Florimonde Мутация – внезапное изменение генотипа растения, которое влечет за собой изменение его признаков или свойств. В результате появляются новые варианты генома, которые затем проходят естественный или искусственный отбор. Разберемся, какие бывают мутации и почему они происходят.
Содержание статьи:
1. Классификация мутаций, таблица
2. Спонтанные и индуцированные мутации
4. Влияние мутаций на жизнеспособность растений
5. Классификация по месту возникновения
7. Химеры и мозаичные организмы
1. Классификация мутаций, таблица
2. Спонтанные и индуцированные мутации
В природе мутации происходят спонтанно, случайным образом. Вероятность их возникновения чрезвычайно мала – от 0,0002 % до 0,001%. Целенаправленное воздействие мутагенными факторами позволяет значительно повысить частоту их появления.
Искусственный (индуцированный) мутагенез вызывает процесс, по своей сути не отличающийся от спонтанного.
Для индуцирования мутаций физическими факторами воздействуют на саженцы, семена, споры, споры, пыльцу, черенки растений. Химические вещества вносят в почву, ими обрабатывают семена, черенки, листья, и другие части растений.
3. Мутагенные факторы
Мутации в организмах живых существ происходят на Земле непрерывно в течение миллионов лет. Факторы, воздействие которых вызывает мутации (мут-ии), называются мутагены. Их делят на три основные группы:
- Физические факторы – ионизирующее и рентгеновское излучение, ультрафиолет, ультразвук, воздействие аномально низких или высоких температур, и др.;
- Химические факторы – вещества иприт, формальдегид, колхицин, антибиотики, соединения ртути и свинца, и др.;
- Биологические факторы – вирусы, бактерии, грибки и др.
4. Влияние мутаций на жизнеспособность растений
Большинство мутаций негативно влияет на растения, реже всего происходят полезные мут-ии. Выделяют четыре типа воздействия.
| Тип мутации | Воздействие на организм |
| Летальная | Вызывает гибель организма, в котором она происходит. |
| Вредная, или полулетальная | Отрицательно влияет на жизнеспособность растения. Последствия изменений часто приводят к гибели. |
| Нейтральная | Не оказывает положительного или отрицательного влияния на растительный организм. |
| Полезная | Повышает жизнестойкость растения. |
5. Классификация по месту возникновения
По месту возникновения в организме выделяют генеративные, соматические и цитоплазматические мутации.
5.1 Генеративные мутации
Эти виды мутаций происходят в гаметах – репродуктивных клетках, которые участвуют в процессе размножения растений и передаются по наследству. В зависимости от уровня структуры генома, в которой возникает мут-ия, они бывают генные, хромосомные и геномные.
5.1.1 Генные, или точечные
Генные, или точечные мутации связаны с изменением последовательности нуклеотидов в гене при репликации (удвоении) молекулы ДНК.
Наследственный ген – элемент, из которых выстроена молекула ДНК. В свою очередь, ген состоит из органических соединений – нуклеотидов. Могут произойти вставка, замена или выпадение нуклеотида.
Ген влияет на развитие одного или нескольких признаков. Поэтому его мутация может вызвать изменение одного или сразу нескольких признаков растительного организма – появление пятен на листьях, изменение окраски и формы цветков, увеличение или уменьшение размеров всего растения.
Генные мутации происходят чаще других и в большинстве случаев влияют негативно, нарушают жизненные процессы и вызывают гибель растения. Иногда влияние таких изменений на жизнеспособность минимально. Реже всего возникают генные мутации, улучшающие свойства растительного организма.
5.1.2 Проявление в фенотипе
В зависимости от типа аллельных взаимодействий мутировавшего гена изменения по-разному проявляются в фенотипе. Если ген доминирует, то изменения проявляются в фенотипе и у гетерозиготного, и у гомозиготного организма. Если же ген находится в рецессивном состоянии, то изменения проявятся только у гомозиготного организма, а гетерозиготный организм будет носителем этого гена без внешних проявлений. С большой вероятностью такая мутация проявит себя в дальнейшем при близкородственном скрещивании.
