Információ

16.3E: Ivartalan szaporodás növényekben – Biológia

16.3E: Ivartalan szaporodás növényekben – Biológia


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Az ivartalan szaporodás új egyedek képződése egyetlen szülő sejtjéből. Növényekben nagyon gyakori, állatokban kevésbé.

Ivartalan szaporodás növényekben

Minden növényi szervet használtak ivartalan szaporodásra, de a szárak a leggyakoribbak.

Szárak

Egyes fajoknál a szárak meghajlanak, és a hegyükön gyökeret vernek, új növényeket hozva létre.

A vízszintes föld feletti szárak (ún stolons) a szamóca (itt látható) új leánynövényeket hoz létre az alternatív csomópontokon.

A föld alatti szárakat, például rizómákat, hagymákat, gumókat és gumókat használják ivartalan szaporodásra, valamint élelmiszerek tárolására.

Az íriszek és a nappali liliomok például gyorsan terjednek rizómáik növekedésével.

Levelek

Ezen a képen a Bryophyllum (más néven Kalanchoë) közönséges dísznövény levelei láthatók. A levélszélek mentén lévő merisztémáknál a mitózis apró palántákat hoz létre, amelyek lehullanak, és önálló életre kelhetnek.

Gyökerek

Egyes növények a gyökereiket ivartalan szaporodásra használják. Gyakori példa a pitypang. A fák, mint például a nyár vagy a nyárfa, új töveket küldenek a gyökereikből. Idővel egy egész liget képződhet – mind része a klón az eredeti fáról.

Növényszaporítás

A kereskedelmi szempontból fontos növényeket gyakran szándékosan ivartalan módon szaporítják, hogy megőrizzék a különösen kívánatos tulajdonságokat (pl. virágszín, íz, betegségekkel szembeni ellenálló képesség). A dugványokat el lehet venni a szülőtől és gyökereztetni.

Oltás széles körben használják a kívánt cserje vagy fa szaporítására. Minden almafajtát például így szaporítanak.

alma magvak csak a belőlük származó gyökér- és szárrendszerre ültetik. Egy éves növekedés után a szár nagy részét eltávolítják, és egy gallyat (leszármazott) a kívánt fajtájú, kifejlett növényről vett, a levágott csonkba (a Készlet). Amíg a sarjadék és az állomány kambiumjai egyesülnek, és óvintézkedéseket tesznek a fertőzés és a kiszáradás megelőzése érdekében, addig a sarja növekedni fog. Minden vizet és ásványi anyagot az állomány gyökérrendszeréből kap. Azonban a gyümölcs, amelyet végül hozni fog, azonos (feltételezve, hogy hasonló környezeti körülmények között nevelik) annak a fának a gyümölcsével, amelyről a sarjat vették.

Apomixis

A citrusfélék és sok más zárvatermő faj magjaikat ivartalan szaporodási módszerként használják; nevű folyamat apomixis.

  • Az egyik formában a tojást úgy alakítják ki 2n kromoszómák, és anélkül fejlődik, hogy valaha is megtermékenyülne.
  • Egy másik változatban a petesejt sejtjei (2n) a megtermékenyített petesejt helyett - vagy mellett - embrióvá fejlődnek.

A különböző fajok közötti hibridizáció gyakran terméketlen utódokat hoz. De a növényekben ez nem feltétlenül pusztítja el az utódokat. Sok ilyen hibrid apomixit használ önmaga szaporítására.

Az Észak-Amerikában a pázsiton növekvő kentuckyi bluegrass és a szeder számos faja két példa a steril hibridekre, amelyek sikeresen szaporodnak apomixis útján.

A közelmúltban egy példát fedeztek fel a gymnospermekben előforduló apomixisra (lásd Pichot, C. et al, a 2001. július 5-i számban). Természet). Egy ritka ciprusban a pollenszemek diploidok, nem haploidok, és embrióvá fejlődhetnek, ha saját fajuk (ritka), vagy egy sokkal gyakoribb ciprusfaj nőivarú kúpjain landolnak.

Ez apai apomixis egy béranyában kétségbeesett kísérlet a kihalás elkerülésére?

Apomiktikus kultúrnövények nemesítése

Sok értékes kultúrnövény (pl. kukorica) nem szaporítható ivartalan módszerekkel, például oltással.

