Odrobina Genetyki Autor: mgr inż. Konrad Szychowski

Transkrypt

1 Odrobina Genetyki Autor: mgr inż. Konrad Szychowski Coraz więcej hodowców zaczyna krzyżować swoje rośliny tworząc często bezwartościowe mieszańce. Jednak nie możemy robić tego bezcelowo a każdy z nas powinien być świadomy podstawowych praw rządzących procesem dziedziczenia. Dzięki czemu będziemy mogli przewidzieć efekty krzyżowania i pokierować naszą dalszą pracą w odpowiednim kierunku. Opisanie tutaj niezwykle skrótowo mechanizmy wyjaśnią także pojawianie się niezwykłych form roślin. Genetyka (ze starożytnej greki: γένεσις genesis - "pochodzenie") jest nauką o dziedziczności i zmienności organizmów, które są oparte na informacji zawartej w podstawowych jednostkach dziedziczności, czyli w genach. [5] Za ojca genetyki uważany jest Grzegorz Mendel. Stworzył on podstawy tej nauki i zainspirował wielu kolejnych badaczy do zgłębiania natury dziedziczenia cech. Sformułował prawa dziedziczenia w 1865 roku, mimo że obecnie są one w pełni doceniane i uważane za fundament genetyki, to w czasach Mendla pozostawały zupełnie niezauważone. Stały się znane dopiero w 1900 roku, kiedy to trzej inni naukowcy (de Vries, Correns, von Tschermak) potwierdzili ich treść własnymi badaniami. Niezbędne będzie wyjaśnienie kilku pojęć, bez których zrozumienie treści, które chce przekazać może być niemożliwe. Fenotyp odnosi się do własności pojedynczego organizmu lub grupy organizmów wykazujących określoną cechę. Zmienność fenotypowa wynika głównie z różnic genetycznych między osobnikami, lecz może być efektem bezpośredniego wpływu środowiska na rozwój organizmu. [1] Genotyp to typ genetyczny pojedynczego organizmu lub grupy organizmów stanowiących obiekt naszego zainteresowania i wykazujących określony typ, co najmniej w jednym locus. [1] Locus (l. mn: loci) to określone miejsce na chromosomie lub, częściej, gen zajmujący to miejsce. [1] Allel to określona forma genu, zazwyczaj odróżniana od innych alleli poprzez wpływ, jaki wywiera na fenotyp. [1] Organizm diploidalny osobnik mający w komórkach somatycznych podwójny podstawowy zespół chromosomów (2x) i normalną, tj. podwójną liczbę chromosomów (2n), wniesioną do zygoty w wyniku zlania się dwóch haploidalnych gamet. [5] Organizm haploidalny osobnik, którego każda komórka (czy prawie każda komórka) zawiera gametyczną (typową u danego gatunku dla gamet) liczbę chromosomów - liczbę haploidalną, czyli "1n". [5] Podstawowe prawa dziedziczenia cech. Prawa Mendla to prawa dziedziczenia cech organizmów żywych. Mendel przeprowadzał swoje eksperymenty, dotyczące dziedziczenia, na czystych liniach grochu jadalnego. Czysta linia oznacza, że osobniki brane do badań nie były mieszańcami różnych odmian grochu, ale od pokoleń pochodziły z krzyżowania w obrębie jednej linii. Efekt jest wtedy taki, że potomstwo osobników z tej samej czystej linii ma te same cechy co rodzice. Podobne sytuacje obserwujemy w środowisku naturalnym, gdy populacja jest niewielka i odizolowana od innych. Dzieje się tak także w ogrodach zoologicznych bądź botanicznych gdzie zwierzęta i rośliny krzyżowane są w pokrewieństwie tworząc homozygoty. O ile dla zwierząt staramy się tego unikać czasem dla roślin jest to prowadzone celowo, o czym będzie

