טובים השניים (וגם הארבעה)
פוליפלואידיות היא מצב שבו יצורים חיים, או חלק מתאי גופם, מכילים יותר משתי מערכות של כרומוזומים. מתברר שזהו מצב פחות נדיר ממה שמקובל לחשוב. על פוליפלואידיות בצמחים ובבעלי חיים
חיטה, כותנה, טבק, קפה, תפוח אדמה, קנה סוכר, בננה, אבטיח בלי גרעינים, דגי סלמון, סוגים מסוימים של חיפושיות ושל צפרדעים, תאי כבד, תאי לב ותאים מֶגה־קַריוֹציטים ביונקים – מה משותף לכולם? התשובה: כולם דוגמאות של יצורים או של תאים פּוֹליפְּלוֹאידיים. פוליפלואידיות היא מצב שבו יצורים חיים, או חלק מתאי גופם, מכילים יותר משתי מערכות של כרומוזומים.
סרטון חביב על פוליפלואידיות
אם נחזור לשיעורי הביולוגיה הבסיסיים, נזכור שהיצורים הראשונים (כגון חיידקים), הכילו מערכת גנומית אחת, כלומר היו מונו־פלואידיים (1n). בהמשך התפתחו יצורים המכילים שתי מערכות גנומיות – אחד מהאם ואחד מהאב, כלומר די־פלואידיים (2n). המצב הדיפלואידי נשמר במשך האבולוציה – והוא קיים החל ביצורים חד־תאיים כמו שמרים, ועד ביצורים רב־תאיים מורכבים, כמו צמחים, בעלי חיים ובני אדם. אך מתברר כי לצד היצורים הדיפלואידיים אפשר לראות גם יצורים שהם כביכול "יוצאי דופן", המכילים יותר משתי מערכות של כרומוזומים בגרעיני התאים שלהם – יצורים טרי־פלואידיים (3n), טֶטרה־פלואידיים (4n), הֶקסה־פלואידיים (6n), ואף יותר. למעשה לאורך כל האבולוציה ובכל קבוצות היצורים החיים, יש דוגמאות כה רבות של פוליפלואידיות, עד שקשה להגדיר זאת כדבר "יוצא דופן".
כיצד נוצר פוליפלואיד? נתאר לדוגמה את היווצרותו של צמח טטרה־פלואידי, 4n. צמח כזה יכול להיווצר בשני אופנים: האחד, היווצרות גנום מוכפל (מ־2n ל־4n) בתוך אותו מין ביולוגי. יצור כזה ייקרא אוטו־טטרה־פלואיד. הדבר יכול להתרחש בעקבות הכפלה של הגנום, ללא חלוקת התא, או בעקבות היווצרות חריגה של תאי מין בעלי 2n כרומוזומים (בניגוד למצב הרגיל, שבו תאי המין מכילים 1n כרומוזומים בלבד). האופן השני של יצירת פוליפלואיד הוא היווצרות גנום מוכפל (מ־2n ל־4n) בעקבות הכלאה בין שני מינים ביולוגיים שונים (בדרך כלל מינים קרובים). לדוגמה, אם גרגר אבקה של מין ביולוגי אחד יפרה ביצית של מין ביולוגי אחר, התוצר יהיה ביצית־מופרית (זיגוטה) דיפלואידית (2n), בעלת מערכת אחת של כרומוזומים ממין ביולוגי אחד ומערכת אחת ממין ביולוגי אחר. זהו מצב בעייתי בשל האפשרות לחוסר התאמה בזיווג הכרומוזומים ההומולוגיים במיוזה (חלוקת ההפחתה; חלוקת תא ליצירת תאי המין, שבמהלכה צריכים כרומוזומים משתי המערכות להיצמד), מה שמוביל לחלוקה לא תקינה של הכרומוזומים. לכן, בני כלאיים דיפלואידיים כאלה יהיו בדרך כלל עקרים; דוגמה לכך הוא הפרד, הנוצר מהכלאה בין חמור לסוסה (או ההכלאה הפחות נפוצה בין סוס לאתון). ואולם אם תתרחש הכפלה של מספר הכרומוזומים, יתקבל צאצא טטרה־פלואידי (4n), שבו יש שתי מערכות של כרומוזומים מכל אחד מהמינים (2n+2n). יצור כזה נקרא אָלוֹ־טטרה־פלואיד. גם מצב זה הוא בעייתי – כיוון שבאופן רגיל יש דמיון רב בכרומוזומים בין שני המינים הביולוגיים המקוריים, במקרים רבים עשויה להיות היצמדות של ארבעה כרומוזומים בחלוקת ההפחתה, במקום היצמדות של שניים.