A mezőgazdasági tudósok nagyon szívesen átalakítanák ezeket a növényeket apomixissá: olyan embriókat készítenének, amelyek önmaguk genetikai klónjai, nem pedig a szexuális szaporodás termékei az elkerülhetetlen génátrendeződéssel. 20 évnyi munka után apomiktikus kukoricát (kukoricát) állítottak elő, de még nem termel elegendő életképes magot ahhoz, hogy kereskedelmileg hasznosítható legyen.

Az ivartalan szaporodás állatoknál

Bimbózó

Itt az utódok növekedésként fejlődnek ki a szülő testén. Egyes fajoknál, például a medúzáknál és sok tüskésbőrűnél a rügyek letörnek és önálló életet vesznek. Másoknál, például a koralloknál, a bimbók a szülőhöz kötődnek, és a folyamat eredménye kolóniák állatoké. A rügyezés gyakori a parazita állatok, például a galandférgek körében is.

Töredezettség

Amint bizonyos apró férgek teljes méretre nőnek, spontán módon 8 vagy 9 darabra bomlanak. Ezen töredékek mindegyike érett férggé fejlődik, és a folyamat megismétlődik.

Szűznemzés

A partenogenezis során ("szűz születés") a nőstények tojásokat termelnek, de ezek fiatallá fejlődnek anélkül, hogy megtermékenyülnének. A partenogenezis előfordul néhány halban, többféle rovarban, valamint néhány béka- és gyíkfajban. Emlősökben általában nem fordul elő, benyomott génjeik miatt. A lenyomatolás megkerülésére szolgáló speciális manipulációk segítségével azonban partenogenezis útján laboratóriumi egereket állítottak elő.

Néhány nem emlős fajnál ez az egyetlen szaporodási mód, de gyakrabban az állatok csak bizonyos körülmények között fordulnak a partenogenezishez. Példák:

  • A levéltetvek tavasszal használják a partenogenezist, amikor bőséges táplálékkal találják magukat. Ennél a fajnál a partenogenezissel történő szaporodás gyorsabb, mint az ivaros szaporodás, és az ivartalan szaporodási mód alkalmazása lehetővé teszi az állatok számára, hogy gyorsan kiaknázzák a rendelkezésre álló erőforrásokat.
  • A nőstény komodói sárkányok (a legnagyobb gyík) partenogenezis útján utódokat hozhatnak létre, ha nem áll rendelkezésre hím az ivaros szaporodáshoz. Utódaik minden lókuszban homozigóták, beleértve az azonos ivari kromoszómákat is. Így a nőstények minden hímet termelnek, mivel az emlősöktől eltérően a nőstények a heterogametikus nem (ZW), míg a hímek homogametikusak (ZZ).

A partenogenezis bizonyos darazsakfajokra kényszerül, amikor baktériumokkal fertőződnek meg (a nemzetségben Wolbachia). A wolbachia petéken keresztül átjuthat egy új nemzedékbe, spermán keresztül azonban nem, ezért a baktérium számára előnyös, ha nőstények születnek, nem pedig hímek.

Ezekben a darazsakban (mint a mézelő méheknél),

  • a megtermékenyített peték (diploid) nőstényekké válnak
  • a megtermékenyítetlen (haploid) petékből hímek lesznek

A Wolbachia-fertőzött nőstényeknél azonban minden petéjük endoreplikáción megy keresztül, ami diploid petéket termel, amelyekből megtermékenyítés nélkül nőstények fejlődnek; vagyis partenogenezis útján.

A darazsak antibiotikummal történő kezelése elpusztítja a baktériumokat és "meggyógyítja" a partenogenezist!

Apis mellifera capensis

Alkalmanként a dolgozó méhek petefészkeket fejlesztenek, és megtermékenyítetlen tojásokat raknak le. Általában ezek haploidok, ahogy az várható is volt, és hímekké fejlődnek. Az alfaj dolgozói azonban Apis mellifera capensis (a fokföldi mézelő méh) megtermékenyítetlenül is tojhat diploid peték, amelyek nőstényekké fejlődnek (akik folytatják a gyakorlatot). A peték meiózissal keletkeznek, de ekkor a poláris test magja egyesül a tojásmaggal, helyreállítva a diploiditást (2n). (A jelenség az ún automictic thelytoky.)

Miért válassza az ivartalan szaporodást?

Talán a jobb kérdés: Miért ne?

Végül is az ivartalan szaporodás hatékonyabb szaporodási módnak tűnik. Az ivaros szaporodáshoz hímekre van szükség, de ők maguk nem hoznak utódokat.

