אחד הנושאים המטרידים ביותר היום את הקהילה המדעית היא השאלה כיצד ניתן יהיה להאכיל את אוכלוסיית העולם הגדלה בכ-2.4% בשנה. זאת בזמן שהגידול בייצור המזון החקלאי גדל רק בכ-1% בשנה. לפרופ' שמעון גפשטיין, נשיא מכללת כינרת יש תשובה והיא מסתתרת עמוק בגנטיקה של הצמחים. גפשטיין, פרופ' לביולוגיה מהטכניון, חקר בעשור האחרון את מנגנון ההזדקנות של צמחים חד שנתיים. אלו הגידולים שמהווים את רוב המזון שאנחנו צורכים. גפשטיין הצליח בעזרת הנדסה גנטית להאריך את חיי הצמח בכחודש וחצי, להכפיל פי שלוש את חיי המדף של התנובה החקלאית ובטעות גם גילה שהמהלך שלו יכול לחסוך כמות אדירה של מים ולנצל קרקעות שעד כה נחשבו לבלתי ראויות לגידולים חקלאיים.

כדי להבין את המשמעות של הפיתוח של פרופ' גפשטיין הוא מחזיר אותנו להתחלה. "מי שיסתובב בשדות יראה תופעה מעניינת. ביום אחד כל השדה מצהיב. זה לא משנה אם החקלאי ישקה את השדה, החיטה, השעורה או כל גידול אחר פשוט יצהיב ביום אחד. הצמח מזדקן ומת. התופעה הזו מעניינת כי היא שונה מאוד מהאופן שבו בני אדם או בעלי החיים מזדקנים".

גרעיני חיטה באחסון (צילום: Shutterstock)

גרעיני חיטה באחסון (צילום: Shutterstock)

מה זאת אומרת?

"רוב האוכל שאנחנו אוכלים מגודל בצמחים חד שנתיים. הצמחים הללו מתוכנתים למות אחרי שהם גידלו פרחים שהפכו לזרעים. אצל בני האדם ההזדקנות היא פאסיבית. בלאי של החומר שגורם לכל אחד למות בגיל אחר מסיבה אחרת. בצמחים תהליך ההזדקנות הוא אקטיבי. הצמח מחליט בנקודה מסוימת שהגיע הזמן לקמול ולמות. בגנים של הצמח יש מקטע שתפקידו להורות על הפרשת הורמון שברגע שהפרשת ההורמון הזה מופסקת, מופעלת שרשרת אנזימים שמפרקים את תאי הצמח".

ההורמון שמונע את תהליך ההזדקנות של הצמח נקרא בשפה המקצועית ציטוקינינים ובשפה עממית הורמון הנעורים. כל עוד ההורמון הזה קיים הצמח לא מפרק את עצמו. אם נצליח לגרום לצמח להמשיך את הפרשת ההורמון הזה נצליח לעכב את תהליך ההזדקנות של הצמח ואולי נוכל להרוויח מכך תוצרת טובה יותר עם חיי מדף טובים יותר.

אז איך בעצם ניתן לשלוט בהורמון הזה?

כאמור הפרשת ההורמון נקבעת על פי תוכנית קבועה מראש המקודדת לתוך הדי אן אי של הצמח. למעשה לצמח יש גן שאחראי על הפרשת ההורמון. כדי שהגן הזה יבוא לידי ביטוי יש לו פרומטור. הפרומוטור הוא מקטע של די אן אי שמקדים בשרשרת את הגן שמפעיל את המקטע שאחראי על הפרשת ההורמון. הפרומוטור למעשה מתזמן את הפעלת הגן המדובר.

פרופסור שמעון גפשטיין (קרדיט: ארז ביט)

פרופסור שמעון גפשטיין (קרדיט: ארז ביט)

אנחנו הבנו שאנחנו צריכים לגרום לגן של הורמון ההזדקנות לפעול לתקופה יותר ארוכה. מה שעשינו לקחנו את הפרומוטור של גן הנעורים והחלפנו אותו בפרומוטור של גן ההזדקנות. כך למעשה יצרנו מצב שבו הדי אן אי של הצמח מפעיל את הורמון הנעורים דווקא בשלב ההזדקנות.