2 w dalszej części artykułu. Poniżej przedstawiam prawa Mendla w uwspółcześnionej wersji, używając nowoczesnych pojęć. Trzeba pamiętać, że w XIX wieku było za wcześnie na znajomość genów i alleli. Sam Mendel nazywał je mgliście: "czynnikami dziedzicznymi". I Prawo Mendla (prawo czystości gamet) - każda komórka płciowa (gameta) wytwarzana przez organizm, niesie tylko 1 allel każdego genu (czyli jest haploidalna). Mendel wydedukował treść tego prawa z przesłanek doświadczalnych. Krzyżował on linie czyste grochu z kwiatami czerwonymi (AA) z liniami czystymi o kwiatach białych (aa). Te pierwsze niosły w swoich komórkach 2 allele A warunkujące obecność czerwonego barwnika (AA), a te drugie - dwa allele a warunkujące jego brak (aa) (Rys.1). Okazało się, że w pierwszym pokoleniu pojawiały się tylko rośliny o kwiatach czerwonych. Zgodnie z pierwszym prawem Mendla, tłumaczymy to tak: rośliny z czerwonymi kwiatami wytwarzały tylko gamety z allelem A, a rośliny z kwiatami białymi - tylko gamety z allelem a. Gdy ich gamety łączyły się, powstawały rośliny Aa o kwiatach czerwonych. Działo się tak dlatego, że dzięki allelowi A nadal potrafiły produkować barwnik. Mówimy, że allel A jest dominujący, a allel a - recesywny. W drugim pokoleniu (krzyżując rośliny Aa ze sobą) Mendel otrzymał 3/4 roślin o kwiatach czerwonych i 1/4 roślin o kwiatach białych. Tłumaczył to sobie tak: rośliny pokolenia I produkowały gamety A i gamety a. Istnieją cztery losowe kombinacje łączenia się tych gamet: AA, Aa, aa i aa. Trzy z tych kombinacji dają kwiaty czerwone, a jedna - kwiaty białe. Rys. 1. II Prawo Mendla (prawo niezależnego dziedziczenia się cech) - allel jednego genu dostaje się do gamety niezależnie (w dowolnej kombinacji) z allelami innego genu. Mendel wydedukował treść tego prawa krzyżując odmiany grochu o żółtych i gładkich nasionach (AABB) z odmianami o nasionach zielonych i pomarszczonych (aabb). Wyróżnił dwie grupy czynników dziedziczenia: A - żółtej barwy nasion (dominujący) a - zielonej barwy nasion oraz B - warunkujący gładki kształt nasion (dominujący) b - warunkujący pomarszczony kształt nasion Nietrudno zgadnąć, że gamety (AB) jednej odmiany grochu z gametami (ab) odmiany drugiej dawały w pierwszym pokoleniu tylko osobniki AaBb, czyli o żółtych i gładkich nasionach (ze względu na dominację tych cech). A co w drugim pokoleniu?

3 Rośliny AaBb, przy założeniu losowej, niezależnej segregacji alleli do gamet, powinny były tworzyć 4 rodzaje komórek płciowych: AB, Ab, ab i ab. Możliwą liczbę powstających kombinacji po zapłodnieniu przedstawia tabela (Rys.2): Rys.2 Wynika z niej, że rośliny: o żółtych i gładkich nasionach o żółtych i pomarszczonych nasionach o zielonych i gładkich nasionach o zielonych i pomarszczonych nasionach powinny wystąpić w II pokoleniu w stosunku liczbowym 9:3:3:1 Taki właśnie wynik otrzymał Mendel w swoich krzyżówkach. Był to dowód na to, że allele barwy nasion grochu i ich kształtu dziedziczą się niezależnie od siebie. Osiągnięcia Mendla były wielkie jak na swój czas i w wielu przypadkach zachowują swoją aktualność. Od 1865 roku genetyka jednak bardzo rozwinęła się i dzisiaj wiemy, że nie zawsze allele dziedziczą się niezależnie. Jest tak tylko wtedy, gdy znajdują się na oddzielnych chromosomach (pakietach informacji genetycznej) lub na tym samym chromosomie, ale w znacznej odległości od siebie. W przeciwnym razie są one sprzężone, czyli "lubią" występować razem, bo leżą blisko siebie na nici DNA i jest mało prawdopodobne, że zostaną rozdzielone przez proces zwany crossing over. Trzeba też zwrócić uwagę, że nie zawsze mamy do czynienia z dominacją jednego allelu nad drugim. Możliwa jest tzw. kodominacja. Wtedy to mieszaniec z różnymi allelami (np. Aa) ma cechy pośrednie. Dotyczy to bardzo wielu krzyżówek i takiego efektu możemy spodziewać się w pierwszej kolejności krzyżując ze sobą dwa gatunki. Poza tym, trzeba pamiętać, że nie zawsze w genetyce jest tak, że jedna cecha warunkowana jest przez allele jednego genu. Z reguły cechy organizmów żywych są poligeniczne (warunkowane przez współpracę alleli wielu genów), co znacznie komplikuje obraz zjawisk. Dodam jeszcze pewną uwagę: nie zawsze zestawienie 2 alleli recesywnych warunkuje dopiero wystąpienie cechy recesywnej (np. białego kwiatu). U człowieka, w przypadku płci męskiej, wystarczy jedna kopia alellu recesywnego, jeśli gen występuje na chromosomie płciowym X. Jest tak dlatego, że płeć męska ma tylko jeden chromosom X (drugi to Y). Ktoś może zapytać: Które z powyższych praw możemy odnieść do kaktusów?. Odpowiedz jest bardzo prosta: wszystkie.