Az ivarosan szaporodó fajok elsöprő elterjedtségének két általános magyarázata az ivartalanokkal szemben:

  • Az ivaros szaporodás talán azért maradt divatban, mert mechanizmust biztosít (a meiózis rekombinációs folyamata révén) a populációban fellépő káros mutációk kiszűrésére, amelyek csökkentik annak alkalmasságát. Az ivartalan szaporodás ahhoz vezet, hogy ezek a mutációk homozigótákká válnak, és így teljes mértékben ki vannak téve a természetes szelekció nyomásának.
  • Talán a változó környezethez való gyors alkalmazkodás képessége az, ami miatt a szex a legtöbb élőlény számára a választott módszer maradt.

A káros mutációk eltávolítása

A legtöbb mutáció káros – funkcionális allélt kevésbé vagy nem működőképessé változtat. Az aszexuális populáció általában genetikailag statikus. A mutáns allélek megjelennek, de örökre kapcsolatban maradnak a genom többi részében jelenlévő adott allélokkal. Még egy előnyös mutáció is kihalásra van ítélve, ha olyan génekkel együtt rekednek, amelyek csökkentik az adott populáció alkalmasságát.

De a genetikai rekombináció A nem által biztosított új allélok különböző kombinációkba keverhetők az adott faj genomja számára elérhető összes többi alléllel. Egy jótékony mutáció, amely először a káros allélok mellett jelenik meg, a rekombinációval hamarosan alkalmasabb genomokban találhatja magát, amely lehetővé teszi, hogy a szexuális populáción keresztül terjedjen.

Bizonyíték (Paland és Lynch 2006. február 17-i számában Tudomány):

A vízibolha néhány törzse Daphnia pulex (apró rákfélék) ivarosan, mások ivartalanul szaporodnak. Az aszexuális törzsek négyszer olyan gyorsan halmoznak fel káros mutációkat mitokondriális génjeikben, mint a szexuális törzsek.

Bizonyíték (Goddardtól et al. 2005. március 31-i számában Természet):

A bimbózó élesztő, amelyből hiányzik két meiózishoz nélkülözhetetlen gén, kevésbé gyorsan alkalmazkodik a zord körülmények közötti növekedéshez, mint egy egyébként azonos törzs, amely genetikai rekombináción megy keresztül. Jó körülmények között mindkét törzs egyformán jól fejlődik.

Bizonyíték (Rice and Chippindale 2001. október 19-i számában Tudomány):

Kísérleti Drosophila populációkat használva azt találták, hogy a kromoszómákba bevitt előnyös mutáció, amely tud rekombinált - idővel gyorsabban nőtt a frekvencia, mint a kromoszómákba bevitt ugyanazon mutáció, amely képes nem rekombinálni.

Tehát a szex egy mechanizmust biztosít a teszteléshez az allélok új kombinációi a fenotípusra való esetleges hasznosságuk miatt:

  • a természetes szelekció által kigyomlált káros allélok
  • hasznosakat, amelyeket a természetes szelekció megtart

Egyes organizmusok továbbra is élvezhetik a genetikai rekombináció előnyeit, miközben elkerülik a szexet. Sok mikorrhiza gomba csak ivartalan szaporodást alkalmaz. Azonban legalább két fajról kimutatták, hogy ugyanannak a génnek több - hasonló - másolata van; vagyis poliploidok. Talán ezek közötti rekombináció (a mitózis során?) lehetővé teszi, hogy ezek a szervezetek elkerüljék a káros mutációk felhalmozódásának veszélyét. (Lásd Pawlowska és Taylor írását a 2004. február 19-i számban Természet.)

De sok példa van olyan populációkra, amelyek szex nélkül boldogulnak, legalábbis addig, amíg a stabil környezet.

Gyors alkalmazkodás a változó környezethez

Mint láttuk (fent), a szex nélküli populációk genetikailag statikusak. Lehet, hogy jól alkalmazkodnak egy adott környezethez, de nem fognak fejlődni a környezet változásaira válaszul. A fajok környezetére ható egyik legerősebb környezeti erő a paraziták.

Az a gyorsaság, amellyel a paraziták, például a baktériumok és vírusok képesek megváltoztatni virulenciájukat, a legerősebb igényt jelentheti gazdáik számára, hogy képesek legyenek új génkombinációkat létrehozni. Tehát a szex gyakorlatilag univerzális lehet, mivel a végtelenül szükséges lépést tartani a paraziták változásaival.

Bizonyíték:

  • Egyes paraziták zavarják gazdájuk szexuális szaporodását:
    • Példa erre a fentebb tárgyalt Wolbachia által kiváltott partenogenezis.
    • A gombák számos fajtája blokkolja pázsitgazdáik szélbeporzását, így beltenyésztésre kényszeríti őket az ebből eredő genetikai egyformaság következtében.
  • Bizonyíték van arra, hogy a genetikailag egyforma populációk fokozottan ki vannak téve a pusztító járványok és a népességösszeomlás kockázatának.
  • Lisztbogarak (Tribolium castaneum) a microsporidium által parazitált Nosema whitei növeli a rekombináció sebességét a meiózis során.
  • Drosophila a baktériumok által parazitált nőstények több rekombináns utódot hoznak létre, mint a nem fertőzött anyák.

Azt az elképzelést, hogy az evolúciót a folyamatosan változó környezet, különösen a paraziták tekintetében, gyakran nevezik Vörös Királynő hipotézis. Lewis Carroll könyvéből származik A Nézőüvegen keresztül, ahol a Vörös Királynő azt mondja: "Most itt, látod, minden futást megtesz ahhoz, hogy ugyanazon a helyen maradj".

A fent vázolt lehetőségek nem zárják ki egymást, és egy friss tanulmány [lásd Morran, L. T., et al., ban ben Természet, 462:350, 2009. november 19.] azt sugallja, hogy mindkét erő azon dolgozik, hogy a szexuális szaporodást előnyben részesítse az alternatívákkal szemben.

Ezen elméletek tesztelésének szervezete az volt Caenorhabditis elegans. Míg C. elegans nem szaporodik ivartalanul, a legtöbb féreg hermafrodita, és általában önmegtermékenyítéssel szaporodik úgy, hogy minden egyed megtermékenyíti a saját petéit. Ez gyorsan azt eredményezi, hogy génjei homozigótákká válnak, és így teljesen ki vannak téve a természetes szelekciónak, akárcsak az ivartalanul szaporodó fajok esetében.

A hermafroditáknak két X-kromoszómájuk van, és az önmegtermékenyítés ("önmegtermékenyítés") általában több ilyet termel; vagyis a hermafroditák több hermafroditát termelnek. Azonban az alkalmankénti nem diszjunkció egyetlen X-kromoszómával rendelkező embriót hoz létre, és ebből hím lesz. Ezek a hímek párosodhatnak hermafroditákkal (az ő spermájukat előnyben részesítik a hermafroditák sajátjaival szemben), és valójában az ilyen „keresztezés” nagyobb számú utódot hoz létre. 50%-ban hermafroditákat és 50%-ban hímeket is termel.

Az outcrossing és az önmegtermékenyítés szerepének tesztelése a fittség megőrzésében a megnövekedett mutációs ráta mellett.

Ezek a munkások hat féregtörzset fejlesztettek ki:

  • kettő, amely csak önelégüléssel tudott szaporodni
  • kettő, amely csak egy hímnek egy hermafroditával való keresztezésével tudott szaporodni ("átkeresztezés")
  • "vad típusú" férgek

Az összes törzset kémiai mutagénnek tették ki, amely mintegy négyszeresére növelte a spontán mutációs rátát.

Az eredmények: 50 generáció után a

  • a csak önfeláldozással szaporodni tudó férgek edzettsége komoly visszaesést szenvedett el
  • a csak keresztezéssel szaporodni képes férgek nem szenvedtek hanyatlást
  • a vad típusú férgek közepes keresztezési szintjével (20-30%) csak mérsékelten csökkentek a kondíciójukban.

A fittséget úgy mérték, hogy a férgeket egy Petri-csészébe helyezték el, amelyen át kellett haladniuk, hogy elérjék a táplálékukat (E. coli).

A következtetés: a keresztezés által biztosított genetikai rekombináció megvédte a férgeket az alkalmasság elvesztésétől még a mutációs ráta növekedésével szemben is.

A keresztezés vs. önmegtermékenyítés szerepének tesztelése a megváltozott környezethez való alkalmazkodás sebességében.

Ezekhez a vizsgálatokhoz a párzási típusok mindegyik kategóriájából egyet 40 generáción keresztül tették ki egy patogén baktériumnak (Serratia marcescens), amely elpusztította a legtöbb férget, amikor megették.

Az eredmények: 40 generáció után

  • A csak önkifejezéssel szaporodó férgek ugyanolyan érzékenyek voltak a kórokozóra, mint a kezdeti időszakban.
  • a csak keresztezéssel szaporodó férgek törzse nagyfokú rezisztenciát fejlesztett ki a kórokozóval szemben
  • a vad típusú férgek rezisztenciája csak szerény mértékben növekedett a baktériumokkal szemben.

