Zdraví a přežití organismu závisí na spolehlivé a přesné replikaci DNA (deoxyribonukleové kyseliny) a řádném dělení buněk. Bez vysoké spolehlivosti těchto procesů je přežití sporné. Občas však dochází k chybám. K jakým chybám dochází, co je jejich příčinou a jaké jsou některé následky?“

Nejprve je důležité vědět, že většina DNA nedělá nic. DNA se dělí na „kódující“ nebo „nekódující“. Kódující DNA kóduje produkci enzymů a bílkovin potřebných pro chod procesů nezbytných pro život. Nekódující DNA se podobá náhodně poskládaným písmenům, která nedávají smysl. Účel takového množství nekódující DNA je málo známý, ale z 6,5 stopy DNA v každé lidské buňce je pouze asi 1 palec kódující DNA. Chyby v nekódujících částech nemají žádné zjevné následky a to je jedna z teorií, proč je jich tolik – mohou fungovat jako nárazník chránící kódující DNA. V předchozím článku Michigan State University Extension „Mutanti mají také hodnotu“ bylo zmíněno, že některé změny DNA jsou užitečné. Tento článek pojednává o tom, jak k nim dochází, a uvádí příklady běžně pozorovaných mutací u rostlin.

Mutace jsou způsobeny změnami, ke kterým dochází v samotné DNA nebo v procesu replikace/rozdělování buněk. Změny uvnitř molekuly DNA se označují jako „bodové mutace“, protože se vyskytují v malé části DNA, ale přesto mohou mít významný účinek, protože mění „význam kódu“. Bodové mutace mohou být způsobeny poškozením kosmickým zářením, chemickými látkami a viry. Mohou být také způsobeny stresem z tepla, chladu, silným ořezem nebo chybou při replikaci, která způsobí posun v sekvencích DNA, takže přestanou dávat smysl. Mnoho biologických systémů jsou systémy dráhového typu, které vyžadují, aby se před vznikem konečného produktu vytvořily meziprodukty. Tyto mezistupně řídí enzymy a přerušení kteréhokoli kroku brání vzniku konečného produktu. Proto čím více kroků v dráze, tím je systém zranitelnější vůči možné změně.

Bodové mutace ovlivňují mnoho systémů v rostlinách. K těm vizuálně nejdramatičtějším patří barva nebo tvar. Fotografie 1 ukazuje různé přirozeně se vyskytující barevné mutace. Změna se může týkat části květu, plodu nebo listu, případně celé větve. V závislosti na tom, které tkáně se změna týká, může být přenesena na další generaci prostřednictvím semen. Mohou se také množit roubováním nebo řízky. Některé mutace mohou být nestabilní a vést k vytvoření částí rostliny, které se vrátí do původního stavu (foto 2).

Bodové mutace rostlin se často vyskytují po stresových podmínkách prostředí, zejména chladu. Všechny buňky organismu obsahují stejnou genetickou informaci bez ohledu na jejich umístění. Některé buňky tvoří kořeny, zatímco jiné květy, přestože obě obsahují stejnou genetickou informaci. Ne zcela rozumíme tomu, co tento proces reguluje. Víme však, že buňky, které jsou nuceny přeprogramovat se na jinou funkci, se zdají být náchylné k tomu, aby v tomto procesu dělaly chyby. K tomu dochází, když rostliny zažijí teploty, které zabíjejí poupata. Když dojde k poškození normálních vegetativních pupenů, rostlina vytvoří adventivní pupeny, z nichž vyrostou nové výhony. Většina buněk se úspěšně přeprogramuje, ale u některých se může projevit změna. Většina změn zůstane nepovšimnuta a není prospěšná, ale může dojít ke změně barvy nebo růstového habitu, které si snadno všimneme a považujeme je za atraktivní nebo prospěšné.

Drobné vysvětlení anatomie a vývoje rostlin může objasnit výskyt mutací. Rostlinné struktury začínají jedinou buňkou. Tato jedna buňka se rozdělí na dvě, tyto dvě se rozdělí na čtyři, pak se čtyři rozdělí na osm a tak dále a tak dále, dokud není struktura kompletní. Proto některé vizuální mutace vypadají docela geometricky. Květ ibišku na fotografii 1 je většinou napůl bílý a napůl růžový, což naznačuje, že ke změně barvy došlo ve fázi dvou buněk. K tomu dochází také u napůl červeného a napůl žlutého plodu jablka.