ואולם, קיימת אפשרות שאלו־טטרה־פלואיד כזה ישרוד ויתבסס כמין ביולוגי חדש, וכן ייתכנו סוגי פוליפלואידיות נוספים – לדוגמה, מהורה או מהורים טטרה־פלואידיים (4n) יכול להיווצר יצור אוֹקטה־פלואידי (8n). כמו כן, זיווג בין טטרה־פלואיד (4n) לדיפלואיד (2n) ייתן צאצא טרי־פלואידי (3n) – יצור כזה יהיה בדרך כלל עקר, בשל המספר האי זוגי של מערכות כרומוזומים, מה שלא מאפשר היצמדות תקינה של כרומוזומים במיוזה. גם במקרה זה הכפלת מספר הכרומוזומים, שתביא להקסה־פלואידיות (6n), עשויה לאפשר את הישרדותו של מין ביולוגי חדש.
צילום: שאטרסטוק
עוזר לחקלאות
פוליפלואידיות שכיחה בעיקר בצמחים – בטבע ובחקלאות. הסיבה לכך היא שככל הנראה צמחים עמידים יותר לבעיות הקשורות לפוליפלואידיות. פוליפלואידיות מאפשרת במקרים רבים התאמה מהירה יחסית לתנאי סביבה משתנים – דבר שחשוב במיוחד לצמחים שהם קבועי מקום. נוסף על כך, הפריה בין שני מינים ביולוגיים שונים, אך קרובים מספיק ליצירת בן כלאיים, נפוצה יותר בצמחים מאשר בקרב בעלי חיים. כאמור, בן כלאיים דיפלואידי יכול להיות שלב ביניים ביצירת מין ביולוגי חדש, טטרה־פלואידי. לפי הערכות שונות, לפחות 30 אחוז מצמחי הפרחים (מכוסי הזרע) הם פוליפלואידיים, ולפחות ל־70% מהם יש היסטוריה של פוליפלואידיות במהלך האבולוציה שלהם. אחוז הפוליפלואידים גבוה גם בקרב השרכים, שהם צמחים חסרי זרעים: נראה שיותר ממחצית ממיני השרכים בטבע הם פוליפלואידיים. כלומר, פוליפלואידיות בצמחים אינה תופעה נדירה ואזוטרית, אלא מצב שכיח מאוד.
פוליפלואידיות נפוצה מאוד גם בגידולים חקלאיים. ברוב המקרים מדובר במינים פוליפלואידיים שנוצרו באופן טבעי, אך עברו תהליך של ברירה על ידי האדם (או במילים אחרות, השבחה גנטית חקלאית). נראה שהפוליפלואידיות מאפשרת התאמה של גידולים חקלאיים רבים לסביבות ולתנאים משתנים וקשים. ייתכן גם שבמקרים מסוימים הפוליפלואידיות תורמת לעלייה בגודל הצמח, הפרי או הגרעינים ולהגדלת התנובה.
החיטה היא כנראה הגידול הפוליפלואידי השכיח והמפורסם ביותר. החיטה הרכה (חיטת הלחם) של ימינו היא אָלוֹ־הֶקסה־פלואידית (6n). מקורו של החומר הגנטי שבה הוא בשלושה מיני בר דיפלואידיים שונים. כאמור, אָלוֹ־פוליפלואידיות נוצרת מהכלאה של שני מינים ביולוגיים, ובעקבותיה הכפלת מספר הכרומוזומים. במקרה של החיטה, אירוע ההכלאה וההכפלה הראשון (מ־2n ל־4n) התרחש לפני כ־10,000 שנה, עוד קודם לתִרבות החיטה על ידי האדם. גם כיום יש זני חיטה טטרה־פלואידיים (4n), למשל חיטת הדוּרוּם, המשמשת להכנת פסטות. לפני כ־8,000 שנה התרחש אירוע ההכלאה וההכפלה השני, כאשר החיטה המתורבתת של אז (4n) הוכלאה עם חיטת בר דיפלואידית (2n), כך שהתקבלה חיטת הלחם ההֶקסה־פלואידית (6n) של ימינו.
מלבד החיטה יש כאמור גידולים חקלאיים פוליפלואידיים רבים נוספים. למשל, הכותנה החקלאית של ימינו היא אלו־טֶטרה־פלואידית (4n). מקורה כנראה בהכלאה ובהכפלה של מספר כרומוזומים של שני מיני בר דיפלואידיים (2n) של כותנה, מאורע שהתרחש בטבע לפני כ־1.5־2 מיליון שנה. גם הטבק הוא צמח אלו־טטרה־פלואידי, וכך גם המין השכיח ביותר של צמח הקפה.
