Ugrás a tartalomhoz

Erdészeti - természetvédelmi genetika

Mátyás Csaba

Mezőgazda Kiadó

Mutáció

Mutáció

A mutáció az örökítő anyag spontán, maradandó megváltozása, amelynek során új genetikai tulajdonság keletkezik. A H. de Vries által a múlt század elején bevezetett fogalmat ma szűkebb értelemben a génen belüli bázissorrend-változásra vonatkoztatjuk, tágabb értelemben azonban mutációnak tekinthető a kromoszóma-szerkezetben, ill. a kromoszómák számában bekövetkezett minden változás, ideértve a poliploidiát is (Rédei, 1987).

A rekombinatív változások viszont nem mutációk, mert ennek során az örökítő anyag pusztán átcsoportosításra kerül. A genetikában a gyakoribb allélt „vad” allélnak, a kis gyakoriságú allélt mutáns allélnak tekintik; ennek azonban erdészeti vagy természetvédelmi szempontból nincs jelentősége.

Fontos

Spontán elváltozás a mag morfológiai jellemzőiben

A spontán morfológiai elváltozások fák esetében legnagyobbrészt észrevétlenül maradnak, általában csak a csemetekertben megfigyelhető eltéréseket hasznosítják a dísznövénykertészek (pl. eltérő alak vagy levélszín). A nemesítő munka során azonban apróbb változások is feltűnnek. Bánó és Retkes 350 rendszeresen vizsgált erdeifenyő-anyafa között talált egyet, amelyról kiderült, hogy a koronamagasság felénél az addig sötétbarna színű magszárny barna csíkosra változott, amely tulajdonságot természetesen az oltványokon is ki lehetett mutatni (21. ábra).

21. ábra - Az 1-4 jelű szentpéterfai erdeifenyő-anyafa magszárnyán fellépett színmutáció. Fent: eredeti, lent: mutált szárnymintázatú léha és telt mag (Bánó – Retkes, 1968)

Az 1-4 jelű szentpéterfai erdeifenyő-anyafa magszárnyán fellépett színmutáció. Fent: eredeti, lent: mutált szárnymintázatú léha és telt mag (Bánó – Retkes, 1968)


Szomatikus mutánsok

A mutáció olyan testi sejtekben is előfordul, melyekből nem képződnek ivarsejtek. Ilyenkor a sejt osztódása során a megváltozott genetikai információ továbbadódik ugyan, de a mutáció a hordozó egyed elpusztulásával együtt megsemmisül, hacsak a megváltozott szövet ivarsejteket nem képez (ha a mutált hajtáson virág képződik). A szomatikus mutánsok a hosszú életű fás növények esetében elég gyakoriak: feltűnő pl. a levélszín eltérése egyetlen hajtáson, vagy az elágazási habitus hirtelen változása (pl. ún. bábaseprők megjelenése). Előfordul, hogy a mutáció hatása nem tartós, és a hajtás egy idő után „visszamutál” az eredeti habitusra. A szomatikus mutációkat duványozással vagy oltással elszaporítva számos dekoratív kerti változatot hoztak létre. A dísznövény-kereskedelemben kapható törpe növekedésű fenyőfajták legnagyobb része „bábaseprő”, azaz szomatikus mutáns hajtások elszaporításából származik. Egy Bánó István által szelektált törpe lucfajtát (Picea abies ’Kámoni’) az ERTI Kámoni Arborétumában álló lúcfenyő bábaseprőjéről szaporítottak el. Időközben a mutáns egyed újra az eredeti habitust vette fel.

A laboratóriumi szövettenyésztés során gyakran jelennek meg spontán mutánsok. Különösen nagy erre az esély, ha hosszabb tenyésztés után regenerálnak teljes növényt, vagy ha magas hormondózisokat alkalmaznak. Az eredetileg egyklónú tenyészetben így genetikai változatosság jelenik meg, amit szomaklónális változatosságnak neveznek. Fás fajok közül szomaklónos változatosságot egyebek között nemesnyár, nyír, luc és Pinus fajokban mutattak ki (Bonga in: Borzan – Schlarbaum, 1997). A legtöbb mutánsból azonban nem lesz ivarérett növény. A mutánsok sokszor instabilak, és a meiózis során, vagy a szexuális fázisban eltűnnek. Másrészt önmagában az, hogy egy szövettenyészetben eltérő ploidia-fokú sejtek jelennek meg, még nem jelenti azt, hogy ezekből valóban genetikailag eltérő növényke nevelhető, mivel a merisztémában a diploid, normális sejtek általában kiszorítják az abnormálisakat. A laboratóriumi szomaklónos mutáns sejtek sorsa rávilágít arra, hogy a természetben létrejövő spontán szomatikus mutánsok fennmaradásának is nagyon kicsi az esélye.