Pro přípravu tohoto článku jsem podnikl exkurzi do místního supermarketu. Podle očekávání jsem našel mutace. Lze je snadno odhalit, když víte, co hledat. Fotografie 3 ukazuje, co jsem našel. Podle velikosti změny u oranžového plodu vlevo na fotografii 3B a C zřejmě došlo ke změně ve stadiu čtyř buněk a u plodu vpravo ve stadiu 16 buněk. Tyto vizuální změny mohou být při pozorování překvapivé, protože k nim nedochází často, ale nejsou neobvyklé, jakmile proces pochopíme.

Nejnápadnější jsou barevné mutace plodů. Vývoj barvy je cestou s několika mezikroky mezi počátečním a konečným produktem. Ke změnám barvy proto dochází poměrně často, zejména ke změně na méně barevnou. Mnoho červených jablek má však oproti původním vylepšenou barvu, protože pěstitelé jablek nacházejí jednotlivé končetiny s vysoce zbarvenými plody. Pupeny z těchto končetin se pak množí na celé stromy.

Další běžný typ mutace zahrnuje přidání nebo odstranění chromozomů nebo přidání celé sady chromozomů. Ty vznikají v důsledku chyb při dělení buněk. Během normálního buněčného dělení se chromozomy seřadí, zdvojí a poté se od sebe odtrhnou a rovnoměrně rozdělí do dvou vzniklých buněk. Někdy se chromozomy „opozdí“ a zůstanou pozadu, což vede k nerovnoměrnému rozdělení – jedna buňka jich má více a druhá méně. Takovým buňkám se často nedaří, protože polovině z nich chybí potřebná informace a nerovnoměrný počet vede k dalším potížím při replikaci.

Občas se však stane, že se chromozomy duplikují a nová buňka nevznikne. To má za následek, že původní buňka má celou sadu chromozomů navíc. Tyto změny jsou poměrně stabilní, protože mají potřebnou informaci – jen dvakrát tolik, a mají stejný počet chromozomů, takže další dělení buňky je pravidelné. O výsledných buňkách této změny se říká, že jsou polyploidní (poly = mnoho; ploidy = chromozomy). K této změně může dojít ve všech buňkách, ale pokud k ní dojde v buňkách zodpovědných za pohlavní rozmnožování, vytvoří se z nich vaječné buňky a pylová zrna, která mají dvojnásobek normálního počtu chromozomů, a výsledná vajíčka a pyl se označují jako „neredukované gamety“.

Pokud se neredukované pylové zrno spojí s neredukovanou vaječnou buňkou stejného druhu, má potenciál vyvinout se v celý nový rostlinný druh. Tento proces dal vzniknout některým známým potravinářským rostlinám. Borůvky a jahody jsou součástí polyploidní řady, přičemž některé z nich jsou diploidy (běžná situace dvou sad chromozomů), tetraploidy (čtyři sady), hexaploidy (šest sad) a oktoploidy (osm sad). Komerční jahody jsou oktoploidy a komerční borůvky jsou buď tetraploidy, nebo hexaploidy. Předpokládá se, že tetra-, hexa- a oktoploidy mají svůj původ v diploidním předkovi, který prošel neredukovanými kroky produkce gamet a jejich kombinací. Mezi další polyploidní rostliny patří pšenice (tetraploidní nebo hexaploidní), oves (hexaploidní), kiwi (hexaploidní) a další. Ve skutečnosti je 30 až 80 procent všech rostlin polyploidních.

Všimněte si, že všechny uvedené úrovně jsou sudé – dvě, čtyři, šest, osm atd. Žádná nebyla lichá – jedna, tři, pět atd. Je to proto, že lichá čísla nás vracejí zpět k problému nerovnoměrného rozložení chromozomů při dělení buněk. Nicméně pro každé pravidlo existuje výjimka a brambor má příslušníky se dvěma, třemi, čtyřmi a pěti sadami chromozomů, ale pak se brambor nespoléhá pouze na pohlavní rozmnožování, ale může se množit nepohlavními kusy semen. Liché sady existují nebo je lze vytvořit i u jiných rostlinných druhů a my jsme je využili jako potravinářské plodiny, protože v mnoha případech vede nerovnoměrné rozložení chromozomů k bezsemennosti, jako jsou melouny a banány bez semen. Rostliny sice porostou, ale neprodukují potomstvo, jsou sterilní a mají pouze stopy po semenech.

Mutace se vyskytují také v rámci živočišných systémů. Protože jsou však živočišné systémy složitější, jejich přežití není tak spolehlivé a změny nejsou tak dramatické. Existují některé polyploidní ryby a obojživelníci, ale polyploidní savci jsou vzácní a ještě vzácnější je, aby přežili do narození.