Gezondheid en overleving van een organisme hangen af van betrouwbare en nauwkeurige DNA (Desoxyribonucleïnezuur) replicatie en ordelijke celdeling. Zonder een hoge betrouwbaarheid van deze processen is overleven twijfelachtig. Toch treden er af en toe fouten op. Wat voor soort fouten gebeuren er, waardoor worden ze veroorzaakt en wat zijn enkele van de gevolgen?

Eerst is het belangrijk te weten dat het meeste DNA niets doet. DNA wordt geclassificeerd als “coderend” of “niet-coderend.” Coderend DNA codeert voor de productie van enzymen en eiwitten die nodig zijn voor de processen die nodig zijn voor het leven. Niet-coderend DNA is te vergelijken met willekeurig bij elkaar geplaatste letters die geen zin hebben. Het doel van zo’n overvloed aan niet-coderend DNA wordt slecht begrepen, maar van de anderhalve meter DNA in elke menselijke cel is slechts ongeveer 2,5 cm coderend DNA. Fouten in de niet-coderende delen hebben geen duidelijke gevolgen en dat is één theorie over waarom er zoveel is-het zou kunnen fungeren als een buffer om coderend DNA te beschermen. In een eerder artikel van de Michigan State University Extension, “Mutanten hebben ook waarde”, werd vermeld dat sommige DNA-veranderingen nuttig zijn. In dit artikel wordt besproken hoe ze ontstaan en worden voorbeelden gegeven van veel voorkomende plantmutaties.

Mutaties zijn het gevolg van veranderingen die optreden binnen het DNA zelf of in het replicatie/celdelingsproces. Veranderingen binnen de DNA-molecule worden “puntmutaties” genoemd, omdat zij in een klein gedeelte van het DNA voorkomen, maar toch een aanzienlijk effect kunnen hebben omdat zij de “betekenis van de code” veranderen. Puntmutaties kunnen het gevolg zijn van schade door kosmische straling, chemicaliën en virussen. Zij kunnen ook het gevolg zijn van stress door hitte, koude, ernstige snoei of een replicatiefout waardoor een verschuiving optreedt in de DNA-sequenties zodat deze niet langer zinvol zijn. Veel biologische systemen zijn van het type “pathway”, waarbij tussenproducten moeten worden gevormd voordat het eindproduct kan worden geproduceerd. Enzymen controleren deze tussenstappen, en een onderbreking in een stap verhindert de productie van het eindproduct. Hoe meer stappen in de pathway, hoe kwetsbaarder het systeem dus is voor mogelijke veranderingen.

Puntmutaties beïnvloeden vele systemen binnen planten. De visueel meest dramatische zijn kleur of vorm. Foto 1 toont verschillende natuurlijk voorkomende kleurmutaties. De verandering kan een deel van een bloem, vrucht of blad betreffen, maar ook een hele tak. Afhankelijk van om welk weefsel het gaat, kan de verandering via zaden worden doorgegeven aan de volgende generatie. Zij kunnen ook worden vermeerderd door enten of stekken. Sommige mutaties kunnen instabiel zijn en ertoe leiden dat delen van de plant weer in hun oorspronkelijke staat terugvallen (foto 2).

Puntmutaties in planten worden vaak aangetroffen na stressvolle milieuomstandigheden, vooral koude. Alle cellen in een organisme bevatten dezelfde genetische informatie, ongeacht waar ze zich bevinden. Sommige cellen vormen wortels terwijl andere bloemen vormen, ook al bevatten beide dezelfde genetische informatie. Wij begrijpen niet volledig wat dit proces regelt. We weten echter wel dat cellen die gedwongen worden te herprogrammeren voor een andere functie, geneigd lijken fouten te maken in het proces. Dit gebeurt wanneer planten te maken krijgen met knopdodende temperaturen. Wanneer normale vegetatieve toppen schade oplopen, vormt de plant adventieve toppen die uitgroeien tot nieuwe scheuten. De meeste cellen zullen met succes herprogrammeren, maar sommige kunnen veranderingen vertonen. De meeste veranderingen blijven onopgemerkt en zijn niet gunstig, maar er kan een verandering optreden in kleur of groeiwijze, die we gemakkelijk opmerken en aantrekkelijk of gunstig vinden.

Een beetje uitleg over de anatomie en ontwikkeling van planten kan het voorkomen van mutaties verduidelijken. Plantenstructuren beginnen met een enkele cel. Die ene cel deelt zich om er twee van te maken, die twee delen zich om er vier van te maken, dan delen zich er vier om er acht van te maken, enzovoort, totdat de structuur compleet is. Daarom zien sommige visuele mutaties er nogal geometrisch uit. De hibiscusbloem op foto 1 is voor het grootste deel halfwit en halfroze, wat erop wijst dat de kleurverandering plaatsvond in het tweecellig stadium. Dat is ook wat er gebeurt bij een half rode, half gele appelvrucht.

