ד"ר מיכל אורן-שמיר וצוותה - עדה ניסים-לוי, רינת עובדיה והילה ואקנין חוקרות את התופעה המוכרת למגדלי הפרחים: דהיית צבעם של עלי הכותרת בפרחי קטיף בקיץ ובעונות המעבר. לאור הנטייה להאריך את עונת השיווק ולהיכנס לעונות חמות נוצר הצורך לחקור ולבחון את התופעה, וכמובן - לחפש פתרון לבעיה: צבע דהוי של פרחים מביא לירידת מחיריהם של הפרחים בבורסה ואף לפסילתם.

מיכל אורן-שמיר היא ביוכימאית, חוקרת המחלקה, העוסקת כיום בפיגמנטים האנתוציאנינים של פרחי קטיף וענפי קישוט. מיכל, שרכשה את ניסיונה המדעי ואת התמחותה במכון ויצמן, משלבת את הביוכימיה במחקריה העוסקים בפיסיולוגיה של הצמח ו"מוסיפה צבע" לעולם הפרחים.

מיכל, מהם האנתוציאנינים?

"האנתוציאנינים הם קבוצת הפיגמנטים העיקרית האחראית לצבע בעולם הצומח. לקבוצה כמה מאות מרכיבים, בגוונים שמאדום, סגול ועד כחול. צבע הפרחים נקבע על-ידי תערובת של כמה פיגמנטים. האנתוציאנינים מצטברים בווקואולה של תאי האפידרמיס של הרקמה, בעלי הכותרת בפרחים וכן באיברי צמח שונים כמו פירות ועלים."

מה הם הגורמים המשפיעים על צבע הריקמה?

"גון הפיגמנטים האנתוציאניניים מושפע מכמה גורמים הקשורים בתנאי המיקרו סביבה, והוא יכול להשתנות כתוצאה משינויים החלים בתוך החלליות (הווקואולה). אפשר להבחין בשינוי צבע של תמיסת האנתוציאנין במבחנה עם השינוי בחומציות: עם העליה ב-pH של התמיסה הצבע משתנה מאדום לכחול, וכן להפך - עם הירידה ב pH. לעתים, בהזדקנות של פרחים, חלה עלייה ב-pH של הווקואלה והיא גורמת לשינוי גון הפרח ללא שינוי בהרכב הפיגמנטים. למשל, ורד אדום משנה את גונו לכחול-סגול עם ההזדקנות. גם שינוי בריכוז של מתכות שונות כמו מגנזיום ואלומיניום יכול להשפיע על הגוון."

"תנאי סביבה חיצוניים כמו אור, טמפרטורות ונוטריינטים משפיעים על סינתזת הפיגמנטים בצמח. אור כחול ואולטרה סגול ידועים כמעודדים יצירה של אנתוציאנינים וכך גם טמפרטורות נמוכות. טמפרטורות גבוהות מעכבות יצירת אנטוציאנינים. גם תנאי עקה כמו חוסר במינרלים שונים ותנאי יובש מגבירים את כמות הפיגמנטים."

מהו הגורם שבו התמקדתם במחקר?

"התמקדנו בטמפרטורת הגידול כגורם משפיע על צבע הפרחים. לאור ההרחבה של עונת שיווק הפרחים גם לעונות המעבר ולקיץ התעוררה בעיה של אחידות הצבע. בפרחים כמו ורדים, שאותם מגדלים כל השנה, יש חשיבות מסחרית לאמינות לצבע הזן המקורי. בניסיונות שערכנו בפיטוטרון בחנו את ההשפעה של טמפרטורות הגידול על הפיגמנטציה בצמחי אסתר מהזנים 'סנגל' ו'סנטנה' ממשתלת "דנציגר". מצאנו שעל אף ששני הזנים קרובים מאוד מבחינה גנטית, השפעת טמפרטורת הגידול על הפיגמנטציה של הפרחים היתה שונה. בזן 'סנטנה' ריכוז האנתוציאנינים הנבדק לא השתנה בטמפרטורת השונות; בזן 'סנגל' הוא ירד עם העלייה בטמפרטורה (איור 1). למרות שוני זה, נמצא שקצב יצירת האנתוציאנינים היה זהה בשני הזנים וירד עם העלייה בטמפרטורה. הנחנו שההבדל בין שני זני האסתר הוא בקצב הפירוק של הפיגמנטים, ומכאן הגענו למסקנה שיש להתמקד ביציבות ובפירוק של הפיגמנטים בריקמה."