בתפוחי אדמה, המין הביולוגי הנפוץ ביותר הוא אוטו־טטרה־פלואידי (4n). אף שבמקור ארבע המערכות הגנומיות שלו היו כנראה דומות מאוד זו לזו, הן התפתחו כך שכיום כל אחת מהמערכות שונה באופן ניכר מהאחרת. הריבוי של תפוחי אדמה בימינו נעשה ברבייה אל־מינית, רבייה וֶגֶטטיבית של פקעות קטנות.
צילום: שאטרסטוק
אז אחרי שהתלבשנו (כותנה), שתינו קפה (רצוי ללא טבק), אכלנו ארוחת בוקר (חיטה) וארוחת צהרים (תפוח אדמה), הגיע הזמן לקינוח: לתות הגינה מינים דיפלואידים (2n), טטרה־פלואידים (4n), הֶקסה־פלואידים (6n) ואוֹקטה־פלואידים (8n). קנה הסוכר הוא אולי הצמח המורכב והמתוסבך ביותר מבחינת הפלואידיות שלו. לפני כ־100 שנה הכליאו בני האדם בין קנה סוכר מתורבת אוקטה־פלואידי (n=10, 8n=80) למין בר פֵּנטָפלואידי (n=8, 5n=40), וכתוצאה מכך יש כיום מגוון רחב של מינים, המכילים בדרך כלל בין 10n ל־16n, עם כ־120־130 כרומוזומים.
בחקלאות המודרנית פוליפלואידיות מנוצלת גם ליצירת פירות ללא גרעינים. צמחים אלה הם בדרך כלל טריפלואידים (3n). כאמור, מספר אי זוגי של מערכות כרומוזומים גורם בדרך כלל לבעיות קשות במיוזה וברבייה המינית, ולכן הזרעים שבפירותיהם מנוונים. מפורסם ביותר בהקשר זה הוא אבטיח ללא גרעינים. תהליך יצירתו כולל הכלאה בין צמח טטרה־פלואידי (4n) לצמח דיפלואידי (2n), לקבלת צאצא טריפלואידי (3n) עקר. התפתחות הפרי מושרית באמצעות האבקה מצמח דיפלואידי. גם במקרה של בננה (מוז), חלק מהמינים בחקלאות הם טריפלואידים (3n) עקרים ונטולי גרעינים. הרבייה של צמחי בננות אלו נעשית באמצעות רבייה אל־מינית, וֶגֶטטיבית, באמצעות ייחורים.
בעלי חיים פוליפלואידים
השכיחות של פוליפלואידיות בבעלי חיים נמוכה מאשר בצמחים, ובכל זאת ישנן דוגמאות רבות לכך. בתולעים שטוחות יש מינים טריפלואידים (3n), ובדומה לאבטיח ובננה הטריפלואידים, גם הם עקרים. הם מתרבים ברבייה אל־מינית מסוג פַּרתֶנוֹגֶנֶזה (Parthenogenesis, "רביית בתולין"), כלומר התפתחות עובּרית מביצית שאינה מופרית. גם כמה מינים של חסילונים (שרימפס) הם טריפלואידים (3n) או טטרה־פלואידים (4n). מבין החרקים, דוגמה מעניינת היא החיפושיות מסוג חדקונית (חיפושיות בעלות "חדק"). כיום יש בעולם כ־60 אלף מינים ביולוגיים שונים של חדקוניות (!), רובם פוליפלואידים. יש אזורים שבהם חיים מינים דיפלואידים ופוליפלואידים זה לצד זה, אולם באזורים "קשים" יותר למחיה נצפים בדרך כלל מינים פוליפלואידיים בלבד. כלומר, בהחלט ייתכן שפוליפלואידיות מהווה בסיס להתאמה אבולוציונית לסביבות חדשות. נוסף על כך, פוליפלואידיות כאמור מגבירה היווצרות מינים ביולוגיים חדשים, וייתכן שזו הסיבה לכך שיש שפע כזה של מיני חדקונית.
יש גם לא מעט חולייתנים פוליפלואידיים. דגים מסוג חדקן (Sturgeon), קרפיון ועוד. כמו כן, יש סוגי דגים שבהם כל המינים הם פוליפלואידים – סלמון. גם בדגים אפשר לראות התאמה מסוימת בין פוליפלואידיות לבין עושר של מינים ביולוגיים. מחקרים מראים שדגים פוליפלואידים גדלים לממדים גדולים יותר והם עמידים יותר בפני מחלות, בהשוואה לדגים דיפלואידים. פוליפלואידיות תוארה אמנם רק ב־9 מתוך 57 סדרות של דגים, אלא שסדרות אלה מכילות כ־63 אחוז מסך כל מיני הדגים.
