Organismin terveys ja eloonjääminen riippuu DNA:n (deoksiribonukleiinihappo) luotettavasta ja tarkasta replikaatiosta ja solujen hallitusta jakautumisesta. Ilman, että nämä prosessit ovat erittäin luotettavia, selviytyminen on kyseenalaista. Satunnaisesti virheitä kuitenkin tapahtuu. Millaisia virheitä tapahtuu, mistä ne johtuvat ja mitä niistä seuraa?

Aluksi on tärkeää tietää, että suurin osa DNA:sta ei tee mitään. DNA luokitellaan ”koodaavaksi” tai ”ei-koodaavaksi”. Koodaava DNA koodaa sellaisten entsyymien ja proteiinien tuotantoa, joita tarvitaan elämälle välttämättömien prosessien pyörittämiseen. Ei-koodaava DNA muistuttaa satunnaisia kirjaimia, jotka on sijoitettu yhteen ja joissa ei ole mitään järkeä. Ei-koodaavan DNA:n runsaan määrän tarkoitus on huonosti ymmärretty, mutta jokaisessa ihmissolussa olevasta 1,5 metrin pituisesta DNA:sta vain noin 1 tuumaa on koodaavaa DNA:ta. Koodaamattomien osien virheillä ei ole ilmeisiä seurauksia, ja tämä on yksi teoria siitä, miksi niitä on niin paljon – ne saattavat toimia puskurina koodaavan DNA:n suojaamiseksi. Aiemmassa Michigan State University Extensionin artikkelissa ”Mutants have value too” mainittiin, että jotkut DNA-muutokset ovat hyödyllisiä. Tässä artikkelissa käsitellään niiden syntymistä ja annetaan esimerkkejä yleisesti havaituista kasvimutaatioista.

Mutaatiot johtuvat DNA:ssa itsessään tai replikaatio-/solunjakautumisprosessissa tapahtuvista muutoksista. DNA-molekyylin sisällä tapahtuvia muutoksia kutsutaan ”pistemutaatioiksi”, koska ne tapahtuvat pienessä osassa DNA:ta, mutta niillä voi silti olla merkittävä vaikutus, koska ne muuttavat ”koodin merkitystä”. Pistemutaatiot voivat johtua kosmisten säteiden, kemikaalien ja virusten aiheuttamista vaurioista. Ne voivat johtua myös kuumuudesta, kylmyydestä, ankarasta karsimisesta tai replikaatiovirheestä johtuvasta stressistä, joka aiheuttaa muutoksen DNA-jaksossa niin, ettei siinä ole enää järkeä. Monet biologiset järjestelmät ovat polkutyyppisiä järjestelmiä, jotka edellyttävät välituotteiden muodostumista ennen lopputuotteen tuottamista. Entsyymit valvovat näitä välivaiheita, ja minkä tahansa vaiheen keskeytyminen estää lopputuotteen tuottamisen. Siksi mitä enemmän vaiheita polulla on, sitä alttiimpi järjestelmä on mahdollisille muutoksille.

Pistemutaatiot vaikuttavat moniin järjestelmiin kasveissa. Visuaalisesti dramaattisimpia ovat väri tai muoto. Kuvassa 1 on erilaisia luonnossa esiintyviä värimutaatioita. Muutos voi vaikuttaa kukan, hedelmän tai lehden osaan tai koko oksaan. Riippuen siitä, mikä kudos on kyseessä, muutos voi siirtyä seuraavalle sukupolvelle siementen välityksellä. Niitä voidaan myös lisätä varttamalla tai pistokkailla. Jotkin mutaatiot voivat olla epästabiileja ja johtaa kasvin osien tuottamiseen, jotka palautuvat alkuperäiseen tilaansa (Kuva 2).