A mutáció típusai

Pontmutáció esetén a változás a DNS-lánc nukleotidjaiban, egyetlen bázispár cseréje, kiesése vagy betoldása révén keletkezik. A pontmutációt másolási hiba okozza. Ennek során új allél-változat jön létre. Az allélek szintjén bekövetkező mutációk általában kis hatásúak, így nem észlelhetők közvetlenül, hatásuk gyakran közömbös az egyed szempontjából. A genetikai kód tripletjének harmadik „betűjében” beállt változás emellett a létrejövő aminósav szempontjából – a kód szinonimitása miatt – többnyire nem jár következménnyel.

Egyes szerzők (pl. Dover – Flavell, 1982) a bázispárcserét előidéző pontmutáció mellett külön változatosságkeltő mechanizmusként szerepeltetik a DNS-, illetve kromoszóma-rendellenességek jelenségeit (pl. deléció, transzpozíció, szabálytalan crossing-over, szlip, génkonverzió stb.), elsősorban amiatt, hogy az így létrejövő változatosság rátája sokkal gyorsabb, mint a pontmutációé, ezért azonosításhoz, rokonságelemzéshez jobban használható.

A kromoszóma-mutáció esetében a kromoszóma rendellenességei vezethetnek az örökítő anyag változásához. Rendszerint feltűnő elváltozásokkal jár a kromoszómaszám többszöröződése, ill. változása (poliploidia vagy aneuploidia). A fenyőfajok esetében gyakori, hogy valódi poliploidok helyett a rendellenességek révén a kromoszómák mérete megkétszereződik (látens poliploidia).

A kromoszóma-mutációk alapvető morfológiai és fiziológiai változásokkal járnak (22. ábra), amelyek elsősorban a poliploidia esetében, új fajok kialakulásához vezethetnek, hiszen a kromoszómaszám spontán megváltozása az ivaros szaporodás szempontjából izolálja az egyedet (eltekintve a növény- és állatfajoknál nem ritkán megfigyelhető számfeletti vagy járulékos, ún. B-kromoszómáktól), és ily módon a fajképződés (speciáció) egyik fontos lehetősége. Mint ahogy azt már a genetikai rendszerről szóló fejezetben is említettük, a kromoszóma-többszöröződés különösen a lombos fafajok esetében gyakori faj- és nemzetségképző jelenség (l. a 3. táblázatot).

22. ábra - Juniperus chinensis és változatai habitusa, valamint kariotípusa. A var. sargentii néven leírt alak az alapfajjal és a többi változattal ellentétben nem 2n = 44, hanem csak 22 kromoszómávalrendelkezik (Nagano in: Guttenberger et al., 2000 nyomán)

Juniperus chinensis és változatai habitusa, valamint kariotípusa. A var. sargentii néven leírt alak az alapfajjal és a többi változattal ellentétben nem 2n = 44, hanem csak 22 kromoszómávalrendelkezik (Nagano in: Guttenberger et al., 2000 nyomán)


A kromoszómaszám-változás egyes kromoszómákat érinthet (aneuploidia), vagy a genom egésze többszöröződhet (eu- vagy poliploidia). A poliploidia a saját kromoszómakészlet többszöröződése (autopoliploidia) vagy eltérő, általában különböző fajhoz tartozó genomok hibridizálása (allopoliploidia) révén keletkezhet. Az aneuploidiával létrejött fajok aránylag ritkák, mivel az aneuploidia többnyire hátrányos vagy egyenesen letális hatású. Kerek kromoszóma-többszöröződéssel létrejött fajok viszont nagy számban fordulnak elő az erdei fák között, egyesek szerint a zárvatermő (lombos) fafajok 70 százaléka poliploid eredetű; a kromoszómaszám sok esetben egy feltételezhető alap-kromoszómaszám (n) egész számú többszöröse. A magasabb alap-kromoszómaszámú fajok esetében feltételezhető, hogy az evolúció korábbi szakaszában a nemzetség poliploidizálódott, majd a kromoszómák átrendeződtek. Ugyanakkor egyes nemzetségek nem mutatnak poliploidiát, pl. a tölgyek; az ismert mintegy 600 faj mind diploid (viszont az n = 12 alap-kromoszómaszám korábbi kettőződésre enged következtetni).

A lomblevelű nemzetségek között nagyobb számú poliploid fajjal (poliploid sorozattal) tűnnek ki a következők: Salix, Alnus (nincs diploid faj, csak poliploidok), Betula, Morus, Magnolia, Acer, Fraxinus. A Betula nemzetség esetében n = 7-ből kiindulva 4×7 = 28, 6×7= 42, 8×7 = 56, 10×7 = 70, 12×7 = 84, 16×7 = 112 kromoszómaszámú fajok fordulnak elő (3. táblázat). A Moraceae családban (n = 14) a poliploid fajok között a Morus nigra 22×n azaz 308-al kiemelkedően magas kromoszómaszámú. A Rosaceae családban (n = 8) különösen sok a poliploid faj, pl. a babérmeggy (Prunus laurocerasus) 22 × n = 176 kromoszómaszámú. A Prunus, Malus és Pyrus nemzetségben sok háziasított fajta triploid. A hazai fafajok közül a hársak esetében a legmagasabb az alap-kromoszómaszám: n = 41. A Tilia nemzetség összes rokonának azonban csak 7 kromoszómája van, így feltételezhető, hogy a hársak egy hexaploid fajból jöttek létre egy kromoszóma elvesztése révén (Hattemer et al., 1993). Természetes triploid fajok viszont, a meiózis során fellépő zavarok miatt, csak elvétve fordulnak elő. Egyes lombos nemzetségekben a mixoploidia (szabálytalan számú kromoszóma) sem ritka. Butorina (1997) a pusztaszil (Ulmus pumila) félsivatagi populációiban talált nagyszámú mixoploid (2n + 4n) egyedeket, ami feltehetőleg a szélsőséges termőhelyi feltételekhez való alkalmazkodással van összefüggésben.

A poliploidia evolúciós jelentőségére utal az a megfigyelés, hogy a poliploid fajok száma a tengerszint feletti magassággal és a szélességi körökkel (azaz észak felé) emelkedő arányt mutat, mind a kétszikűek, mind az egyszikűek esetében. Ez arra utal, hogy a poliploidok hatékonyabb kolonizálók, mint a diploid fajok. Úgy vélik, hogy a poliploidok nagyobb tűrőképességgel rendelkeznek, nagyobb mérvű heterozigózist hordoznak, esetenként heterózishatást is kiválthat párosodásuk. A poliploidizálás az utódokban stabilizálja a sikeresnek bizonyult genotípust azáltal, hogy a genetikai hasadás korlátozottabb. Mindezek a tulajdonságok a poliploidok jégkorszakok utáni sikeresebb kolonizálását segíthették elő (Sutka, 1980). Tekintettel a posztglaciális migrációk fontos szerepére a mérsékelt égövben, a fás poliploid fajok feltűnő gyakorisága nem lehet véletlen. A poliploidia tehát a legfontosabb fajképző mechanizmusok egyike a lombfák esetében. Ugyanakkor a fenyők körében a poliploidia ritka jelenség. Érdemes megemlíteni, hogy a parti mamutfenyő (Sequoia sempervirens) a fenyőfélék egyetlen hexaploid fajaként a Taxodiaceae családra jellemző diploid 22 kromoszóma háromszorosával, 66 kromoszómával rendelkezik (3. táblázat); ráadásul allohexaploid, azaz különböző fajok hibridizálásával előállt poliploid.

Egyes fajok esetében a kromoszómaszám fajon belül is változhat, így az észak-amerikai elterjedésű Betula papyrifera 56, 70 és 84 kromoszómával is rendelkezhet. Mindez a zárvatermők újabb keletű, és jelenleg is folyamatban levő speciációjával magyarázható. A fás fajok kromoszómaszáma általában magasabb, mint a lágy szárúaké; így Grant (1975) vizsgálatai szerint a kétszikű lágy szárúak jellemző diploid kromoszómaszáma 14 és 18 között mozog, míg a fás kétszikűeké 22–28, illetőleg ennél is magasabb.

A mutáció gyakorisága

Azt a valószínűséget, hogy egy mutáció egy adott idő- vagy szaporodási egység alatt milyen gyakorisággal fordul elő, a mutációs rátával (μ vagy u) fejezzük ki. A DNS-láncban bekövetkező mutációk rátája nem azonos, általában replikációnként 10–6 vagy még kisebb érték. Ha feltételezzük, hogy a DNS-szál másolási pontossága 10–9 bázispáronként és replikációnként, és egy gén hossza 104 bázispár, akkor a gén mutációs rátája 10–5 nagyságrendűnek adódik. A fejlett eukarióta genomhosszát 109 bázispárnak véve és az említett másolási pontossággal számolva replikációnként egy hiba létrejöttét feltételezhetjük. A tényleges mutációs rátát csökkentő tényezők között megemlítendő a visszamutálás lehetősége a reverzibilis mutánsok esetében, és a reparáló enzimek működése.