מה יכול להשפיע על אורך החיים של האנתוציאנינים בריקמה?

"החיפוש אחר הגורמים המייצבים את הפיגמנטים הוביל אותנו לבחינת כמה חומרים וטיפולים העשויים להאריך את זמן החיים של האנתוציאנינים בתאי הפרח. ידוע מהספרות שמתכות כמו ברזל, מנגן, מגנזיום ואלומיניום יוצרות קומפלקסים עם הפיגמנטים, מייצבות אותם ומאריכות את זמן החיים שלהם. מטרת המחקר שלנו הייתה לבדוק כיצד ובאמצעות אילו מהמתכות אפשר להגדיל את ריכוז הפיגמנטים בפרחים הגדלים בטמפרטורות גבוהות.. כדי ללמוד את התופעה ערכנו ניסויים בצמחים שלמים וגם פיתחנו מערכת in vitro, שבה פקעי פרחים מנותקים של אסתר גודלו בתמיסות סוכרוז ומתכות שונות. שיטה זו מאפשרת סריקה רחבה של טיפולים ובחינתם ישירות על הפרח."

אילו מהטיפולים השפיעו על צבע הפרחים בטמפרטורות הגבוהות?

"בחנו חומרים שונים באמצעות שיטות שונות, כמו ריסוס והגמעה של צמחים בעציצים, ואת השפעתם על צבע הפרחים. לאחר ניסיונות רבים מצאנו שטיפולי המגנזיום העלו את רמת האנתוציאנינים בצמחים שונים (אסתרים, קוקופלם וכף הקנגורו) וכן באיברים שונים של הצמח הצוברים פיגמנטים (עלי כותרת ועלווה). להבנת מנגנון ההשפעה של המגנזיום על ריכוז האנתוציאנינים בדקנו אם טיפולי המגנזיום גרמו להגברת קצב הסינתזה של האנתוציאנינים. מצאנו שפעילות האנזימים CHI (chalcone isomerase) ו (phenylalanine ammonia lyase) PAL- לא השתנתה כתוצאה מהטיפולים, והמסקנה מכך הייתה שככל הנראה העלייה בריכוזי האנתוציאנינים אינה תוצאה של סינתזה מוגברת של פיגמנטים. נראה אם כך שהמגנזיום משפיע על הארכת משך החיים של הפיגמנטים ולא על סינתזה של פיגמנטים חדשים.

"בניסוי שערכנו במערכת המנותקת מצאנו שטיפול במגנזיום בפקעי הפריחה מנע את דהיית הצבע בטמפרטורה גבוהה. ריכוז האנתוציאנינים שהתקבל היה זהה לזה שהתקבל בפרחים שגודלו בטמפרטורה נמוכה.

"עוד מצאנו שריכוזים גבוהים של מגנזיום מבטלים את הגדלת ריכוז האנתוציאנינים וגורמים נזקים בצמחים. יתכן שמציאת דרך להעשיר את הפרח (או העלווה המלבלבת) במגנזיום לפרק זמן קצוב תפתור בעיות אלו, וכך יתאפשר שימוש במגנזיום לשיפור הפיגמנטציה ברמה חקלאית."

מהו ה"מנגנון" שגורם לפרוק הצבע ברקמה הצמחית?

פרחי ברונפלסיה שנקטפו מיד לאחר פתיחת הפרח והוכנסו למצע מנותק (תמיסת 5% סוכרוז ו-TOG) למשך שלושה ימים. א. פרחים בתחילת הניסוי. ב. פרחי ביקורת, שהלבינו במשך תקופת הניסוי, ג. פרחים שהוטבלו בתמיסת סוכר בתוספת של 250 µM ציקלוהקסמיד, ששמרו על צבעם הסגול ליד העורקים, באזורים בהם ריכוז המעכב היה גבוה יחסית, ו-ד. פרחים שלפני הכנסתם לתמיסת הסוכרוז הוטבלו למספר שניות בתמיסת 1 mM ציקלוהקסמיד.