4 Zastosowanie mechanizmów dziedziczenia. Zadajmy sobie pytanie, co każdy z nas może zrobić z tym czego się dowiedzieliśmy? Jak możemy zastosować tą wiedze? Jeśli chcemy jedynie utrwalać cechy posiadanych roślin wybieramy rośliny najbardziej podobne do typu. Jeśli chcemy wzmocnić jakąś cechę wtedy wybieramy rośliny, u których jest najsilniejsza np. A. asterias z dużą ilością białych plamek. Jest to klasyczna praca hodowlana (oczywista dla większości z nas) bardzo powolna a na efekty czekamy zazwyczaj wiele lat. Możemy wykorzystywać także inne metody takie jak Mendlowskie krzyżowanie czystych lini. Krzyżując czyste linie najczęściej uzyskujemy w pokoleniu F1 wyraźną zmianę cech ilościowych takich jak: wielkość rośliny, wielkość kwiatów ilość plamek na roślinie, odporność okazów. Efekt taki możliwy jest dzięki heterozji. Heterozja występuje silniej u form homozygotycznych (czystych lini), (które powstają w wyniku wielokrotnego samozapylenia) rośliny takie jak np. żyto, lucerna po pewnym czasie mogą być samopylne, zjawisko samozapylenia możliwe jest także u wielu kaktusów. Rośliny powstałe z samozapylenia, są słabe a następne pokolenie będzie jeszcze mniej żywotne. Zjawisko nazywa się depresją wywołaną chowem wsobnym. Chów wsobny zwiększa homozygotyczność, dzieli populację na różniące się linie, zmniejsza żywotność roślin, eliminuje osobniki o czynnikach letalnych. Prowadzenie chowu wsobnego prowadzi do uzyskania tzw. linii wsobnych np. u żyta, kukurydzy, które są wykorzystane w hodowli heterozyjnej. Heterozję tłumaczy się gromadzeniem u uzyskanych ze skrzyżowania mieszańców większej liczby cech dominujących. Wykształcenie jakiejś cechy zależy nie tylko od działania poszczególnych genów, ale od wzajemnego współdziałania kilku genów. Dlatego też efekt heterozji przypisuje się korzystnej kombinacji wzajemnie współdziałających genów. Cechą heterozji jest nietrwałość, tzn. pełny efekt heterozji występuje tylko w F1 po czym w dalszych pokoleniach przy samozapyleniu dość szybko maleje: Efekty heterozji czyli bujności mieszańców mogą dotyczyć wszystkich znanych cech użytkowych roślin np. zwiększenie nasion co powoduje ich szybszy wzrost i rozwój dotyczy również właściwości fizjologicznych roślin. Pisze czyste linie bardzo często kaktusy w naszych kolekcjach uznawane za zgodne z typem mogą być heterozygotami (Aa) przez co w wyniku krzyżowań mogą ujawnić się ich recesywne cechy. Bardzo często krzyżując rośliny w wyniku kodominacji uzyskujemy po prostu rośliny pośrednie. Doskonały przykładem jest np. krzyżówka A. asterias i A. capricorne. Rośliny takie mają silnie zredukowane ciernie, nieco większe areole niż AS, zebra są mniej ostre, a bardziej zaokrąglone. [3] Ważna jest też kolejność. Zależnie od tego, która roślina będzie mateczną cechy roślin nieznacznie różnią się między sobą. Oczywiście w trakcie pracy hodowlanej krzyżowanie może być wielostopniowe i wielokrotnie powtarzane, aż do osiągnięcia przez nas satysfakcjonującego efektu. (Podany przeze mnie przykład jest krzyżówka między gatunkową). Niektóre z cech mogą dziedziczyć się wg klasycznych praw Mendla i możemy nie obserwować ani kodominacji ani heterozji, przez co nietypowe formy będą obserwowane tylko w przypadku homozygot recesywnych (aa). Na koniec chciałbym zaznaczyć ze nie zawsze zapis genetyczny jest przekazywany potomstwu ze stuprocentową dokładnością. Najczęściej podczas kopiowania (replikacji) materiału genetycznego mogą pojawiać się błędy zwane mutacjami. Owe samoistne mutacje na poziomie genotypu mogą objawiać się zmiennością fenotypową. Dzięki czemu wprowadzane są do populacji nowe cechy jest to także siła napędowa ewolucji.

