עם יותר מ-50,000 מינים מתוארים, משפחת חיפושיות העלים מופצת ברחבי העולם ומייצגת כרבע ממגוון המינים של כל אוכלי העשב. ניתן למצוא שחיפושיות עלים ניזונות כמעט מכל קבוצות הצמחים. הם חיים בריזוספרה, בחופה ואפילו מתחת למים. חיפושיות עלים רבות, כמו חיפושית תפוחי האדמה בקולורדו, הן מזיקים ידועים לשמצה. עושר המינים והתפוצה הגלובלית שלהם מדגישים את הצלחתם האבולוציונית, וזה מדהים במיוחד בהתחשב בכך שעלים הם מקור מזון קשה לעיכול ומספקים חומרים מזינים לא מאוזנים.
חוקרים מהמחלקה לסימביוזת חרקים במכון מקס פלנק לאקולוגיה כימית ביינה וקבוצת המחקר של הדדיות במכון מקס פלנק לביולוגיה בטובינגן, גרמניה, שאלו כעת כיצד חיפושיות העלים התגברו על אתגרים תזונתיים אלה לאורך האבולוציה. האם מיני חיפושיות עלים שונים משתמשים באותה אסטרטגיה, או שמא מצאו דרכים אחרות להשיג את מטרתם התזונתית?
הבנת תפקידו של חומר גנטי זר
כמעט כל חיפושיות העלים שילבו בגנום שלהן חומר גנטי זר, שאחראי לייצור אנזימים הדרושים לעיכול רכיבי דופן התא הצמחי. לדוגמה, פקטינאז הם אנזימים המפרקים פקטין – סיבים תזונתיים בלתי ניתנים לעיכול עבור בני אדם, אך עוברים חילוף חומרים על ידי חיידקים רבים. כמחצית ממינים של חיפושיות העלים חיים בקשר הדוק עם חיידקים סימביוטיים. הסימביונטים הללו מספקים לחיפושיות אנזימי עיכול חשובים שיעזרו להן לפרק רכיבי מזון. לרוב הם גם מספקים לחיפושיות ויטמינים וחומצות אמינו חיוניות.
החוקרים יודעים ממחקרים קודמים שלהם שהחיפושיות משתמשות הן בפקטינאזות מהגנום שלהן והן באלו המקודדות על ידי סימביונים.
אנזימי עיכול אלו חיוניים להישרדותן של החיפושיות. עם זאת, יש לנו רק הבנה מקוטעת אילו מיני חיפושיות זקוקים לחיידקים סימביוטיים לעיכול, אילו לא, ומאיפה מגיעות הפקטינאזות של החיפושיות. רצינו לשחזר את התרחישים האבולוציוניים שהובילו לדפוסי התפוצה של היום באמצעות מחקרים השוואתיים של כל קבוצות החיפושיות".
רועי קירש, סופר ראשון
בתמיכתם של עמיתים לאומיים ובינלאומיים, הצוות ביצע ניתוחי גנום ותעתיק של 74 מיני חיפושיות עלים מרחבי העולם. באמצעות ניתוח השוואתי זה על פני כל תת-משפחות חיפושיות העלים, החוקרים יכלו להבין כיצד התפתחה ההפצה הנוכחית של האנזימים של החיפושית והאנזימים המקודדים בסימביונט. "הצלחנו גם להדגים שהעברת גנים אופקית, תופעה שמתארת שילוב של גנים זרים מחיידקים בגנום, שכיחה למדי בחיפושיות עלים. גם הסימביוזה וגם העברה האופקית של גנים השפיעו מאוד על התפתחות החרקים", אומר רועי קירש.
אבולוציה דינמית של פקטינאז
הניתוחים גם גילו שהרוב המכריע של מיני החיפושיות משתמש בפקטינאז משלהם, שנרכש באמצעות העברת גנים אופקית, או בפקטינאז של סימביונות החיידקים שלהם. עם זאת, פקטינאז חיפושית וסימביונט מעולם לא התרחשו יחד באף מין חיפושית.
"ההתפלגות הבינארית של חיפושיות המקודדות לפקטינאזות בתוך הגנום שלהן לעומת אלו הרוכשות אותן באופן סימביוטי נותרה אחד הממצאים הבולטים ביותר מהמחקר. דפוס כזה מעלה שאלות נוספות בנוגע לאופן שבו העברת גנים אופקית וסימביוזה עיצבו את הדרך שבה חיפושיות צורכות ומעבדות עלווה, והפשרות הקשורות במיקור חוץ של תכונה מטבולית מרכזית", מסביר חסן סאלם, שעומד בראש קבוצת המחקר של מקס פלאנק על הדדיות.
תוצאות המחקר מראות כי האבולוציה של פקטינאז היא דינמית ומאופיינת בחילופין של העברת גנים אופקית וספיגת סימביונות. "אתה יכול לדמיין את התהליך הזה באופן הבא: כאשר נוצרת סימביוזה, פקטינאז של חיפושית מהעברת גנים אופקית קודמת מוחלף בפקטינאז סימביונט. היתרון בשילוב סימביונט הוא שלפקטינאז שלו עשוי להיות פעילויות חדשות או להיות יעיל יותר, והסימביונט עשוי גם לספק יתרונות נוספים, כגון ייצור אנזימי עיכול אחרים או חומרים מזינים חיוניים של החיפושית אין עוד צורך בגן הפקטינאז והוא הולך לאיבוד במהלך האבולוציה ככל שהאינטראקציה הסימביוטית מתקדמת, גן הפקטינאז של הסימביונט עשוי לעבור לגנום של החיפושית והסימביונטה עשויה ללכת לאיבוד, אבל תהליך זה צריך להיחקר ביתר פירוט", אומר מרטין. קלטנפות, ראש המחלקה לסימביוזת חרקים.
דרך להצלחה אבולוציונית
התוצאות מראות כיצד העברת גנים אופקית חוזרת ונשנית והקמת סימביוזות עם חיידקים אפשרו לחיפושיות העלים להסתגל במהירות לתזונה מבוססת צמחים, ותרמה להצלחתן האבולוציונית המדהימה.