Gesundheit und Überleben eines Organismus hängen von der zuverlässigen und genauen Replikation der DNA (Desoxyribonukleinsäure) und der geordneten Zellteilung ab. Wenn diese Prozesse nicht zuverlässig ablaufen, ist das Überleben fraglich. Dennoch kommt es gelegentlich zu Fehlern. Welche Art von Fehlern passieren, was sind die Ursachen dafür und was sind einige der Folgen?

Zunächst ist es wichtig zu wissen, dass die meiste DNA nichts tut. DNA wird als „kodierend“ oder „nicht kodierend“ klassifiziert. Codierende DNA codiert für die Produktion von Enzymen und Proteinen, die für die Durchführung der für das Leben notwendigen Prozesse erforderlich sind. Nicht codierende DNA ist vergleichbar mit zufällig aneinandergereihten Buchstaben, die keinen Sinn ergeben. Der Zweck einer solchen Fülle von nicht-codierender DNA ist kaum bekannt, aber von den 1,5 Metern DNA in jeder menschlichen Zelle ist nur etwa ein Zentimeter codierende DNA. Fehler in den nicht codierenden Abschnitten haben keine offensichtlichen Folgen, und das ist eine Theorie, warum es so viel davon gibt – es könnte als Puffer dienen, um die codierende DNA zu schützen. In einem früheren Artikel der Michigan State University Extension mit dem Titel „Mutanten haben auch einen Wert“ wurde erwähnt, dass einige DNA-Veränderungen nützlich sind. In diesem Artikel wird erörtert, wie sie entstehen, und es werden Beispiele für häufig vorkommende Pflanzenmutationen angeführt.

Mutationen sind auf Veränderungen zurückzuführen, die in der DNA selbst oder im Prozess der Replikation/Zellteilung auftreten. Veränderungen innerhalb des DNA-Moleküls werden als „Punktmutationen“ bezeichnet, da sie in einem kleinen Teil der DNA auftreten, aber dennoch erhebliche Auswirkungen haben können, weil sie die „Bedeutung des Codes“ verändern. Punktmutationen können auf Schäden durch kosmische Strahlung, Chemikalien und Viren zurückzuführen sein. Sie können auch auf Stress durch Hitze, Kälte, starkes Beschneiden oder Replikationsfehler zurückzuführen sein, die eine Verschiebung der DNA-Sequenzen bewirken, so dass sie keinen Sinn mehr ergeben. Bei vielen biologischen Systemen handelt es sich um bahnförmige Systeme, bei denen vor der Herstellung des Endprodukts Zwischenprodukte gebildet werden müssen. Diese Zwischenschritte werden von Enzymen kontrolliert, und eine Unterbrechung in einem dieser Schritte verhindert die Herstellung des Endprodukts. Daher ist das System umso anfälliger für mögliche Veränderungen, je mehr Schritte es enthält.

Punktmutationen betreffen viele Systeme in Pflanzen. Am auffälligsten sind Farbe und Form. Foto 1 zeigt verschiedene natürlich vorkommende Farbmutationen. Die Veränderung kann einen Teil einer Blüte, einer Frucht oder eines Blattes oder einen ganzen Zweig betreffen. Je nachdem, welches Gewebe betroffen ist, kann die Veränderung durch Samen an die nächste Generation weitergegeben werden. Sie können auch durch Pfropfen oder Stecklinge vermehrt werden. Einige Mutationen können instabil sein und dazu führen, dass Teile der Pflanze in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren (Foto 2).

Punktmutationen bei Pflanzen treten häufig nach stressigen Umweltbedingungen auf, insbesondere nach Kälte. Alle Zellen eines Organismus enthalten dieselbe genetische Information, unabhängig von ihrer Lage. Manche Zellen bilden Wurzeln, andere bilden Blüten, obwohl beide die gleiche genetische Information enthalten. Wir wissen nicht genau, wie dieser Prozess gesteuert wird. Wir wissen jedoch, dass Zellen, die gezwungen sind, sich auf eine andere Funktion umzuprogrammieren, dazu neigen, bei diesem Prozess Fehler zu machen. Dies geschieht, wenn Pflanzen knospentötenden Temperaturen ausgesetzt sind. Wenn normale vegetative Knospen Schaden nehmen, bildet die Pflanze Adventivknospen, die zu neuen Trieben heranwachsen. Die meisten Zellen werden erfolgreich umprogrammiert, aber einige können Veränderungen aufweisen. Die meisten Veränderungen bleiben unbemerkt und sind nicht vorteilhaft, aber es könnte eine Veränderung der Farbe oder der Wuchsform geben, die wir leicht erkennen und attraktiv oder vorteilhaft finden.

Eine kleine Erklärung zur Anatomie und Entwicklung von Pflanzen kann das Auftreten von Mutationen erklären. Pflanzenstrukturen beginnen mit einer einzigen Zelle. Diese eine Zelle teilt sich, um zwei zu bilden, diese zwei teilen sich, um vier zu bilden, dann teilen sich vier, um acht zu bilden, und so weiter und so fort, bis die Struktur vollständig ist. Aus diesem Grund erscheinen einige visuelle Mutationen recht geometrisch. Die Hibiskusblüte auf Foto 1 ist größtenteils halb weiß und halb rosa, was darauf hindeutet, dass die Farbveränderung im Zweizellstadium stattgefunden hat. Das ist auch bei einer halb roten, halb gelben Apfelfrucht der Fall.