5 Astrophytum ASxCAP

6 Astrophytum MYRxOR

7 Astrophytum myriostigma "lotusland" Wykorzystanie metod biotechnologicznych. [2,4] Poliploidalność polega na zwielokrotnieniu garnituru chromosomalnego powstałe formy to poliploidy w odróżnieniu od zwierząt, rośliny mają znaczenie pozytywne w rolnictwie i ogrodnictwie. Mutacje poliploidalne można wywołać stosując kolchicynę. W 1938 r, odkryto poliploidyzacyjne działanie kolchicyny, która jest alkaloidem znajdujących się w nasionach zimowita jesiennego (Colchicum autumnale). Pod wpływem kolchicyny dochodzi do zaburzenia przebiegu mitozy, komórka się nie dzieli, powiększa swoją objętość, a jądro ma dwukrotną liczbę chromosomów. Jeżeli nadal działa się kolchicyną liczba chromosomów może się zwielokrotnić, dlatego działanie nią należy przerwać. Innym mutagenem jest accnaffen. Temperatura działa również jako mutagen tzn. w niskich temperaturach mejoza jest zahamowana i mogą powstać gamety o nie zredukowanej liczbie chromosomów (2n) i po połączeniu dają 4n (tetraploid). Rośliny z takimi mutacjami bardzo często posiadają większe owoce bądź kwiaty, całe rośliny są dorodniejsze i odporniejsze na choroby. Oczywiście zwykły hodowca kaktusów nie ma dostatecznej wiedzy aby uzyskać takie rośliny. Podobnie jest inżynierią genetyczną, owszem rośliny są bardzo ważnym obiektem eksperymentów. Takich jak wprowadzanie genów dzięki którym mogą produkować szczepionki, jednak kaktusy są tutaj traktowane marginalnie. Nazwy dla roślin. Nazwy krzyżówek roślin powinny zawierać informację o roślinach matecznych i być krótkie oraz zrozumiałe. Poniżej przytaczam kilka zasad obowiązujących w nazewnictwie roślin.

8 Kultywar (odmiana uprawna)- czasem na skutek mutacji lub w czasie celowego doboru i selekcjonowania roślin zdarza się, że uzyskany osobnik wykazuje inne cechy niż reszta przedstawicieli gatunku. Może to być inny kolor kwiatów, specyficzny kształt liści lub większy rozmiar. [6] Nazwy mutacji piszemy zwykłą czcionką, z dużych liter i opatrujemy w apostrof, na przykład Astrophytum myriostigma 'Lutosland' o nietypowym dla astrofytów sposobie wzrostu, Astrophytum asterias 'Ooibo' wyraźnie różniący się od innych A. asterias, takich przykładów można by mnożyć także wśród innych rodzajów kaktusów. Dawniej do oznaczania kultywaru używano skrótu cv. obecnie odchodzi się od tego (dawne oznaczenie Astrophytum myriostigma cv. lutosland). Mieszańce (krzyżówki) - gdy skrzyżujemy Astrophytum ornatum z Astrophytum myriostigma powstanie nam mieszaniec (krzyżówka lub hybryda) którego nazwę zapisujemy Astrophytum ornatum X myriostigma (OR X MY lub ORMY). Przytoczone tu zasady odnoszą się także do innych rodzajów roślin. Nazwy mogą czasem przyjmować formę skróconą tak jak jest to w przypadku rodzaju Astrophytum. System skróconych nazw dla tego rodzaju został zaproponowany przez Otakar a Sadovskỳ ego czeskiego kaktusiarza w 1940r. [3] Więcej na temat nazywania astrofytów znaleźć można w artykule Pana Wróblewskiego w Świecie Kaktusów z 2004 roku. Dla niektórych popularnych roślin mieszance posiadają swoje nazwy pisane w apostrofach z dużej litery tak jak nazwy kultywarów. Niekiedy hybrydy międzygatunkowe okazują się płodne dając początek nowym gatunkom. Wiele roślin uprawnych stanowi wynik takiej krzyżówki. Jednym z pierwszych tak powstałych gatunków, którego historia jest dokładnie udokumentowana jest pierwiosnek - Primula kewensis wyhodowany w 1912 w ogrodzie botanicznym w Kew jako krzyżówka P. floribunda i P. verticillata. Zdarzają się takrze przykłady mieszańców między rodzajowych najbardziej znanym jest Pszenżyto. Mieszaniec ten otrzymany został sztucznie przez człowieka pod koniec XIX wieku ze skrzyżowania 2 gatunków: żyta i pszenicy. [5] Krzyżując nasze rośliny zawsze musimy pamiętać o tym aby były dobrze oznakowane. Prowadzenie dokumentacji i niedopuszczanie do krzyżowania z roślinami z poza naszego eksperymentu także jest istotne. Unikamy w ten sposób tworzenia bezwartościowych hybryd. Literatura: 1. Futuyma D.J., Ewolucja, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego 2005 str Malepszy S., Biotechnologia roślin, PWN, Warszawa Wróblewski A. K., Astrofyta, Świat Kaktusów, str , Zenktler M., Hodowla komórek i tkanek roślinnych, PWN, Warszawa