר