En organisms hälsa och överlevnad är beroende av tillförlitlig och korrekt replikering av DNA (desoxyribonukleinsyra) och ordnad celldelning. Utan att dessa processer är mycket tillförlitliga är överlevnaden tveksam. Emellertid förekommer det ibland misstag. Vilken typ av misstag sker, vad orsakar dem och vilka är några av resultaten?
För det första är det viktigt att veta att det mesta DNA inte gör någonting. DNA klassificeras som ”kodande” eller ”icke-kodande”. Kodande DNA kodar för produktion av enzymer och proteiner som krävs för att driva de processer som är nödvändiga för livet. Icke-kodande DNA liknar slumpmässigt placerade bokstäver som inte är meningsfulla. Syftet med ett sådant överflöd av icke-kodande DNA är dåligt förstått, men av de 6,5 fot DNA i varje mänsklig cell är endast cirka 1 tum kodande DNA. Fel i de icke-kodande delarna har inga uppenbara konsekvenser och det är en teori om varför det finns så mycket – det kan fungera som en buffert för att skydda kodande DNA. I en tidigare artikel från Michigan State University Extension, ”Mutants have value too”, nämndes att vissa DNA-förändringar är användbara. Den här artikeln kommer att diskutera hur de uppstår och ger exempel på vanligt förekommande växtmutationer.
Mutationer beror på förändringar som sker i själva DNA:t eller i replikations-/celldelningsprocessen. Förändringar inom DNA-molekylen kallas ”punktmutationer” eftersom de förekommer i en liten del av DNA:t men ändå kan ha betydande effekt eftersom de ändrar ”kodens innebörd”. Punktmutationer kan bero på skador från kosmisk strålning, kemikalier och virus. De kan också bero på stress från värme, kyla, kraftig beskärning eller replikationsfel som orsakar en förskjutning av DNA-sekvenserna så att de inte längre har någon mening. Många biologiska system är system av typen ”pathway” som kräver att mellanprodukter bildas innan slutprodukten produceras. Enzymer kontrollerar dessa mellansteg, och ett avbrott i något av stegen förhindrar att slutprodukten produceras. Därför är systemet mer sårbart för eventuella förändringar ju fler steg som ingår i vägen.
Punktmutationer påverkar många system i växter. De mest visuellt dramatiska är färg eller form. Foto 1 visar olika naturligt förekommande färgmutationer. Förändringen kan påverka en del av en blomma, en frukt eller ett blad, eller en hel gren. Beroende på vilken vävnad som berörs kan förändringen föras vidare till nästa generation genom frön. De kan också förökas genom ympning eller sticklingar. Vissa mutationer kan vara instabila och resultera i att producera delar av växten som återgår till sitt ursprungliga tillstånd (bild 2).
Punktmutationer hos växter hittas ofta efter stressande miljöförhållanden, särskilt kyla. Alla celler i en organism innehåller samma genetiska information oavsett var de finns. Vissa celler bildar rötter medan andra bildar blommor trots att båda innehåller samma genetiska information. Vi förstår inte helt och hållet vad som reglerar denna process. Vi vet dock att celler som tvingas omprogrammera till en annan funktion verkar benägna att göra misstag i processen. Detta händer när växter utsätts för temperaturer som dödar knoppar. När normala vegetativa knoppar drabbas av skador bildar växten adventivknoppar som växer till nya skott. De flesta celler kommer att omprogrammera framgångsrikt, men vissa kan uttrycka förändringar. De flesta förändringar går obemärkt förbi och är inte fördelaktiga, men det kan förekomma en förändring i färg eller växtsätt, som vi lätt upptäcker och finner attraktiva eller fördelaktiga.
En liten förklaring om växternas anatomi och utveckling kan förtydliga mutationernas utseende. Växtstrukturer börjar med en enda cell. Den ena cellen delar sig för att göra två, dessa två delar sig för att göra fyra, sedan delar sig fyra för att göra åtta och så vidare och så vidare tills strukturen är färdig. Det är därför som vissa visuella mutationer ser ganska geometriska ut. Hibiskusblomman i bild 1 är mestadels halvvit och halvrosa, vilket tyder på att färgskiftet skedde i tvåcellsstadiet. Det är också vad som händer i en halvt röd, halvt gul äppelfrukt.
