Poliploidia, część 2. I rośliny uprawne

Poliploidia to duplikacja całego genomu, w której wszystkie chromosomy podwajają się. Zwierzęta rzadko przeżywają poważne zmiany chromosomów, ale rośliny zwykle to robią, co prowadzi do aspektów genetyki roślin, które są zupełnie inne niż u zwierząt.

Nawet jeśli nie można łatwo zauważyć poliploidu, patrząc na niego, poliploidia nie jest niczym niezwykłym. Wiele powszechnych, ważnych roślin jest poliploidalnych, na przykład pszenica chlebowa(Triticum aestivum), białe ziemniaki(Solanum tuberosum), kawa(Coffea arabica), słodkie ziemniaki(Ipomoea batatas), truskawki(Fragaria x ananassa) i bawełna(Gossypium tomentosum). Naukowcy szacują, że 75% wszystkich roślin, a także 75% upraw, to poliploidy.

Rośliny te przeszły duplikację całego genomu w stosunkowo niedawnej przeszłości, dzięki czemu ich komórki mają trzy lub więcej kopii całego genomu, a nie dwie kopie ludzi i znanych zwierząt.

Dwie kopie nazywane są diploidalnymi. Więcej niż dwie kopie genomu są grupowane jako poliploidy i mogą być specjalnie nazwane. Na przykład cztery kopie to tetraploidy. Można też powiedzieć 2x i 4x. Ziemniaki, kawa, słodkie ziemniaki i bawełna są tetraploidalne (4 kopie podstawowego genomu), pszenica chlebowa jest heksaploidalna (6x), a truskawki są oktoploidalne (8x).

Powyżej byłem konkretny, podając rodzaj i gatunek dla poliploidów, ponieważ poliploidalność różni się w zależności od rośliny. Często niektóre gatunki w grupie (rodzaju) są poliploidalne, podczas gdy inne nie. W każdym z wyżej wymienionych rodzajów istnieją również diploidalne (2x) gatunki roślin. Poliploidalność jest więc formą zmienności, którą botanicy mogą porównywać między roślinami i zastanawiać się nad nią.

Poliploidy mają dodatkowe geny, ale rosną i kwitną jak inne rośliny. Poliploidalność zmienia sytuację, gdy ludzie próbują krzyżować lub rozmnażać poliploidy. Poliploidalność zmienia dziedziczenie, jak można się spodziewać. Rośliny diploidalne, takie jak ludzie, otrzymują po jednym genie od każdego z rodziców i mają dwie kopie. Tetraploidy, takie jak ziemniaki, otrzymują dwie kopie każdego chromosomu od rodziców i mają cztery kopie wszystkich genów przez całe życie. Jeśli jeden z genów daje dominujący kolor, poliploidy wydają się bardzo jednolite, ponieważ ten gen koloru, czy to w jednej kopii, czy w czterech, sprawia, że wszystkie kwiaty, wszystkie bulwy lub cokolwiek innego ma ten sam kolor. Jeśli spojrzeć na rzeczywiste sekwencje DNA, poliploidy mają większą zmienność niż diploidy, ponieważ każda z czterech kopii każdego genu może być inna.

Na końcu tego wpisu zamieszczę porównanie dziedziczenia diploidalnego i tetraploidalnego dla tych z was, którzy tak jak ja lubią genetykę transmisyjną.

Jednak poza genetyką, poliploidy różnią się fizycznie od diploidów, po prostu niezwykle trudno jest zaobserwować różnice bez wielu pomiarów. Logika jest prosta: z większą liczbą chromosomów w jądrze, poliploidy mają większe jądra, większe komórki i większe rośliny. W przypadku roślin uprawnych jest to zazwyczaj dobra rzecz. Lubimy większe ziemniaki, ogromne truskawki i większe kwiaty.

Poliploidalność czasami skutkuje sterylnymi roślinami. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku nierównych wielokrotności, takich jak 3x (triploidalnes) lub 5x (pentaploidy). Banany(Musa paradisiaca) mają 33 chromosomy, co stanowi wielokrotność trzech chromosomów ich dzikich przodków. Podczas podziału komórki płciowej chromosomy trafiają częściowo do jednej nowej komórki, a częściowo do drugiej. Uzyskanie zrównoważonego genomu składającego się z 11 lub 22 chromosomów jest bardzo rzadkie. Komórki posiadające tylko część genomu nie tworzą zdrowych zarodków, powodując bezpłodność. Ale nasiona bananów były irytujące dla ludzi; chcieliśmy jeść owoce wokół nich. Tak więc brak nasion był dobrą rzeczą i banany są rozmnażane przez sadzonki.

Obejście sterylności upraw spowodowanej poliploidią jest powszechne, zwykle poprzez klonowanie upraw. Klonowanie pozwala również na większą jednorodność, co znacznie ułatwia produkcję na dużą skalę.