A mutációs ráta viszonylagos állandósága ellenére a DNS különböző szakaszain eltérő rátákat mutattak ki. Az eltérések azonban csak látszólagosak, mert a mutánsokra ható, eltérő erősségű szelekció tényét nem veszik figyelembe. Aránylag „gyors” (2 × 10–5) mutációs rátákat mutattak ki a DNS repetitív szakaszain: az egyik génhelyen keletkezett mutáció különböző mechanizmusok révén áthelyeződhet a „géncsalád” többi tagjára is. Még gyorsabb változások állhatnak elő ismétlődő szakaszok (pl. ún. „miniszatellitek”) hosszában, amit egyedek azonosításához lehet felhasználni, ahogy ezt a genetikai markereknél említettük („genetikai ujjlenyomat”; Hoelzel – Dover, 1992).

Fontos

A mutációs ráta értelmezése: egy humán példa, Vida (1991) nyomán

A DNS hőmozgása következtében a purinbázisok (adenin, guanin) gyengébb gli-kozidkötése felszakadhat. Becslések szerint minden emberi sejt DNS-ében ez naponta 5000-szer előfordul. A mutációs ráta az egész genomra vonatkoztatva tehát 5000/nap. Ebben a formában a mutáció gyakoriságát ritkán adják meg, inkább bázispáronként, ill. egy génre vonatkoztatva, replikációnként vagy nemzedékenként. Az emberi genom hosszát 3 × 109 bázispárnak véve, a mutációs ráta bázispáranként és naponta 5000/3 × 10–9 = 1,7 × 10–6 esemény/nap/bázispár, azaz kb. naponta minden egymilliomodik bázispár depurinálódik. (Ezeknek a változásoknak legnagyobb részét a reparációs enzimrendszerek azon nyomban ki is javítják.) Egy génre vonatkoztatva, ha a gén hosszát 104 bázispárnak vesszük, és a sejt élettartamára vonatkozó mutációs ráta 10–10/bázispár (a javító enzimek hatásának figyelembevételével), akkor a mutációs ráta replikációnként 10–6/gén. Egy generációra vonatkoztatva, az ember esetében 50 sejtosztódással lehet számolni a zigótá-tól az ivarsejt képzéséig, azaz 50 × 10–6 = 5 × 105/gén nemzedékenként.

A mutációs rátát a csíraplazmát károsító sugárzással, vegyi anyagokkal (mutagének, pl. a normális mitózist gátló kolchicin) fokozhatjuk. A mesterségesen előidézett mutációk létrehozása a nemesítés módszerévé vált. Az erdei fák esetében a hozzá fűzött reményeket azonban nem váltotta be. Ennek fő oka, hogy a mutációk bármely formája az esetek legnagyobb részében az egyed rátermettsége szempontjából hátrányos következményekkel jár. Magyarországon Kopecky Ferenc (1966) végzett akáccal mutációs nemesítési kisérleteket. Az előállított poliploidok bizonyos morfológiai elváltozásokat mutattak, pl. nagyobb méretű virágszirmok, durvább kéreg, de a növekedési ráta, illetve a törzsalak tekintetében nem sikerült javulást elérni.

A mutációk evolúciós hatása

Tekintettel arra, hogy a mutációk létrejötte véletlen hatások eredménye, a mutációt hordozó egyed csak a legritkább esetben jut adaptív előnyhöz, leggyakrabban a mutáció az egyed számára semleges, vagy több-kevesebb hátránnyal jár, nem ritkán korai pusztuláshoz vezet. A kedvező mutáció fellépése természetesen véletlenszerű, de jelentős szelekciós előnnyel is járhat. Így pl. Angliában megfigyelték, hogy a patkányoknál vérzékenységet kiváltó patkányméreggel szemben csak néhány körzetben, véletlenszerűen jelentek meg rezisztens populációk annak ellenére, hogy a mérget nagyon széles körben vetették be (Bishop – Cook, 1981). Az Amerikába behurcolt Cronartium ribicola a sziklás-hegységi Pinus lambertiana teljes áreájában pusztító járványt váltott ki, de csak egyetlen körzetet sikerült azonosítani, ahol rezisztens allél jelent meg.

