Indukowanie mutacji konopi

Zaawansowani ogrodnicy często są znudzeni uprawą ogólnie dostępnych na rynku odmian konopi.

Zaawansowani ogrodnicy często są znudzeni uprawą ogólnie dostępnych na rynku odmian konopi. Jeżeli mają jeszcze możliwość swobodnej i bezpiecznej uprawy nic nie stoi, żeby spróbować pomóc ewolucji indukować mutacje, z których być może wyrosną bardzo interesujące okazy. W tym artykule przyjrzymy się czynnikom mutagennym powodującym zmianie w genotypie roślin.

Mutacje roślin

Termin po raz pierwszy wprowadzony przez biologa Hugo de Vriesa na przełomie XIX i XX wieku, oznaczający zmianę zapisu informacji genetycznej, pierwotne źródło zmienności genetycznej organizmów. Mutacja jest zjawiskiem losowym, podlegającym jednak wpływom środowiska (mutagenom – np. chemicznym, promieniowaniu). Częstość mutacji nie jest stała pomiędzy gatunkami i zależy między innymi od doskonałości aparatu powielania DNA i jego naprawy.

Odmienną klasą mutacji są zmiany spowodowane transpozycją (tzw. skaczące geny), gdzie odcinek DNA o długości kilkuset do kilku tysięcy nukleotydów zmienia położenie w obrębie genomu. Tego typu mutacje są bardziej rozpowszechnione u niektórych roślin np. kukurydza. Wprowadzanie mutacji do materiału genetycznego nazywa się mutagenezą. Współczesna genetyka umożliwia mutagenezę ukierunkowaną, realizowaną za pomocą inżynierii genetycznej.

Celem doświadczalnych modyfikacji genomów roślinnych jest zrozumienie fundamentalnych procesów biologicznych. W przypadku roślin kwestie o podstawowym znaczeniu to proces różnicowania tkanek oraz mechanizm indukowania ekspresji poszczególnych genów przez światło. Inni badacze dążą do ulepszenia roślin ważnych dla rolnictwa. Nowe i zmienione geny wprowadza się za pomocą specjalnych wektorów do pojedynczych komórek roślinnych hodowanych w laboratorium. Z poszczególnych komórek można uzyskać całą roślinę, nawet jeśli nie są to komórki zarodkowe.

W wielu eksperymentach prowadzonych na roślinach wykorzystuje się specjalne wektory pochodzące z plazmidów bakteryjnych. W naturze występują one w komórkach bakterii powodującej raka szyjki korzeniowej bardzo wielu roślin – Agrobacterium tumefaciens. Plazmidy wraz z komórkami bakteryjnymi stanowią naturalny mechanizm wprowadzania genów do roślin. Komórki A. tumefaciens wnikają do zranionych części roślin. Plazmid przedostaje się z bakterii do komórek roślinnych i część plazmidowego DNA zostaje wbudowana do genomu gospodarza. Niektóre geny plazmidowego DNA ulegają ekspresji w komórkach roślinnych. W efekcie rozwija się guz. Co dziwne, z takich rakowatych komórek można otrzymać całe, zdrowe rośliny. Jest to jedyny znany przykład naturalnego przekazywania genów komórkom eukariotycznym przez plazmidy bakteryjne. System ten wykorzystano w inżynierii genetycznej roślin – obce geny, wstawione do plazmidu A. tumefaciens za pomocą technik rekombinacji DNA, wprowadza się następnie do roślin.

Z tak transformowanych komórek otrzymano rośliny zdolne do wytwarzania zdrowych nasion, przenoszących funkcjonalne obce geny. Geny wzmacniające odporność roślin na choroby wirusowe lub herbicydy oraz kodujące związki owadobójcze zostały już wprowadzone do roślin ważnych dla rolnictwa. Wiele z nich przechodzi obecnie próby polowe. Inne badania koncentrują się na poprawieniu wartości odżywczej roślin uprawnych.