Poliploidalność jest tak powszechna w roślinach, że jest bardzo zróżnicowana. Rośliny mogą mieć różną liczbę chromosomów. Wszystkie chromosomy mogą pochodzić od jednego gatunku rodzicielskiego lub mogą pochodzić z hybrydy między dwoma różnymi gatunkami, które podwoiły liczbę chromosomów. Na przykład ziemniaki, jak opisano powyżej, mają cztery niemal identyczne kopie każdego chromosomu. Pszenica chlebowa ma sześć kopii podstawowych siedmiu chromosomów, ale otrzymała je od trzech różnych gatunków dzikiej pszenicy. Pierwsze dwie diploidalne dzikie pszenice(Triticum monococcum z zestawem chromosomów A i nieznana Triticum z zestawem chromosomów B) utworzyły hybrydę AB, która później podwoiła wszystkie swoje chromosomy. Oryginalna hybryda AB była sterylna, tetrapolid, AABB, płodny. Gatunek ten istnieje, jest to Triticum turgidum. Druga runda hybrydyzacji połączyła chromosomy AB T .turgidum z innym zestawem chromosomów, zwanym D, z Triticum taushii. Ponownie, hybryda ABD była sterylna, ale kiedy wszystkie chromosomy podwoiły się, stworzyła naszą współczesną pszenicę chlebową Triticum aestivum, AABBDD, która jest płodna, Oba procesy, wewnętrzne podwojenie (autopoliploidia) i hybrydyzacja, po której następuje podwojenie (allopoliploidia), występują często.

Jednym z rezultatów poliploidalności wśród roślin uprawnych jest to, że hodowla konkretnych roślin jest specjalnością. Przejście od, powiedzmy, ziemniaków do pszenicy wymaga poznania wielu specyficznych dla pszenicy szczegółów dziedziczenia. W przeciwieństwie do tego, ssaki, które dobrze znamy, na przykład ludzie, psy, koty, konie i krowy, są diploidami, więc mamy tendencję do myślenia o dziedziczeniu jako prostym i oczywistym. Poliploidalność i różnorodność poliploidów wśród ważnych gospodarczo roślin oznacza, że hodowla roślin jest znacznie bardziej wyspecjalizowana, a przełom w jednym gatunku często nie może być natychmiast zastosowany do innych.

Uwielbiam genetykę od czasów podstawówki i uważam, że złożoność dziedziczenia poliploidów jest fascynująca. Ale widzę, że hodowcy roślin prawdopodobnie uważają to za irytujące.

W uprawach poliploidia wydaje się być problemem, który trzeba obejść. Dlaczego więc występuje? Czy jest adaptacyjna? Z pewnością 75% roślin nie rośnie w niekorzystnej sytuacji ewolucyjnej. W przyszłych postach rozważę pomysły dotyczące funkcji poliploidii.

Komentarze i poprawki mile widziane.

Szczegóły botaniczne. Porównanie dziedziczenia diploidalnego i tetraploidalnego

Diploidy: Skrzyżuj dwie czyste linie tego samego gatunku roślin, jedną z czerwonymi (WW) i drugą z białymi (ww) kwiatami. Rośliny wyhodowane z ich nasion mają czerwone kwiaty, genotyp Ww, ponieważ czerwień W dominuje nad bielą. Teraz skrzyżuj te rośliny: Heterozygota diploidalna Ww tworzy gamety ½ W i ½ w

<Te łączą się w następujący sposób, W z W i w, w z W i w, tworząc ¼ WW, ½ Ww i ¼ ww potomstwa:

3 rośliny o czerwonych kwiatach do 1 rośliny o białych kwiatach.

Tetraploidy: Wyobraź sobie, że jest to bliski krewny diploida z powyższego przykładu, więc jest to ten sam gen, W dla czerwonych, dominujących nad w, białych kwiatów. Skrzyżuj dwie czyste linie, jedną czerwoną WWWW i jedną białą wwww. Potomstwo ma czerwone kwiaty i jest heterozygotą WWww. Podczas krzyżowania każda roślina wytwarza gamety, które są ¼ WW ½ Ww i ¼ ww.

Te łączą

15 roślin o czerwonych kwiatach do 1 rośliny o białych kwiatach.

Ploidalność zmienia dziedziczenie.

Należy zauważyć, że dziedziczenie u triploidów (3x) i heksaploidów (6x) i … różni się nieznacznie lub bardzo od diploidów i tetraploidów.

Referencje

Muenchrath, D., A. Campbell, L. Merrick, T. Lübberstedt i S. Fei. (2023). Ploidalność: Poliploidia, aneuploidia, haploidia. W W. P. Suza i K. R. Lamkey (red.), Genetyka upraw. Iowa State University Digital Press. DOI: 10.31274/isudp.2023.130 link (dostęp 2/27/24).

lata badania roślin poliploidalnych

Kathy Keeler

Wędrowny botanik