Odrobina Genetyki

Odrobina Genetyki
Autor: mgr inż. Konrad Szychowski
[email protected]
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
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?
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.
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.
Astrophytum ASxCAP
Astrophytum MYRxOR
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.
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.
2.
3.
4.
5.
6.
Futuyma D.J., Ewolucja, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego 2005 str. 191-192
Malepszy S., Biotechnologia roślin, PWN, Warszawa 2005
Wróblewski A. K., Astrofyta, Świat Kaktusów, str. 15-25, 2004
Zenktler M., Hodowla komórek i tkanek roślinnych, PWN, Warszawa 1984
http://pl.wikipedia.org
http://www.flytrap.pl