Um mich auf diesen Artikel vorzubereiten, habe ich einen Ausflug in den örtlichen Supermarkt unternommen. Wie erwartet, habe ich Mutationen gefunden. Sie sind leicht zu erkennen, wenn man weiß, wonach man suchen muss. Foto 3 zeigt, was ich gefunden habe. Anhand der Größe der Veränderung zeigt sich, dass die orangefarbene Frucht links in Foto 3B und C offenbar im Vier-Zellen-Stadium und die rechte im 16-Zellen-Stadium eine Veränderung erfahren hat. Diese visuellen Veränderungen können überraschend sein, wenn sie beobachtet werden, da sie nicht oft vorkommen, aber nicht ungewöhnlich, wenn man den Prozess einmal verstanden hat.

Farbmutationen bei Früchten sind am offensichtlichsten. Die Farbentwicklung ist ein Prozess mit mehreren Zwischenschritten zwischen Ausgangs- und Endprodukt. Farbveränderungen kommen daher recht häufig vor, vor allem der Wechsel zu weniger Farbe. Viele rote Äpfel haben jedoch eine bessere Farbe als das Original, weil die Apfelzüchter einzelne Äste mit stark gefärbten Früchten finden. Die Knospen dieser Zweige werden dann zu ganzen Bäumen vermehrt.

Eine andere häufige Art von Mutation beinhaltet das Hinzufügen oder Löschen von Chromosomen oder das Hinzufügen eines ganzen Chromosomensatzes. Diese resultieren aus Fehlern während des Zellteilungsprozesses. Bei der normalen Zellteilung reihen sich die Chromosomen aneinander, verdoppeln sich und werden dann auseinandergezogen und gleichmäßig auf die beiden entstehenden Zellen verteilt. Manchmal bleiben Chromosomen „zurück“, was zu einer ungleichen Verteilung führt – eine Zelle hat mehr, die andere weniger. Diese Zellen kommen oft nicht gut zurecht, da der Hälfte von ihnen notwendige Informationen fehlen und die ungleiche Anzahl zu weiteren Replikationsschwierigkeiten führt.

Es kommt jedoch auch vor, dass sich Chromosomen verdoppeln und keine neue Zelle entsteht. Das führt dazu, dass die ursprüngliche Zelle einen ganzen zusätzlichen Chromosomensatz hat. Diese Veränderungen sind recht stabil, da sie über die notwendigen Informationen verfügen – einfach doppelt so viel – und die gleiche Anzahl von Chromosomen haben, so dass eine weitere Zellteilung regelmäßig erfolgt. Die aus dieser Veränderung resultierenden Zellen werden als polyploid bezeichnet (poly = viele; ploidy = Chromosomen). Diese Veränderung kann in allen Zellen stattfinden, aber wenn sie in Zellen auftritt, die für die sexuelle Fortpflanzung verantwortlich sind, bilden sie Eizellen und Pollenkörner, die die doppelte Anzahl an Chromosomen haben, und die daraus resultierenden Eizellen und Pollen werden als „nicht-reduzierte Gameten“ bezeichnet.

Wenn sich ein nicht-reduziertes Pollenkorn mit einer nicht-reduzierten Eizelle derselben Art verbindet, hat es das Potenzial, sich zu einer ganz neuen Pflanzenart zu entwickeln. Aus diesem Prozess sind einige bekannte Nahrungspflanzen hervorgegangen. Heidelbeeren und Erdbeeren gehören zu einer polyploiden Reihe, von denen einige diploid (zwei Chromosomensätze), tetraploid (vier Chromosomensätze), hexaploid (sechs Chromosomensätze) und octoploid (acht Chromosomensätze) sind. Im Handel erhältliche Erdbeeren sind octoploid und im Handel erhältliche Heidelbeeren sind entweder tetraploid oder hexaploid. Man geht davon aus, dass alle Tetra-, Hexa- und Oktoploide auf einen diploiden Vorfahren zurückgehen, der die Schritte und Kombinationen der nicht reduzierten Gametenproduktion durchlaufen hat. Andere polyploide Pflanzen sind Weizen (tetraploid oder hexaploid), Hafer (hexaploid), Kiwis (hexaploid) und andere. Tatsächlich sind 30 bis 80 Prozent aller Pflanzen polyploid.

Sie werden feststellen, dass alle genannten Stufen gerade Zahlen sind – zwei, vier, sechs, acht usw. Keine war ungerade – eins, drei, fünf, usw. Das liegt daran, dass ungerade Zahlen uns wieder auf das Problem der ungleichen Chromosomenverteilung bei der Zellteilung zurückführen. Für jede Regel gibt es jedoch eine Ausnahme, und die Kartoffel hat Mitglieder mit zwei, drei, vier und fünf Chromosomensätzen, aber die Kartoffel beruht nicht nur auf sexueller Fortpflanzung, sondern kann auch durch ungeschlechtliche Samenstücke vermehrt werden. Die ungeraden Chromosomensätze gibt es auch bei anderen Pflanzenarten, und wir haben sie uns als Nahrungsmittelpflanzen zunutze gemacht, da die ungleiche Chromosomenverteilung in vielen Fällen zur Samenlosigkeit führt, z. B. bei Wassermelonen und Bananen. Die Pflanzen wachsen zwar, aber sie bringen keine Nachkommen hervor, sie sind steril und haben nur Spuren von Samen.

Mutationen kommen auch in tierischen Systemen vor. Da tierische Systeme jedoch komplexer sind, ist ihr Überleben nicht so zuverlässig und die Veränderungen nicht so dramatisch. Es gibt einige polyploide Fische und Amphibien, aber polyploide Säugetiere sind selten, und noch seltener überleben sie bis zur Geburt.