Rodzaje mutacji:

- genowe (punktowe) - zachodzą na odcinku DNA krótszym niż jeden gen; polegają na zmianie właściwej sekwencji nukleotydów (zamianie, wycięciu lub wstawieniu par pojedynczych nukleotydów lub odcinków trochę dłuższych)

- chromosomowe - dotyczą zmiany struktury chromosomów lub ich liczby

- strukturalne (aberracje) - polegają na zmianie struktury w obrębie jednego chromosomu lub pomiędzy chromosomami niehomologicznymi

- liczbowe (genomowe) - dotyczą zmiany całego genomu, który zostaje zubożony lub powiększony o jeden chromosom lub też zwielokrotniony całkowicie (o całe "n"); są wynikiem zaburzenia procesów podziałowych, konkretnie nieprawidłowego rozejścia się chromosomów

Czynniki mutagenne: 

Czynniki mutagenne wywołują zmiany w materiale genetycznym roślin – powodują tak zwana mutagenezę. Mutageneza jest wykorzystywana w hodowli roślin uprawnych w celu wyprowadzenia nowych odmian. Jest też wykorzystywana w badaniach naukowych (np. analiza ekspresji genów). Mutageneza może być losowa lub ukierunkowana – wywołująca mutację w określonym miejscu w sekwencji DNA. Skutki mutacji mogą być w ogóle niezauważalne, mogą prowadzić do nieznacznej i niegroźnej zmiany fenotypu, a mogą również być przyczyna poważnych zaburzeń oraz śmierci.

Jak już wspomniano, mutacje mogą zachodzić spontanicznie oraz pod wpływem różnych czynników zewnętrznych. Takimi czynnikami mutagennymi są:

Mutageny chemiczne:

- niektóre kwasy (np. kwas azotawy)

- aminy (np. anilina)

- pestycydy

- niektóre gazy bojowe (iperyt, jako czynnik alkilujący DNA)

- barwniki wiążące DNA (interkalujące)

- dioksyny

- niemal wszystkie związki aromatyczne

- kwas azotowy (III) - HNO2 - powoduje usunięcie grup aminowych z zasad azotowych, co powoduje np. zamianę cytozyny w uracyl

- związki alkilujące (np. iperyt i jego pochodne) - powodują dołączanie do zasad azotowych grup alkilowych, co również zmienia ich charakter

- analogi zasad azotowych (np. bromouracyl) - nie są prawidłowo odczytywane podczas transkrypcji

- barwniki akrydynowe (np. oranż akrylowy, akryflawina, proflawina) - powodują wstawianie lub wycinanie sekwencji nukleotydowych

- alkaloidy - np. kolchicyna, blokująca tworzenie wrzeciona podziałowego, co powoduje, że chromosomy nie rozchodzą się podczas podziału

- sole metali ciężkich

Mutageny fizyczne:

- promieniowanie jonizujące

- promieniowanie gamma

- promieniowanie rentgenowskie (promieniowanie X)

- promieniowanie ultrafioletowe

- promieniowanie kosmiczne

- wysoka temperatura

- szok termiczny

- bodźce traumatyczne - urazy

Mutageny biologiczne:

- niektóre wirusy np. retrowirusy

- grzyby pleśniowe

Mutageny metaboliczne:

- brak jonów Mg2+ 

- brak jonów Ca2+

Najpoważniejszymi w skutkach są mutacje genomowe, czyli takie, które powodują zmianę liczby chromosomów w genomie. W wielu przypadkach są one śmiertelne już na etapie zygoty. Prawidłowy genom komórek autosomalnych zawiera 2n chromosomów, komórki rozrodcze natomiast mają 1n.

Rośliny poliploidalne 

Rośliny poliploidalne mają sztucznie zwielokrotniony cały garnitur chromosomów np. 2n, 3n, 4n …itd. Mutacje tę można wywoływać sztucznie np. kolchicyną. Zatrzymuje ona podział komórki na etapie metafazy poprzez uniemożliwienie wytworzenia mikrotubul wrzeciona kariokinetycznego, co uniemożliwia rozejście się chromosomów. 

U roślin poliploidalnych ma miejsce powiększenie objętości komórek, co powoduje gigantyzm organów; nie wszystkie organy jednak wykazują takie samo powiększenie. Występuje także mniejsza liczba aparatów szparkowych, co zmniejsza powierzchnię transpiracji, a to z kolei czyni rośliny bardziej odpornymi na suszę. Najbardziej korzystne do uprawy są rośliny tetraploidalne (4n), większa liczba chromosomów powoduje już zaburzenia w wykształcaniu organów.