אפשר להקביל את זה למערכת חשמלית עם מתג, שבכל פעם שמחשיך הוא מדליק את האור ומאריך את שעות היום. כשהצמח אמור להיכנס לתהליך ההזדקנות שלו מופעל הגן ששומר עליו צעיר.

וזה עובד?

אחרי שפיתחתי את התיאוריה הזו ב-2006 החלטנו לעשות ניסוי על עלי טבק. בחרנו בטבק כי יחסית נוח לבצע בו תהליכים של הנדסה גנטית. פירקנו וחיברנו את רצף הדי אן אי שלו במקומות הנכונים והפלא ופלא זה עבד. הצמח המהונדס נשאר חי ורענן הרבה אחרי צמח הבקרה. את הניסוי הזה עשינו לפני כעשר שנים ומאז אנחנו עובדים עם חברות זרעים בכל העולם על הפיתוח הזה על צמחים שונים.

חקלאי בשדה טבק (צילום: Shutterstock)

חקלאי בשדה טבק (צילום: Shutterstock)

אז אני מבין שהצלחת למצוא את הדרך להערים על הצמח ולמשוך את תוחלת החיים שלו. זה מאריך את חיי הצמח וכנראה יאפשר גם גידולים משופרים עם חיי מדף ארוכים יותר. אבל איך זה מסייע לחיסכון במים?

 "הסיפור של החיסכון במים התגלה בטעות, כמו שקורה לפעמים בניסויים מדעיים. כתוצאה מתקלה. סיימנו את הניסוי עם צמחי הטבק והנחנו אותם בצד. היינו אמורים להשמיד אותם אבל יצאנו לחופשה וכשחזרנו אחרי שבועיים ראינו שהצמחים המהונדסים עדיין ירוקים, למרות שאף אחד לא השקה אותם. המונחים מדעיים זו נקראת תצפית לא מבוקרת. אז נכנסנו לסדרה חדשה של ניסויים מבוקרים. וראיתי שאכן אפשר לגדל את הצמחים המהונדסים עם הרבה פחות מים. לא השקנו אותם שבועיים והם נשארו בחיים. כשהשקנו אותם אחרי שבועיים הם חזרו להתפתח כאילו לא קרה כלום. בשורה התחתונה הגענו למצב שאנחנו מגיעים לאותה רמת יבול ב-50% מהמים".

בעצם הפכתם את הצמח לעמיד בתנאי מדבר.

 כן, אבל כאן יש אבחנה מעניינת. בהרבה ניסויים ניסו מדענים לחקות מנגנוני הישרדות של צמחי מדבר. אבל הצמחים האלה שיודעים לשרוד בתנאי מחסור במים בטבע הם צמחים שלא נותנים יבול כי המנגנון שלהם מכוון להישרדות ולא ליבול.

שדה חיטה יבש בעמק חפר לאחר שנת בצורת. ארכיון (צילום: גיל יערי/ פלאש90)

שדה חיטה יבש בעמק חפר לאחר שנת בצורת. ארכיון (צילום: גיל יערי/ פלאש90)

בתקופה הקרובה אני מפרסם מאמר על המנגנון הזה שמאפשר לצמח המהונדס לשרוד בתנאי יובש. אם לקצר את התאוריה שלי לכמה מילים אז מהניסויים שערכנו אני מסיק שצמח רגיל בתנאי יובש לא מת כתוצאה מהיובש אלא מופעל אצלו מנגנון שמביא להזדקנות מהירה. הצמח חש את המחסור במים וכדי למלא את תפקידו האבולוציוני לפני שהיובש יהרוג אותו, מופעל אצלו מנגנון הגורם לו לעבור לפריחה מהירה, העמדת זרעים וקמילה. כאילו הצמח אומר לעצמו, את האנרגיה שנשארה לי אני אפנה להעמדת הדור הבא לפני שהמצב יחמיר. אבל למעשה השינוי הגנטי שביצענו מנטרל את המנגנון הזה והצמח לא מתייחס לשדר שהוא מקבל מהסביבה על תקופת יובש וממשיך להתפתח כרגיל. מתברר שהצמח יכול לחיות עם פחות מים לאורך תקופה מסוימת בלי בעיה.

