The research was recently published in Science magazine
Avi Blizovsky
Scientists from the Max Planck Institute for Plant Breeding Research in Cologne, Germany and the Hebrew University of Jerusalem have found the molecular mechanism that plants use to bloom according to changes in the number of hours of light per day, the quality of light and its strength.
The research findings were published in Science magazine on February 13, 2004 and have far-reaching implications for the future possibility of controlling the flowering times of plants and their adaptation to flowering in conditions different from their natural conditions.
In many cases food produced from plants is limited to certain seasons of the year or to certain regions of the world. One of the reasons for this is the unique precautions developed by each species of plant, which signal to it what is the most suitable time for it to start blooming and multiplying, based on the specific climate in which it developed.
החוקרים ערכו את הניסויים על צמח המודל ארבידופסיס (תודרנית) כדי להבין את אופן ההשפעה של האור על זמן הפריחה. הם הדגימו איך מספר שעות האור ביממה ואיכות האור – באמצעות פוטורצפטורים (קולטי אור) של הצמח – משפיעים על יציבותו של החלבון מקדם הפריחה הנקרא "קונסטנס". ממצאים אלו עוזרים להסביר את ההתנהגות של זני צמחים רבים שפריחתם תלויה בעונות השנה ובמספר שעות האור ביממה.
Arabidopsis is a small plant that is widely used as a model in plant science research. This is the first plant whose entire genome has been decoded.
ד"ר אלון סמך, מדען ישראלי מהאוניברסיטה העברית בירושלים שהשתתף בפרויקט, מצביע על כך שבהתבסס על ממצאים אלו ועל מחקרים קודמים, ניתן יהיה לעשות מניפולציות על מועדי הפריחה של גידולים חשובים, באמצעות שינויים גנטיים שיעלו או יורידו את יציבות החלבון קונסטנס, או במקרים אחרים על ידי אימוץ אמצעים אגרוטכניים פשוטים המשפיעים על איכות האור שמגיע לצמח ולכן גם על פריחתו.
את הצוות בקלן מוביל ד"ר ג'ורג' קופלנד, ראש המחלקה לביולוגיה התפתחותית של הצמח במכון מקס פלנק לחקר גידול צמחים בקלן, גרמניה. הצוות כולל גם את ד"ר פדריקו ולוורדה, ד"ר איידין מורדוב, ד"ר ווים סופּ וד"ר דין רבנסקרופט.
ד"ר סמך מכהן בדוכן להורטיקולטורה ע"ש סיריל רוזנבאום, במכון רוברט ה' סמית' למדעי הצמח והגנטיקה בחקלאות, בפקולטה למדעי החקלאות המזון ואיכות הסביבה של האוניברסיטה העברית. מחקרו נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע; משרד החקלאות; קרן קמ"ח: הקרן הישראלית-אמריקנית למו"פ חקלאי; וקרן GIFRID: הקרן הישראלית-גרמנית למחקר ולפיתוח בינ"ל.
When 12 hours after dawn there is still light, the protein accumulates and the hibiscus blooms
By Marit Selvin
Science / How do the length of the day and the amount of shade affect the flowering timing of plants
frequency Right: flowering on a day when there were 16 hours of light; Left: the plant in a day of ten hours of light
Photo: The Hebrew University
The timing of the flowering of plants largely determines their future. If the flowering occurs in the right season, the flowers are fertilized, develop into fruits, the seeds are dispersed from the fruits, and the plant continues to exist. The plant's reproductive organs are inside the flower, and the opening of the petals exposes them and enables their activity. Since at low temperatures the reproductive organs do not function, most plants flower in the spring.
יש כמה מנגנונים המבטיחים שהצמחים יפרחו באביב. יש צמחים ש"סופרים" את ימי הקור, ורק לאחר שמתמלאת המכסה (האופיינית לכל צמח), הם פורחים. יש צמחים שמקבלים את המידע הנחוץ על פי אורך היום – כשהימים נעשים ארוכים, הם מתחילים לפרוח. גם אורכי הגל השונים שהצמח קולט מסוגלים להחיש או להאט את הפריחה. עובדות אלה ידועות זה כבר, אבל עד כה לא היה ברור כיצד תנאים חיצוניים מתורגמים לשינויים פיסיולוגיים המכתיבים מהלכים כה קריטיים בחיי הצמח. מחקר משותף של צוות ממכון מקס פלאנק לרביית צמחים בגרמניה ושל ד"ר אלון סמך מהפקולטה לחקלאות באוניברסיטה העברית, שהתפרסם ביום שישי בכתב העת "Science", חושף לראשונה את המנגנון הקובע את עיתוי הפריחה בעקבות שינויים באורך היום.