צילום: שאטרסטוק
הפוליפלואידיות לא פסחה גם על הדו־חיים. בצפון אמריקה יש אוכלוסיות של סלמנדרות חד־ מיניות (Unisexual), כלומר נקבות בלבד. בדרך כלל נקבות אלה מופרות על ידי זכרים של מין סלמנדרה קרוב, והביצית המופרית נפטרת מהגנום הזכרי וממשיכה להתפתח עם הגנום שלה בלבד. עם זאת, לעתים נשמר הגנום הזכרי, ומתקבל צאצא היברידי אלו־טריפלואידי (2n+1n=3n), או צאצא היברידי דיפלואידי (2n), עם גנום אחד מהמין הביולוגי של האם והשני של האב, כאשר בעקבות הכפלת מספר הכרומוזומים נוצר אלו־טטרה־פלואידי (1n+1n=2n, 2nx2=4n). בצפרדעים, 19 מתוך 20 מינים של הצפרדע האפריקאית קסנופוס (Xenopus) הם פוליפלואידים, החל מטטרה־פלואידים (4n), ועד 12n (!). גם הצפרדע הרפואית (Xenopus Laevis), המשמשת כחיית מחקר מרכזית בביולוגיה התפתחותית, היא טטרה־פלואידית (4n). יש גם לטאות פוליפלואידיות, בדרך כלל טריפלואידיות (3n) שלהן רבייה פרתנוגנטית.
לא ידוע על מינים פוליפלואידים בעופות או ביונקים. אמנם, ב־1999 פורסם דיווח ב־Nature כי נמצא מין טטרה־פלואידי (4n) של מכרסם בארגנטינה, אך הטענה הופרכה במאמר שפורסם ב־2005, שבו הוכח כי למעשה מדובר ביצור דיפלואידי (2n).
עם טכנולוגיות הריצוף הגנומי של ימינו אפשר לזהות גם פוליפלואידיות שהתרחשה בהיסטוריה של שושלות אבולוציוניות שונות (מה שנקרא פָּלֵאוֹ־פוליפלואידיות). כלומר, יצורים שהיום הם דיפלואידים (2n), אך בעבר היה להם כנראה אב קדום פוליפלואידי. רשימה זו כוללת בין היתר את שמר האפייה (S. cerevisiae), הצמח תודרנית (Arabidopsis) והאורז. כנראה שלחולייתנים אב קדום פוליפלואידי. אפשר לומר שבסקאלה אבולוציונית יש דינמיות בין מצבי פלואידיות שונים, כלומר בין דיפלואידיות לפוליפלואידיות.
לפוליפלואידיות יש גם חסרונות רבים. מצב שבו יש יותר משני כרומוזומים הדומים מאוד זה לזה גורם פעמים רבות לבעיות קשות בחלוקת התא, גם בחלוקה ה"רגילה" (מיטוזה), ובעיקר בחלוקה של יצירת תאי המין (חלוקת הפחתה, מיוזה). ואכן, יצורים פוליפלואידים עלולים לסבול מבעיות רבות בהקשר של רבייה מינית, עד כדי עקרות. במאמר מוסגר ראוי לציין שכ־10 אחוזים מההפלות הטבעיות באדם הן של עובּרים פוליפלואידיים. תאים פוליפלואידיים נוטים להיות גדולים יותר מהרגיל, ולכן בעלי יחס קטן יותר בין שטח הפנים לנפח, מה שעלול לשבש תהליכים רבים. כמו כן, כל בקרת הביטוי של גנים בפוליפלואידים עשויה להשתבש קשות.