Kasvien pistemutaatioita esiintyy usein stressaavien ympäristöolosuhteiden, erityisesti kylmän, jälkeen. Kaikki organismin solut sisältävät samaa geneettistä informaatiota riippumatta niiden sijainnista. Jotkut solut muodostavat juuria ja toiset kukkia, vaikka molemmat sisältävät samaa geneettistä informaatiota. Emme täysin ymmärrä, mikä tätä prosessia säätelee. Tiedämme kuitenkin, että solut, jotka on pakotettu ohjelmoitumaan uudelleen eri tehtävään, näyttävät tekevän prosessissa helposti virheitä. Näin tapahtuu, kun kasvit altistuvat nuppuja tappaville lämpötiloille. Kun normaalit kasvulliset silmut vaurioituvat, kasvi muodostaa satunnaisia silmuja, jotka kasvavat uusiksi versoiksi. Useimmat solut ohjelmoituvat uudelleen onnistuneesti, mutta jotkin solut saattavat muuttua. Useimmat muutokset jäävät huomaamatta eivätkä ole hyödyllisiä, mutta väri tai kasvutapa voi muuttua, minkä huomaamme helposti ja pidämme sitä houkuttelevana tai hyödyllisenä.

Hieman selvennystä kasvien anatomiaan ja kehitykseen voi selventää mutaation ilmenemistä. Kasvien rakenteet alkavat yhdestä solusta. Tämä yksi solu jakautuu kahdeksi, nämä kaksi jakautuvat neljäksi, sitten neljä jakautuu kahdeksaksi ja niin edelleen, kunnes rakenne on valmis. Siksi jotkin visuaaliset mutaatiot näyttävät varsin geometrisilta. Kuvan 1 hibiskuskukka on enimmäkseen puoliksi valkoinen ja puoliksi vaaleanpunainen, mikä osoittaa, että värimuutos tapahtui kahden solun vaiheessa. Näin tapahtuu myös puoliksi punaisessa, puoliksi keltaisessa omenan hedelmässä.

Valmistellakseni tätä artikkelia tein retken paikalliseen supermarkettiin. Kuten odotettua, löysin mutaatioita. Ne on helppo havaita, kun tietää, mitä etsiä. Kuvassa 3 näkyy, mitä löysin. Muutoksen koon perusteella kuvan 3B ja C vasemmanpuoleisessa oranssissa hedelmässä muutos tapahtui ilmeisesti neljän solun vaiheessa ja oikeanpuoleisessa 16 solun vaiheessa. Nämä visuaaliset muutokset voivat olla yllättäviä, kun niitä havaitaan, koska niitä ei tapahdu usein, mutta ne eivät ole epätavallisia, kunhan prosessi ymmärretään.

Fruitin värimutaatiot ovat ilmeisimpiä. Värin kehittyminen on polkuprosessi, jossa on useita välivaiheita alkutuotteen ja lopputuotteen välillä. Värimuutoksia tapahtuu sen vuoksi melko usein, erityisesti värin muuttuminen vähemmän värilliseksi. Monissa punaisissa omenoissa väri on kuitenkin parantunut alkuperäisestä, koska omenanviljelijät löytävät yksittäisiä raajoja, joiden hedelmät ovat erittäin värikkäitä. Näiden oksien nuput kasvatetaan sitten kokonaisiksi puiksi.

Toinen yleinen mutaatiotyyppi on kromosomien lisääminen tai poistaminen tai kokonaisen kromosomisarjan lisääminen. Nämä johtuvat virheistä solunjakautumisprosessin aikana. Normaalin solunjakautumisen aikana kromosomit asettuvat riviin, monistuvat ja vedetään sitten erilleen ja jakautuvat tasaisesti kahteen syntyvään soluun. Joskus kromosomit ”jäävät jälkeen” ja jäävät jäljelle, jolloin ne jakautuvat epätasaisesti – yhdessä solussa on enemmän ja toisessa vähemmän kromosomeja. Nämä solut eivät useinkaan menesty hyvin, koska puolelta niistä puuttuu tarvittava informaatio ja epätasainen määrä johtaa uusiin monistumisvaikeuksiin.