För att förbereda den här artikeln gjorde jag en utflykt till den lokala stormarknaden. Som väntat hittade jag mutationer. De är lätta att upptäcka när man vet vad man ska leta efter. Bild 3 visar vad jag hittade. Baserat på förändringens storlek hade den orangea frukten till vänster i bild 3B och C uppenbarligen en förändring som inträffade vid fyracellsstadiet och den till höger vid 16-cellsstadiet. Dessa visuella förändringar kan vara överraskande när de observeras eftersom de inte inträffar ofta, men inte ovanliga när processen förstås.
Fruktfärgmutationer är mest uppenbara. Färgutveckling är en vägprocess med flera mellansteg mellan initial- och slutprodukt. Färgförändringar sker därför ganska ofta, särskilt att byta till mindre färg. Många röda äpplen har dock förbättrad färg jämfört med originalet eftersom äppelodlare hittar enstaka lemmar med starkt färgade frukter. Knoppar från dessa grenar förökas sedan till hela träd.
En annan vanlig typ av mutation innebär att kromosomer läggs till eller tas bort eller att en hel uppsättning kromosomer läggs till. Dessa beror på misstag under celldelningsprocessen. Under normal celldelning står kromosomerna på rad, dupliceras och dras sedan isär och fördelas jämnt i de två resulterande cellerna. Ibland ”släpar” kromosomer efter och blir kvar, vilket resulterar i en ojämlik fördelning – en cell har fler och den andra har färre. Dessa celler klarar sig ofta inte bra eftersom hälften av dem saknar nödvändig information och ojämnt antal leder till ytterligare replikationssvårigheter.
Hur som helst händer det att kromosomer dubblar sig och en ny cell inte bildas. Detta resulterar i att den ursprungliga cellen har en hel extra kromosomuppsättning. Dessa förändringar är ganska stabila eftersom de har den nödvändiga informationen – bara dubbelt så mycket – och de har lika många kromosomer, vilket gör ytterligare celldelning regelbunden. De celler som blir resultatet av denna förändring sägs vara polyploida (poly = många; ploidy = kromosomer). Denna förändring kan ske i alla celler, men om den sker i celler som ansvarar för den sexuella reproduktionen bildar de äggceller och pollenkorn som har dubbelt så många kromosomer som det normala antalet kromosomer, och de resulterande äggen och pollen kallas ”oreducerade könsceller.”
Om ett oreducerat pollenkorn kombineras med en oreducerad äggcell från samma art, har det potential att utvecklas till en helt ny växtart. Denna process har gett upphov till några välkända matväxter. Blåbär och jordgubbar ingår i en polyploid serie där vissa är diploida (den normala situationen med två uppsättningar kromosomer), tetraploida (fyra uppsättningar), hexaploida (sex uppsättningar) och oktoploida (åtta uppsättningar). Kommersiella jordgubbar är oktoploider och kommersiella blåbär är antingen tetraploider eller hexaploider. Tetra-, hexa- och oktoploiderna anses alla härstamma från en diploid förfader som genomgick de oreducerade stegen och kombinationerna för produktion av könsceller. Andra polyploida växter är vete (tetraploid eller hexaploid), havre (hexaploid), kiwi (hexaploid) och andra. Faktum är att 30 till 80 procent av alla växter är polyploider.
Du kommer att märka att alla nivåer som nämns är jämna tal – två, fyra, sex, åtta osv. Ingen är udda – en, tre, fem osv. Det beror på att udda tal återför oss till problemet med ojämlik kromosomfördelning under celldelningen. För varje regel finns dock ett undantag, och potatisen har medlemmar med två, tre, fyra och fem uppsättningar kromosomer, men då är potatisen inte enbart beroende av sexuell reproduktion utan kan förökas genom asexuella fröbitar. De udda uppsättningarna finns eller kan tillverkas hos andra växtarter, och vi har dragit nytta av dem som livsmedelsgrödor eftersom den ojämna kromosomfördelningen i många fall leder till fröslöshet, t.ex. vattenmelon och bananer utan frön. Växterna växer, men de producerar ingen avkomma, de är sterila och har bara spår av frön.
Mutationer förekommer också inom djursystemen. Men eftersom djursystem är mer komplexa är deras överlevnad inte lika pålitlig och förändringarna inte lika dramatiska. Det finns några polyploida fiskar och amfibier, men polyploida däggdjur är sällsynta och det är ännu mer sällsynt att de överlever till födseln.