Om dit artikel voor te bereiden, heb ik een excursie gemaakt naar de plaatselijke supermarkt. Zoals verwacht, vond ik mutaties. Ze zijn gemakkelijk te vinden als je weet waar je op moet letten. Op foto 3 zie je wat ik heb gevonden. Afgaande op de grootte van de verandering, heeft de oranje vrucht links op foto 3B en C blijkbaar een verandering ondergaan in het stadium van vier cellen en die rechts in het stadium van 16 cellen. Deze visuele veranderingen kunnen verrassend zijn wanneer ze worden waargenomen omdat ze niet vaak voorkomen, maar niet ongebruikelijk wanneer het proces eenmaal wordt begrepen.

Vruchtkleurmutaties zijn het duidelijkst. Kleurontwikkeling is een trajectproces met verschillende tussenstappen tussen begin- en eindproduct. Kleurveranderingen komen daarom vrij vaak voor, vooral het veranderen naar minder kleur. Veel rode appels hebben echter een kleurverbetering ten opzichte van het origineel omdat appeltelers enkele takken met sterk gekleurd fruit vinden. De knoppen van die takken worden dan vermeerderd tot hele bomen.

Een andere veel voorkomende vorm van mutatie betreft het toevoegen of verwijderen van chromosomen of het toevoegen van een hele set chromosomen. Deze zijn het gevolg van fouten tijdens het celdelingsproces. Tijdens de normale celdeling staan de chromosomen op een rij, verdubbelen zich en worden dan uit elkaar getrokken en gelijk verdeeld over de twee resulterende cellen. Soms blijven chromosomen “achter”, waardoor er een ongelijke verdeling ontstaat: de ene cel heeft er meer en de andere minder. Deze cellen doen het vaak niet goed, omdat de helft noodzakelijke informatie mist en ongelijke aantallen leiden tot verdere replicatiemoeilijkheden.

Het komt echter ook voor dat chromosomen zich dupliceren en er geen nieuwe cel wordt gevormd. Dit heeft tot gevolg dat de oorspronkelijke cel een volledige extra chromosomenreeks heeft. Deze veranderingen zijn vrij stabiel, omdat zij de nodige informatie hebben – slechts tweemaal zoveel – en zij hebben een gelijk aantal chromosomen, waardoor verdere celdeling regelmatig is. De cellen die het resultaat zijn van deze verandering worden polyploïde genoemd (poly = veel; ploïdie = chromosomen). Deze verandering kan in alle cellen optreden, maar als zij optreedt in cellen die verantwoordelijk zijn voor de geslachtelijke voortplanting, vormen zij eicellen en stuifmeelkorrels die tweemaal het normale aantal chromosomen hebben en de resulterende eicellen en stuifmeel worden “niet-gereduceerde gameten” genoemd.”

Als een niet-gereduceerde stuifmeelkorrel zich combineert met een niet-gereduceerde eicel van dezelfde soort, heeft deze de mogelijkheid zich te ontwikkelen tot een geheel nieuwe plantensoort. Dit proces heeft geleid tot een aantal bekende voedselplanten. Bosbessen en aardbeien maken deel uit van een polyploïde reeks, waarvan sommige diploïd zijn (de normale situatie met twee sets chromosomen), tetraploïd (vier sets), hexaploïd (zes sets) en octoploïd (acht sets). Commerciële aardbeien zijn octoploïd en commerciële bosbessen zijn ofwel tetraploïd ofwel hexaploïd. Aangenomen wordt dat de tetra-, hexa- en octoploïden alle hun oorsprong terugvoeren op een diploïde voorouder die de niet-gereduceerde stappen en combinaties van de gametenproductie heeft doorlopen. Andere polyploïde planten zijn tarwe (tetraploïd of hexaploïd), haver (hexaploïd), kiwi’s (hexaploïd) en andere. In feite zijn 30 tot 80 procent van alle planten polyploïden.

U zult opmerken dat alle genoemde niveaus even getallen zijn – twee, vier, zes, acht enz. Geen enkel was oneven – een, drie, vijf, enz. Dat komt omdat oneven nummers ons terugbrengen naar het probleem van de ongelijke verdeling van chromosomen tijdens de celdeling. Op elke regel is er echter een uitzondering, en de aardappel kent leden met twee, drie, vier en vijf sets chromosomen, maar dan is de aardappel niet alleen afhankelijk van geslachtelijke voortplanting, maar kan hij ook worden vermeerderd door ongeslachtelijke zaaddelen. De oneven sets bestaan wel of kunnen worden gemaakt in andere plantensoorten, en wij hebben er ons voordeel mee gedaan als voedingsgewassen, omdat in veel gevallen de ongelijke chromosoomverdeling tot zaadloosheid leidt, zoals bij zaadloze watermeloen en bananen. De planten zullen wel groeien, maar geen nakomelingen voortbrengen, zij zijn steriel en hebben slechts sporen van zaden.

Mutaties komen ook voor binnen dierlijke systemen. Maar omdat dierlijke systemen complexer zijn, is hun overleving niet zo betrouwbaar en zijn veranderingen niet zo dramatisch. Er zijn enkele polyploïde vissen en amfibieën, maar polyploïde zoogdieren zijn zeldzaam en het is nog zeldzamer dat zij tot aan hun geboorte overleven.