Większość roślin tego typu nie tworzy płodnych nasion, więc jest mała szansa na przeniesienie mutacji na przyszłe pokolenia. Należy zaznaczyć, iż tylko parzyste poliploidy są płodne (na drodze mejotycznego podziału nieparzysta liczba chromosomów nie rozdzieli się po równo). Dlatego komórki poliploidalne muszą zachowywać się jak komórki diploidalne, aby ich chromosomy były w stanie wytwarzać homologiczne pary.

Wg różnych szacunków od 35%[1] do 47%[2] wszystkich roślin kwiatowych ma liczbę chromosomów będącą wielokrotnością najniższej liczby występującej w danym rodzaju. Ok. 75% roślin naczyniowych odziedziczyło najprawdopodobniej zwielokrotnione zestawy chromosomów od dawnego, poliploidalnego przodka[1]. We florze środkowej Europy mniej więcej połowa roślin jest naturalnymi lub wytworzonymi przez człowieka poliploidami (można tego dokonać np. poprzez zastosowanie kolchicyny, która niszczy wrzeciono kariokinetyczne uniemożliwiając podział komórki). Jako przykłady można podać pszenżyto, ziemniaki, wiele roślin ozdobnych i traw, drzewa owocowe. Odznaczają się one większymi rozmiarami, większą żywotnością i odpornością (dają, więc także większe plony).

Jednak w przypadku roślin możliwość krzyżowania jest bardziej skomplikowana. Nowy poliploid może dawać płodne potomstwo tylko wtedy, gdy jego gamety połączą się z gametami o tym samym stopniu ploidalności. Dlatego też poliploidyzacja jest u roślin ważnym mechanizmem specjacji. Na przykład, jeśli tetraploid wytworzy gamety o liczbie chromosomów 2x i połączą się one z gametami haploidalnymi x, potomstwo będzie triploidem (3x, a więc będzie bezpłodne). W takim wypadku płodność może odzyskać jedynie, gdy powstaną w nim komórki heksaploidalne (na skutek nieprawidłowej mitozy), które to komórki będą w stanie tworzyć żywotne gamety. Wiele roślin jest zdolnych do rozmnażania wegetatywnego, które pozwala im "przeczekać" do czasu przywrócenia płodności. Rośliny mają także przewagę ze względu na brak komórek szlaku płciowego (z każdej komórki zdolnej do podziału może powstać klon, u którego w gametoficie może dojść do podwojenia ilości chromosomów i odzyskania płodności).

UWAGA! Nie należy mylić poliploidalności z aneuploidalnością, która charakteryzuje się niewłaściwą liczbą pojedynczych chromosomów.

Poliploidy bardzo często powiększają komórki (zwłaszcza u roślin, co prowadzi do gigantyzmu, u zwierząt zwykle się go nie obserwuje, co jest prawdopodobnie zasługą sprawniejszych mechanizmów regulacji rozwoju - większe komórki są rekompensowane ich mniejszą liczbą). Poliploidy dojrzewają wolniej w porównaniu z osobnikami diploidalnymi. Poliploidalność często jest wykorzystywana dla zwiększania atrakcyjności produktów (np. większe komórki poprawiają strukturę owoców i warzyw takich jak truskawki, jabłka czy ziemniaki). Sterylność triploidów jest przydatna przy produkcji owoców beznasiennych (np. beznasienne ogórki są mniej gorzkie). Poliploidyzacja prowadzi do stabilizacji genomów (może eliminować skrajne genotypy).

Zaawansowane techniki uprawy konopi wymagają sporej wiedzy i dużo szczęścia. Jednak ich uprawa przynosi bardzo wiele radości i satysfakcji, a rezultaty mogą zadziwić nawet profesjonalnych producentów nasion z firm komercyjnych. Należy przygotować się jednak na sporo porażek i dziwnych deformacji. Najczęstsze są zmiany w budowie liści i kwiatów. Zmienia się także wydajność roślin i czas ich dojrzewania. 

Udanych eksperymentów!