Существуют промежуточные варианты – полудоминирование и кодоминирование. При полудоминировании (неполном доминировании) доминантный ген подавляет рецессивный лишь частично, и фенотип будет иметь промежуточный вариант. При кодоминировании (содоминировании) оба аллельных генапроявляют свое действие, и в фенотипе появляются оба признака. Например, лепестки у цветка будут двух цветов.
5.1.3 Хромосомные мутации
Хромосомные мутациивызываютизменение в строении хромосом. Они происходят при кроссинговере – обмене участками гомологичных (парных) хромосом в процессе деления клеточных ядер.
Может произойти:
- утрата участка хромосомы – делеция;
- поворот участка хромосомы на 180 град – инверсия;
- перенос участка хромосомы на негомологичную (непарную) ей хромосому – транслокация;
- удвоение части хромосомы – дупликация;
- перемещение группы генов из одного участка ДНК в другой в пределах одной хромосомы – инсерция;
- слияние двух негомологичных хромосом в одну.
Хромосомные мут-ии часто снижают жизнеспособность растения. В случае делеции может замедлиться его развитие, и оно не достигнет обычных для своей популяции размеров.
5.1.4 Геномные мутации
При геномной мут-ии происходит нарушение расхождения хромосом в процессе деления клетки. В результате их число изменяется в большую или меньшую стороны. Часто встречается в мире растений и приводит к изменению фенотипических признаков растения. Наиболее частое проявление – полиплоидия.
Полиплоидия это кратное искусственное или естественное увеличение наборов хромосом.
Также полиплоидность вызывает:
- увеличение размеров растения, его цветков и плодов,
- повышение зимостойкости и устойчивости к другим экстремальным условиям выживания,
- смещение сроков цветения и плодоношения.
Набор хромосом может быть увеличен от двукратного размера до нескольких десятков раз.
Современные методы генетики позволили выявить, что большинство растений, которые смогли приспособиться к жизни в суровых климатических условиях, являются природными полиплоидами. Многие из растений, которые тысячелетиями отбирались человеком по признаку большего размера также оказались полиплоидами естественного происхождения.
Кратное увеличение числа хромосом у гибридов, полученных при отдаленной гибридизации (алло полиплоидия) помогает преодолеть бесплодие межродовых или межвидовых гибридов.
Анеуплоидия – приобретение или потеря одной-двух хромосом. Последствиями могут быть снижение жизнеспособности, плодовитости и срока жизни растения.
5.2 Соматические мутации
Изменения происходят в ДНК клеток вегетативных органов растения организма и не вызывают изменений в ДНК половых клеток. По этой причине они не наследуются при генеративном (семенном) размножении. Соматические мут-ии вызывают появление в растительном организме тканей, клеток или участков, генетически отличных от остальных. Такие организмы называют мозаичными, или мозаикой.
Могут возникнуть те же виды мут-ий, что и в генеративных (половых клетках). Генные соматические мутации возникают реже, чем хромосомные или геномные. Мутировавшая часть растения может быть размножена вегетативно.
5.2.1 Почковые мутации
Соматические мут-ии, возникающие в точке роста (меристеме) называют почковыми. Мутантный признак будет иметь весь побег, который из нее разовьется. Это может быть как карликовость, так и гигантизм. Признак сохраняется только при вегетативном размножении.
Пример аномально развитого побега – «ведьмина метла». Издали она похожа на большое птичье гнездо. На фото – «ведьмина метла» на березе в Удельном парке Санкт-Петербурга.
Многие карликовые сорта хвойных растений – сосен горных, ели обыкновенной, пихты корейской, тсуги канадской являются почковыми мутациями – «ведьмиными метлами», которые были найдены в дикой природе или питомниках растений.
Часто «ведьмины метлы» дают собственные почковые мутации. Например, у сорта ели обыкновенной «Nidiformis», который сам является результатом почковой мут-ии, спонтанно появилась собственная «ведьмина метла», которую мы знаем как сорт «Little Gem».
5.2.2 Цитоплазматические мутации
Изменения происходят в ДНК митохондрий и пластид.
Митохондрии и пластиды это органоиды (органеллы) микроскопических размеров, которые локализованы в клетках растений. У них есть собственные молекулы ДНК, в них тоже могут происходить те же виды мут-ий, что и в гаметах. Такие мутации называют цитоплазматическими.