"לאחרונה התחלנו בעבודה עם פרחי ברונפלסיה (Brunfelsia calycina) הידועה גם כYesterday Today Tomorrow-. בחרנו בצמח זה בגלל שינוי הצבע הדרמטי המתרחש בפרחיו במשך ימים ספורים. לפרחים אלו כמה יתרונות נוספים כצמחי מודל ללימוד תהליכי הפירוק של האנתוציאנינים: פרחי השיח הרב-שנתי נפתחים בצבע סגול כהה ומלבינים מבלי לאבד מחיוניותם בתוך שלושה ימים; מיצוי הפיגמנטים והפרדתם ב-HPLC הראה שהפרחים צוברים אנטוציאנידין (המבנה הבסיסי של האנטוציאנין) אחד בלבד (Malvidin) ושינוי צבעם נובע באופן ישיר מירידה בריכוז הפיגמנט ולא משינויי חומציות שרק משנים את צבע הפיגמנט; אפשר לנתק פקעי פריחה ולהעבירם למצע מנותק, והפרחים ייפתחו ויישארו חיוניים למשך יותר משבוע; שינוי הצבע הנראה על פרחי השיח מתרחש גם בפרחים המנותקים.

"במערכת זו של פרחים מנותקים בתמיסת סוכרוז בחנו דרכים לעכב את פירוק הצבע בעלי הכותרת. טיפול בפרחים המנותקים בcycloheximide-, מעכב סינתזה של חלבון, עיכב את פירוק הפיגמנט באופן מוחלט, ופרחים מטופלים נשארו חיוניים וסגולים למשך שבוע. לעומתם, פרחי הביקורת הלבינו. מכאן שפירוק האנתוציאנינים בפרחי ברונפלסיה דורש סינתזה של חלבונים חדשים לאחר פתיחת הפרח (זהו השלב שבו אנחנו מתחילים בטיפול). בשלב זה לא ברור אם החלבונים המסונתזים הם אנזימים המפרקים באופן ישיר את הפיגמנטים או חלבונים המתחילים שרשרת של תהליכים שסופה פירוק האנתוציאנינים. הממצא שבמערכת צמחית מסוימת תהליך פירוק האנתוציאנינים דורש סינתזה של אנזימים חדשים הוא חדשני, ופותח כיווני מחקר רבים לבחינת אפשרויות למניעת פירוק פיגמנטים בפרחים בזמן גידולם." 

 במה יתמקד המשך המחקר?

"אנחנו מציעים להמשיך לחקור את מנגנון פירוק האנתוציאנינים כדי למצוא פתרונות לשיפור של צבע הפרחים בעונות החמות. נשתמש בפרחי ברונפלסיה כצמח מודל, ובהמשך המחקר נבחן כמה פרחים בעייתיים במיוחד בנושא דהיית צבע בטמפרטורות גבוהות. נבדוק פרחי פלוקס ואקוניטום במטרה לקבוע אם גם בהם מתרחש פירוק של אנתוציאנינים והאם על ידי עיכוב של פירוק זה אפשר לשפר את צבע הפרחים באופן ניכר. צפוי שהמחקר יוביל להבנה מעמיקה יותר של תהליכי הפירוק של אנתוציאנינים בפרחים, ויתכן שגם לפתרונות לשיפור הצבע בגידולים מסחריים.

"ברצוני לציין שעד היום רוב המחקרים בנושא פיגמנטציית אנתוציאנינים בצמחים עסקו בתהליך הסינתזה. ידע רב קיים על תהליכי סינתזת אנתוציאנינים ועל הבקרה שלהם. לעומת זאת, הידע על פירוק הפיגמנטים הוא אפסי.

"הממצא הראשוני שלנו, שבפרחי ברונפלסיה תהליך פירוק האנתוציאנינים תלוי בסינתזה של חלבונים חדשים, הוא חדשני ברמה המדעית הבסיסית ופותח אפשרויות לפתרונות אפליקטיביים בעתיד לשליטה בצבע פרחים ומוצרים חקלאיים אחרים.

"עולם פורח" גליון 18, 50-48. (2002)