Joskus kromosomit kuitenkin monistuvat eikä uutta solua muodostu. Tällöin alkuperäisellä solulla on koko ylimääräinen kromosomisarja. Nämä muutokset ovat melko vakaita, koska niissä on tarvittava informaatio – vain kaksinkertainen määrä – ja niissä on yhtä monta kromosomia, mikä tekee solun edelleen jakautumisesta säännöllistä. Tämän muutoksen tuloksena syntyvien solujen sanotaan olevan polyploideja (poly = monta; ploidia = kromosomit). Tämä muutos voi tapahtua kaikissa soluissa, mutta jos se tapahtuu soluissa, jotka ovat vastuussa sukupuolisesta lisääntymisestä, ne muodostavat munasoluja ja siitepölynjyviä, joissa on kaksinkertainen määrä kromosomeja tavanomaiseen verrattuna, ja näin syntyviä munasoluja ja siitepölyä kutsutaan ”pelkistymättömiksi sukusoluiksi.”

Jos pelkistymätön siitepölynjyvä yhdistyy pelkistymättömän munasolun kanssa samasta kasvilajista, sillä on mahdollisuus kehittyä kokonaiseksi uudeksi kasvilajiksi. Tästä prosessista on syntynyt joitakin tunnettuja ravintokasveja. Mustikat ja mansikat kuuluvat polyploidien sarjaan, joista jotkut ovat diploideja (normaali tilanne, jossa kromosomeja on kaksi sarjaa), tetraploideja (neljä sarjaa), heksaploideja (kuusi sarjaa) ja oktoploideja (kahdeksan sarjaa). Kaupalliset mansikat ovat oktoploideja ja kaupalliset mustikat ovat joko tetraploideja tai heksaploideja. Kaikkien tetra-, heksa- ja oktoploidien uskotaan olevan peräisin diploidisesta esi-isästä, joka on käynyt läpi pelkistämättömän sukusolujen tuotannon vaiheet ja yhdistelmät. Muita polyploideja kasveja ovat muun muassa vehnä (tetraploidi tai heksaploidi), kaura (heksaploidi) ja kiivi (heksaploidi). Itse asiassa 30-80 prosenttia kaikista kasveista on polyploideja.

Huomaa, että kaikki mainitut tasot ovat parillisia – kaksi, neljä, kuusi, kahdeksan jne. Yksikään ei ollut pariton – yksi, kolme, viisi jne. Tämä johtuu siitä, että parittomat luvut palauttavat meidät takaisin ongelmaan kromosomien epätasaisesta jakautumisesta solunjakautumisen aikana. Jokaiseen sääntöön on kuitenkin olemassa poikkeus, ja perunalla on jäseniä, joilla on kaksi, kolme, neljä ja viisi kromosomisarjaa, mutta silloin peruna ei ole riippuvainen pelkästään suvullisesta lisääntymisestä, vaan se voi lisääntyä suvuttomien siemenkappaleiden avulla. Parittomia sarjoja on olemassa tai niitä voidaan tehdä muissa kasvilajeissa, ja olemme hyödyntäneet niitä ravintokasveina, sillä monissa tapauksissa kromosomien epätasainen jakautuminen johtaa siemenettömyyteen, kuten siemenettömät vesimelonit ja banaanit. Kasvit kasvavat, mutta ne eivät tuota jälkeläisiä, ne ovat steriilejä ja niissä on vain jälkiä siemenistä.

Mutaatioita tapahtuu myös eläinkunnassa. Koska eläinjärjestelmät ovat kuitenkin monimutkaisempia, niiden selviytyminen ei ole yhtä luotettavaa eivätkä muutokset ole yhtä dramaattisia. Polyploideja kaloja ja sammakkoeläimiä on jonkin verran, mutta polyploidit nisäkkäät ovat harvinaisia, ja vielä harvinaisempaa on, että ne selviytyvät syntymään asti.