Митохондрии – «энергетические станции» клетки, осуществляющие метаболизм. Мутации в митохондриях вызывают энергетический дефицит в клетке и могут быть причиной преждевременного старения организма.
Пластиды – органеллы, в которых проходит фотосинтез. В них содержатся пигменты, определяющие окраску растений.
Хлорофилл – фотосинтетический пигмент, который окрашивает листья в зеленый цвет. Он отвечает за синтез органических веществ из неорганических под воздействием световой энергии.
Пример проявления цитоплазматической мутации – пестролистность (вариегатность) растений, в пластидах которых нарушена выработка хлорофилла. Чисто белый цвет говорит о полном отсутствии хлоропластов, кремовый или желтоватый – о том, что какая-то часть хлоропластов в этих участках растения присутствует.
При этом мутантную аномалию в большинстве случаев содержит только часть клеток. Эта мутация ослабляет растения. Клетки, лишенные хлоропластов, теряют способность к фотосинтезу. Побеги, целиком состоящие из мутировавших клеток, обречены на гибель в ближайшую зиму.
Признак наследуется при вегетативном размножении.
У пестролистных сортов, которые находятся в условиях недостаточного освещения, может произойти реверс (обратный процесс) мутации. Вариегатность пропадает, вместо пестролистных появляются зеленые побеги. Их надо удалить как можно раньше. На фото – зеленые побеги у пестролистного сорта таволги или лабазника вязолистного, растущего в полутени.
При выращивании пестролистных сортов растений нужно соблюдать правила агротехники и размещать их в светлом месте.
6. Что такое спорт
Пестролистные сорта сорта растений, которые произошли как следствие цитоплазматической мутации, могут впоследствии дать почковую мут-ию. Рядом с материнским растением появляется спорт – вегетативный побег с измененными признаками. Большинство новых сортов хосты – спорты от уже существующих сортов.
Большинство новых сортов хосты – спорты от уже существующих.
Розетку с изменившимися признаками отделяют от материнского растения. Если в течение нескольких лет спорт сохраняет стабильность признаков – его можно зарегистрировать как новый сорт. Например, сорт хосты гибридной «Risky Business» является спортом от известного сорта «Striptease». В свою очередь, «Striptease» является спортом сорта «Gold Standard».
Через какое-то время может произойти реверс (обратный процесс) – возврат к исходному сорту. Розетку или побег с признаками реверса надо удалить как можно раньше.
7. Химеры и мозаичные организмы
Часто путают понятия «химера» и «мозаика». Сходство между ними в том, что в организме присутствуют генетически различные клетки. Основное различие – количество зигот (оплодотворенных яйцеклеток), из которых развилось растение или животное.
Химеры происходят от двух различных зигот, по какой-либо причине объединившихся в один зародыш. В результате в их тканях присутствуют клетки с разными ДНК. У растения-химеры четыре предка. Химеризм может не иметь внешних проявлений.
Мозаичный организм тоже содержит в себе клетки с различными ДНК, но его формирование происходит из одной зиготы и двух предков. Изменения происходят в ДНК части клеток (соматические мут-ии) в процессе развития организма под воздействием мутагенных факторов.
.
8. Мутационная селекция
Мутационная селекция – быстрая и экономичная методика получения новых сортов растений. С ее помощью получено около 3200 сортов сельскохозяйственных и декоративных растений c улучшенными характеристиками или свойствами.
Для многократного увеличения частоты возникновения мутаций (до миллиона раз) используют искусственный мутагенез – на исходный материал воздействуют мутагенами. Но один и тот же мутаген может вызвать разные виды мут-ий, ведь их возникновение носит случайный характер. Нельзя предсказать, будут ли их последствия для растений вредными, нейтральными или полезными.
Пользу для процесса селекции имеют только положительные мут-ии, улучшающие жизнеспособность растительных организмов или дающие им полезные или декоративные качества. Они могут стать новыми сортами, нежелательные изменения отбраковывают, проводя индивидуальный отбор.
Не все мутации передаются по наследству. Поэтому у последующих поколений проверяется наследование полученных признаков.
С развитием науки стали понятны причины, по которым возникают мутации у живых существ на нашей планете, генетики изучили природу этого процесса. Исследования продолжаются и сейчас, появляются новые направления развития искусственного мутагенеза.