מה המשמעות היישומית של התהליך הזה?

אם דיברנו קודם על הצורך להעלות את קצב הגידול בכמות היבול שיתאים לגידול באוכלוסיה אז השינוי הגנטי שיצרנו פותר עוד שתי בעיות: המחסור במים ראויים להשקיה ומחסור בקרקע. אם אני יכול לגדל את אותו היבול עם פחות מים ואני יכול לנצל גם קרקעות שקודם נחשבו ללא ראויות לגידול אני יכול לשפר משמעותית את תנובת המזון בעולם. בנוסף יש כאן מענה לעוד בעיה. כשהתחילו עם כל נושא הביודיזל והדלקים שמבוססים על אתנול שמופק מתירס או מגידולים אחרים נוצרה תחרות בין חקלאות למזון לחקלאות לדלק. במדינות מסוימות אסרו בשלב מסוים חקלאות לתחליפי דלקים. מצד שני מדובר באנרגיה מתחדשת ונקייה. אם אנחנו מצליחים להרחיב את היקף הקרקע שאפשר לנצל לחקלאות ומשפרים את ניצול המים אז ניתן יהיה לגדל גם מזון וגם תחליפי דלקים.

חקלאים בשדה תירס בגואטמלה (צילום: Shutterstock)

חקלאים בשדה תירס בגואטמלה (צילום: Shutterstock)

איפה זה עומד היום?

לאחר שביססתי את התיאוריה בניסויים על צמחי טבק התחלתי למכור את הזכיונות על הטכנולוגיה לחברות זרעים ברחבי העולם. חברה אחת קיבלה זיכיון לאורז ואחרת לחיטה והן מפתחות במעבדות שלהן את הזרעים שיאפשרו להפוך את הפיתוח הזה ליישומי. התהליך הזה לוקח בערך עשר שנים עד שיש את המוצר המוגמר שמקבל את כל האישורים של ה-FDA ושאר המוסדות. במספר גידולים אנחנו נמצאים כבר בשלבים מתקדמים של התהליך הזה. אני מעריך שתוך חמש שנים הזרעים האלו יהיו בשוק.

למה בעצם לא לפתח את הזרעים בישראל?

כדי לפתח זרע מהונדס גנטית נדרשת השקעת הון עצומה. השוק בישראל לא מספיק גדול בשביל זה ורק חברות ענק בינלאומיות מסוגלות לבצע את התהליך הזה.

בנק זרעים (צילום: CIAT / flickr)

בנק זרעים (צילום: CIAT / flickr)

אין בעיה אתית עם הנדסת נעורים לצמחים? הרעיונות האלה לא יכולים לזלוג למקומות אחרים?

צריך להבין. כל הגידולים החקלאיים שנמצאים היום בשוק הם תוצאה של מניפולציה גנטית. העגבנייה שאנחנו אוכלים היא לא עגבניית הבר. בתהליך ארוך של שנים ביצעו הכלאות כדי להגיע לעגבנייה שאנחנו אוכלים היום. בהנדסה גנטית אנחנו מבצעים את אותם השינויים רק בצורה נקייה יותר ומהירה יותר במעבדה. אנחנו לא משלבים גנטית שני זנים אלא הולכים באופן ממוקד לנקודה בגנים שאותה אנחנו רוצים לשנות. במובן הזה אין הבדל בין הכלאות לבין הנדסה גנטית.

בדיקת הזרעים במעבדה. (צילום: אורלב צח)

בדיקת הזרעים במעבדה. (צילום: אורלב צח)

פרופ' גפשטיין רואה בפיתוח הטכנולוגיה החקלאית גם מענה לבעיה ישראלית מאוד. כדי שהמרחב הכפרי בישראל ישגשג הוא חייב לאמץ טכנולוגיה שתאפשר לו לקיים את האנשים שעובדים בו. פיתוחים מהסוג הזה יכולים להיות בעיני פרופ' גפשטיין חבל הצלה לחקלאות בקיבוצים ובמושבים. בשבוע הבא הוא צפוי לארח במכללת כנרת בראשה הוא עומד, כנס בנושא.