A nem kódoló, intronszakaszokon létrejött mutációknak többnyire nincs hatása az egyed rátermettségére. Általában minél nagyobb a kódoló szakaszon létrejött mutáció mértéke, annál kevésbé valószínű, hogy hatása az egyedre kedvező lesz. A kedvező hatású mutációk valószínűtlenül gyenge hatása azonban az egyetlen jelenleg ismert (és elismert) hatótényező, amely az élővilág változatosságának létrejöttéért és az új, későbbiekben előnyt jelentő tulajdonságok megjelenéséért (preadaptáció) felelős, azaz az evolúció alapanyagát szolgáltatja.

A mutációs ráta mértékét csökkenti, hogy a mutáns egyed egy későbbi gamétaképzés során visszaváltozhat a „vad” allélra. Tehát μ mellett egy visszamutálási ráta is felléphet (ν). Nagy létszámú populációkban a mutáns allél gyakoriságának növekedése semleges génhatás esetén rendkívül lassú, az emelkedés iránytangense a μ – ν értéke. A kétirányú mutációból adódó egyensúlyi állapot elérése oly végtelenül lassú, hogy erdei fák estében meghaladja a faj feltételezhető élettartamát. (Az egyensúlyi állapot helyett sokkal valószínűbbek a drift által befolyásolt gyakoriságok, amelyek, ahogy azt a 49. ábra mutatja, hosszú távon rögzüléshez vagy allélvesztéshez vezetnek.)

Ez alapján a makro- és mikroevolúció viszonylag gyors előrehaladását mind a mai napig nehéz megmagyarázni. Kimura (1983) szerint az evolúció elsődleges kiváltója a mutáció (neutrális evolúció elmélete, l. a 7. fejezetben). Az evolúció a semleges vagy majdnem semleges gének véletlenszerű rögzülése révén halad előre. Egy adott pillanatban a polimorfizmus mértékét a rögzülés vagy felszámolódás felé tartó géngyakoriságok szabják meg. A Kimura-elmélet szerint a létrejött mutációk fixálódása 4 Ne generációt vesz igénybe. Az elmélet ezért természetes populációkra magas polimorfizmust jósol (23. ábra). A hátrányos hatású allélek a természetes szelekció során eltűnnek. Egy érdekes adalék, hogy baktériumokon és gombákon végzett elemzések szerint a mutációk gyakorisága az adaptációt igénylő stresszhelyzetekkel összefügg, azaz genetikai változást „igénylő” környezeti feltételek mellett a mutációs ráta is megnövekedhet (Dohy, 2000). A fitneszt pozitív vagy negatív irányban befolyásoló mutánsok sorsát a természetes szelekcióval foglalkozó fejezet tárgyalja részletesebben.

23. ábra - Mutációk létrejötte folyamatos a populációban az idő múlásával (vízszintes tengely mentén). A létrejött mutációk egy része eltűnik, kisebb része 4Ne generáció alatt, 1/u évenként rögzül. A populáció allélgyakoriságát (függőleges tengely) adott időpontban vizsgálva (függőleges vonal) polimorfizmust tapasztalhatunk, ahol az egyes allelvaltozatok a spontán kihalás vagy rögzülés folyamatában vannak (Hoelzel - Dover, 1991)

Mutációk létrejötte folyamatos a populációban az idő múlásával (vízszintes tengely mentén). A létrejött mutációk egy része eltűnik, kisebb része 4Ne generáció alatt, 1/u évenként rögzül. A populáció allélgyakoriságát (függőleges tengely) adott időpontban vizsgálva (függőleges vonal) polimorfizmust tapasztalhatunk, ahol az egyes allelvaltozatok a spontán kihalás vagy rögzülés folyamatában vannak (Hoelzel - Dover, 1991)


Fontos

Mutációs valószínűség bükköseinkben

A mutációs ráták alacsony értéke ellenére, nagy populációkban jelentős számú módosulás jelenhet meg egy nemzedék alatt. A mintegy 100 ezer hektáron tenyésző magyarországi bükkösök újulati egyedszámát 105/ha-ra becsülve, nemzedékenként 105 · 105 = 1010 életképes egyeddel számolhatunk, amelynek létrehozásához egyedenként 2 gaméta szükséges. Gamétánként és lokuszonként 10–5 mutációs rátával, továbbá 30 000 génnel számolva, egy vágásforduló alatt a magyar bükkösökben keletkező mutációk valószínű száma

(2 · 10–5) · 1010 · (3 · 104) = 6 · 109

azaz hat milliárd, vagyis azonos az emberiség jelenlegi összlétszámával, és átlagosan majdnem minden egyes egyed hordozhat egy mutáns gént.