Mióta ezekről a vizsgálatokról beszámoltak, ugyanez a csapat kibővítette kísérleteit, hogy megvizsgálja a kórokozó evolúciójának hatásait.Serratia marcescens), vagyis bizonyítékot keresni arra koevolúció gazdaszervezet és parazita. (Beszámolt Morran, L. T., et al., ban ben Tudomány, 333: 216, 2011. július 8.)

A férgek több mint 30 generációját gyűjtötték be és tesztelték a fertőzést követő 24 órán belül elpusztult férgek testéből nyert baktériumokat. Azt találták, hogy:

  • Azok a férgek, amelyek keresztezéssel képesek fenntartani a genetikai variabilitást, lényegesen alacsonyabb mortalitást szenvedtek az együttfejlődött parazitától, amely a kiindulási populációból származó férgeket (felhasználásig fagyasztva tartott).
  • Azok a férgek, amelyek csak önképzéssel tudtak szaporodni, annyira fogékonyak lettek a fejlődő fajokra. Serratia marcescens hogy 20 generáción belül kihaltak.
  • Érdekes módon a szelekciós nyomás a növekvő virulencia Serratia marcescens A vad típusú férgek a normál 20-30%-ról 80%-ra növelték a keresztezési arányt. Tehát az egyik válasz az együtt fejlődő parazita nyomására az volt, hogy elősegítse a nemi életet a gazdájában.

Szaporodás Rotiferben

A rotiferek mikroszkopikus méretű gerinctelenek. Kijelöltek egy saját törzset (az oldalakon máshol nem tárgyaljuk). A törzs a következőket tartalmazza:

  • egy ~1500 fajból álló osztály, az úgynevezett monogonont rotifers (csak egyetlen ivarmirigyük van). A monogonon rotiferek a körülményektől függően választhatnak ivartalan vagy ivaros szaporodást.
  • egy ~350 fajból álló osztály, az úgynevezett bdelloid rotifers. A bdelloid rotiferek csak ivartalan szaporodásra korlátozódnak. Még évekig tartó tanulmányozás után sem találtak sem hímet, sem haploid tojást ennek a csoportnak egyetlen tagjában sem. Úgy tűnik, évmilliókkal ezelőtt lemondtak a szexuális szaporodásról.

Laboratóriumi vizsgálatok azt mutatják, hogy a monogonont rotiferek előnyben részesítik az ivartalan szaporodást, ha stabil környezetben élnek, de áttérnek az ivaros szaporodásra, ha változatos vagy kedvezőtlen környezetbe helyezik őket. Ahogy alkalmazkodnak az új környezethez, fokozatosan térnek vissza az ivartalan szaporodásra.

De hogyan maradhattak életben azok a bdelloid rotiferek, amelyek soha nem vesznek részt szexuális szaporodásban? Hogyan kerülték el a Vörös Királynő követeléseit? vagyis elkerülték a kihalást a paraziták keze által?

Egy tanulmány (Wilson, C. G. és Sherman, P. W., Tudomány, 327:574, 2010. január 29.) feltár egy mechanizmust. Ezeket az apró állatokat teljesen kiszáríthatják (kiszáríthatják), és évekig felfüggesztett animációban maradhatnak. Kiszáradt állapotban hatalmas távolságokra fújhatók (egyes fajok elterjedése világszerte megtalálható). Miután nedves környezetbe helyezték (néhány csepp víz elegendő), újra aktív életet élnek. Wilson és Sherman kimutatták, hogy a forgófélékre ártalmatlan kiszáradás halálos a gombás parazitákra. Így a szárítás után nemcsak meggyógyulnak a parazitájuktól, hanem olyan helyre is fújhatók, ahol paraziták nélkül folytathatják az aktív életet.

Genomjuk DNS-szekvenálása feltárt egy másik módot, amellyel ezek a rotiferek elkerülhetik az evolúciós zsákutcát, amely az ivartalanul szaporodó szervezetektől elvárható. Kiderült, hogy génkonverzióval (a mitózis során) megtisztíthatják genomjukat a káros alléloktól.

De mindenesetre hátrányai ellenére a szexuális szaporodás itt marad

  • csökkenti a káros mutációk hatását
  • növeli a populációk alkalmazkodóképességének sebességét a környezet változásaihoz