"בצמחים, כמו אצל בני אדם, יש שעון ביולוגי הפועל במחזוריות של יממה ומפעיל גנים שונים. הגנים האלה קובעים את התנהגות הצמח בשעות השונות של היממה", אומר ד"ר סמך, איש המכון למדעי הצמח והגנטיקה בפקולטה לחקלאות. "יש גנים שבאים לידי ביטוי באותה מידה במשך כל שעות היממה, ויש כאלה שמתבטאים באופן שונה בשעות היום והלילה". אחד מהגנים שפעילותם משתנה בין היום ללילה הוא הגן קונסטנס. "פעילותו מתגברת כ-12 שעות לאחר עלות השחר, נשארת גבוהה בלילה ויורדת במשך היום. כך יוצא שבימים ארוכים הוא פעיל בשעות שלפני השקיעה, ובימים קצרים הוא פעיל רק בחושך", אומר סמך.
חוקרים חושדים זה זמן רב כי הגן קונסטנס מעורב בקביעת עיתוי הפריחה, אבל בשל הכמויות הזעירות שנוצרות מהחלבון שהגן מקודד, אי אפשר היה לבחון את מהות הקשר הזה. ד"ר סמך ושותפיו הגרמנים, בראשות ד"ר ג'ורג' קופלנד, מצאו דרך לברר זאת. באמצעות שיטות של הנדסה גנטית העבירו החוקרים את הגן קונסטנס לחיידקים, ואלה ייצרו את החלבון בכמויות גדולות. עתה, כשהיו בידיהם כמויות גדולות של החלבון, הם יכלו לעקוב אחרי השינויים בכמות שלו בגרעין התא של הצמח בשעות היממה השונות, בימים קצרים וארוכים. את הניסויים ערכו החוקרים בצמח בשם ארבידופסיס (תודרנית). צמח זה משמש למחקרים רבים מאחר שיש לו גנום קטן יחסית והוא בעל מחזור חיים קצר, ולפיכך אפשר לגדל דורות רבים שלו בתקופה קצרה יחסית.
ד"ר סמך ושותפיו גילו שהחלבון שמקודד בגן קונסטנס לא מצטבר בחושך, וזאת משום שבחושך מופעל מנגנון מיוחד שמפרק אותו. "זאת כנראה הסיבה העיקרית לכך שקונסטנס מפעיל את הפריחה בימים הארוכים יותר, שבהם הוא פעיל גם בשעות שלפני השקיעה", אומר סמך.
אלא שהחוקרים גילו שלא רק כמות האור משפיעה על הפריחה, אלא גם אורכי הגל שלו. "ידוע שצמחים מסוימים פורחים מהר יותר בצל מאשר בשמש. כך גם קורה לצמחי הארבידופסיס", אומר סמך. מדוע הדבר קורה? "הצמחים זקוקים לאור לתהליך הפוטוסינתזה ולתהליכים התפתחותיים שונים, ולכן שינוי באורכי הגל של האור, שמתרחש למשל בתנאי צל, דורש תגובה של הצמח. שלא כבני האדם, הצמחים נייחים ואינם יכולים לשנות את מיקומם או את תנאי הסביבה שלהם, ומה שנותר להם זה לצמוח לעבר האור או לנסות להקדים או לאחר את מועד פריחתם כדי לייצר זרעים ולהמשיך את הקיום. באמצעים שפיתחנו יכולנו להראות שהשינויים באורכי הגל של האור בעקבות הצללה משפיעים על הצטברות החלבון קונסטנס, ובדרך זו משפיעים על מועד הפריחה".
כאשר צמח נמצא ליד צמחים רבים ומוצל על ידם, מגיע לצמח רק אור באורכי גל מסוימים, בעיקר אורכי הגל הארוכים בתחום האור האדום; אור באורכי גל אחרים נבלע ולא נקלט על ידי הצמח. "מצאנו שהגלים הארוכים בתחום האור האדום מונעים את פירוקו של החלבון קונסטנס, וכך הוא יכול להצטבר בצמח ולעורר את הפריחה. הצמח קולט איפוא את האור בדרכים שונות, והצטברות החלבון קונסטנס היא שנותנת את האות מתי לפרוח".
לדברי סמך, שמחקרו נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע, "מעבר להבנה הבסיסית של מנגנוני הפריחה של הצמח, אפשר להשתמש בממצאי המחקר למטרות יישומיות. כבר עכשיו ניתן להשתמש בידע הזה כדי לשנות מועדי פריחה של צמחים באמצעות שינויים גנטיים בגן קונסטנס או באמצעות שיטות אגרו-טכניות פשוטות כמו רשתות צל צבעוניות, המשפיעות על אורכי הגל של האור שמגיעים לצמח ובצורה זו גם על מועדי הפריחה".
They know evolution in action
https://www.hayadan.org.il/BuildaGate4/general2/data_card.php?Cat=~~~766844090~~~199&SiteName=hayadan