ובכל זאת, פוליפלואידים שיעברו את ההתאמות הרלוונטיות וישרדו, עשויים ליהנות מיתרונות משמעותיים. המעבר משני עותקים גנומיים לארבעה (או יותר) מגדיל למשל את ההגנה מפני מוטציות רצסיביות הגורמות לחוסר פעילות של גן כלשהו. בדיפלואידים (2n), כאשר שני ההורים נשאים של גן פגום רצסיבי יחיד (Aa), ההסתברות לצאצא חולה (aa) היא 1:4. לעומת זאת, להורים טטרה־פלואידים (4n), שלשניהם גנוטיפ AAaa, ההסתברות לצאצא חולה (aaaa) היא 1:36 בלבד. נוסף על כך, בדיפלואיד בעל גנוטיפ Aa מספיקה מוטציה אחת נוספת במהלך חייו כדי שיהפוך לחולה (aa), בעוד שבטטרה־פלואיד AAaa יידרשו שתי מוטציות. העותקים הנוספים, "העודפים", שיש לפוליפלואידים מאפשרים גם "משחק" אבולוציוני נרחב יותר. עותקים אלה נתונים באופן רגיל ללחץ אבולוציוני נמוך ביותר, אם בכלל. כלומר, מוטציות שבהן לא יפגעו בדרך כלל בסיכויי ההישרדות של הפרט הנושא אותן (מיכל- לא הבנתי את המשפט) (כי יש לו עותקים נוספים, תקינים, כגיבוי). בעקבות זאת, בפוליפלואידים חדשים נראה "התפוצצות" אבולוציונית של יצירת פונקציות ובקרות חדשות בגנים שונים. נוכחנו כבר כי נראה שמינים ביולוגיים וזנים פוליפלואידיים עמידים יותר לסביבות חדשות וקשות ולתנאי עקה שונים; סביר להניח שלאבולוציה מזורזת שכזו תפקיד מפתח בכך.
העותקים, העודפים וקצב המוטציות הגבוה, עם הצורך להיווצרות הבדל מסוים בין הכרומוזומים (לצורך מיוזה תקינה), מביאים בדרך כלל ל"הפחתת" הפוליפלואידיות. זאת, כתוצאה ממוטציות רבות הגורמות לשוני ניכר בין עותקי הגנים השונים או כתוצאה מאיבוד של מקטעים גנומיים ואפילו כרומוזומים שלמים. אם תהליך זה נרחב דיו, ייתכן שבסופו ייווצר שוב יצור שאותו אפשר לכנות דיפלואיד (2n). כלומר, אפשר לצפות לאיזושהי מחזוריות באבולוציה מבחינת רמת הפלואידיות.
נוסף על ההיווצרות הטבעית של פוליפלואידיות אפשר גם להשרות פוליפלואידיות באופן מכוון לשימושים חקלאיים ולמחקר. אחד החומרים המשמשים לכך הוא קולכיצין (Colchicine), חומר שמעכב את יצירת סיבי כישור־החלוקה, האחראים על משיכת הכרומוזומים לקטבים בזמן חלוקת התא (מיטוזה או מיוזה). כתוצאה מכך, במקום לקבל תאי בת שווים, עם 2n כרומוזומים (מיטוזה) או 1n (מיוזה) בכל אחד מהתאים, מקבלים תאי בת לא שווים, עם 0 ו־4n (במיטוזה) או 0 ו־2n (במיוזה). כמו כן, קיימות טכנולוגיות להשראה מלאכותית של פוליפלואידיות.
נוסף לתופעת הפוליפלואידים השלמים, יש גם תופעה המכונה אֶנדו־פוליפלואידיות או פוליפלואידיות סוֹמָטית – כאשר ביצור שרובו דיפלואידי (2n) יש תאים מסוימים שהם פוליפלואידים. בצמחי זרע תופעה זו מתרחשת למשל באֶנדוֹספֶּרם, הרקמה המזינה של הזרעים, שמכיל תאים טריפלואידים (3n). פוליפלואידיות סומטית בבעלי חיים יכולה להיווצר בעקבות הכפלת מספר הכרומוזומים של תא שאינה מלווה בחלוקתו לשני תאי בת. תופעה זו מתרחשת ביונקים, למשל בתאי לב, תאי כבד ותאים מֶגָה־קַריוֹציטים (מקורן של טסיות הדם). גם כאן יכולה להיות שונוּת גדולה בין מינים ביולוגיים קרובים יחסית. למשל, האנדו־פוליפלואידיות בעכברים רבה יותר בכבד, אך מעטה יחסית בלב, ואילו בבני אדם המצב הפוך – יותר בלב ופחות בכבד. עדיין לא ברור מה תרומתה של תופעה זו ביונקים, וכיצד מסייעת הפוליפלואידיות הסומטית לאיברים ולתאים אלה למלא את תפקידם.
לסיכום, פוליפלואידיות אינה תופעה חריגה כלל. יכולת ה"משחק" בין מצבי פלואידיות שונים, עם סוגי רבייה שונים, מאפשרים התאמות אבולוציוניות לתנאים משתנים, ויצירת מינים ביולוגיים חדשים ומותאמים, בטבע ובחקלאות.