Μέρος 3 ο. Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις. Thomas Hunt Morgan 1910

Transcript

1 Μέρος 3 ο Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις Thomas Hunt Morgan 1910

2 Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις Το DNA στον πυρήνα και τα χρωµοσώµατα Το DNA του πυρήνα δεν βρίσκεται σε µορφή ενός απλού µακροµορίου, όπως το απεικονίσαµε στο προηγούµενο µάθηµα για λόγους κατανόησης και θεώρησης των βασικών ιδιοτήτων του. Το DNA στη φυσική του µορφή είναι συνδεδεµένο µε πολύπλοκες δοµές πρωτεϊνών και βρίσκεται τυλιγµένο σε σπείρες διαφόρων τάξεων. Το σύµπλοκο αυτό είναι διάχυτο στον πυρήνα και δεν είναι ορατό µε κοινά µικροσκόπια. Κατά τη διάρκεια συγκεκριµένων φάσεων των κυτταρικών διαιρέσεων, διακρίνονται πιο ευδιάκριτες δοµές, τα χρωµοσώµατα, που είναι ορατά ακόµα και µε µικρής δύναµης µικροσκόπια. Το περιεχόµενο του πυρηνικού DNA και το µήκος τµηµάτων του µορίου αυτού µετριέται συνήθως σε αριθµό ζευγών βάσεων, αφού το DNA είναι µία διπλή έλικα, έχει δηλαδή δύο αλυσίδες. Το συνολικό µέγεθος του DNA του πυρήνα ενός ανώτερου οργανισµού είναι, ανάλογα µε το είδος, από 10 8 ως ζευγάρια βάσεων (bps). Το µέγεθος του πυρηνικού DNA των φυτών είναι Το περιεχόµενο του πυρηνικού DNA διαφόρων οργανισµών σε ζευγάρια βάσεων (bps) Είδη Ζευγάρια βάσεων (bps) Επαναλαµβανόµενες ακολουθίες (%) Drosophila spp. 2,4 x Βάτραχος 6,1 x Αγελάδα 6,4 x Άνθρωπος 3,8 x Μπιζέλι 9,8 x Ραπανάκι 8,1 x Καλαµπόκι 11,0 x Φασόλι 26,6 x Κρεµµύδι 33,5 x Κωνοφόρα 22 x 10 9 Περίπου 57 ιδιαίτερα ποικίλο, όπως φαίνεται και από τον πίνακα. Το γένωµα των ανώτερων οργανισµών δεν είναι απαραίτητα µεγαλύτερο από αυτό των απλούστερων µορφών ζωής. Για παράδειγµα, το γένωµα του κρεµµυδιού είναι 8 φορές µεγαλύτερο από αυτό του ανθρώπου. Το γένωµα των κωνοφόρων είναι επίσης ιδιαίτερα µεγάλο. Μεγάλο µέρος του γενώµατος όλων σχεδόν των οργανισµών µοιάζει να µην έχει καµία γενετική σηµασία. Πρόκειται για τµήµατα DNA που δεν περιέχουν πληροφορία που να οδηγεί σε σχηµατισµό Χρωµοσώµατα του ανθρώπου: (1) µετακεντρικό, (5) ακροκεντρικό, (13) τελοκεντρικό 25

3 Εισαγωγή στη δασική γενετική πολυπεπτιδίων. Επιπλέον, υπάρχουν επαναλαµβανόµενες αλληλουχίες µε µέγεθος από10 2 ως 10 8 ακριβών αντιγράφων µικρών ακολουθιών βάσεων. Το DNA του πυρήνα βρίσκεται πάνω στα χρωµοσώµατα. Το DNA των χλωροπλαστών και των µιτοχονδρίων σχηµατίζει κυκλικές δοµές µικρού µεγέθους, που δεν είναι ορατές µε το κοινό µικροσκόπιο. Το συνολικό µέγεθος του ανθρώπινου DNA στα µιτοχόνδρια είναι περίπου 16,000 bps. Το µέγεθος του χλωροπλαστικού DNA για τα περισσότερα φυτά κυµαίνεται από 120,000 bps ως 200,000 bps. Το DNA του πυρήνα, όταν βρίσκεται σε µεταβολική δραστηριότητα (παράγει πολυπεπτίδια) δεν είναι δοµηµένο σε χρωµοσώµατα, αλλά βρίσκεται σε µορφή µικροσκοπικών ινών και ονοµάζεται χρωµατίνη. Κατά τη φάση αυτή, το κύτταρο δεν διαιρείται. Εκτός από DNA, η χρωµατίνη περιλαµβάνει το RNA και ορισµένες πρωτεΐνες. Το πυρηνικό DNA οργανώνεται σε χρωµοσώµατα µόνο κατά τη διάρκεια των κυτταρικών διαιρέσεων. Κάθε χρωµόσωµα αποτελείται από δύο χρωµατίδια, που είναι ενωµένα σε ένα σηµείο, το κεντροµερές. Ανάλογα µε τη θέση του κεντροµερούς διακρίνουµε τα χρωµοσώµατα σε µετακεντρικά, ακροκεντρικά και τελοκεντρικά, όπως φαίνεται στο σχήµα της σελίδας 25. Μίτωση: η παραγωγή νέων κυττάρων Τα σωµατικά κύτταρα πρέπει να πολλαπλασιάζονται για να επιτευχθεί η αύξηση των ανώτερων οργανισµών. Ο πολλαπλασιασµός αυτός γίνεται µέσα από τη διαίρεση των κυττάρων. Όλα τα κύτταρα ενός οργανισµού περιέχουν ακριβώς την ίδια γενετική πληροφορία. Άρα, µια κυτταρική διαίρεση πρέπει να συνοδεύεται και από έναν διπλασιασµό της γενετικής πληροφορίας. 26

4 Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις Η µοριακή βάση του διπλασιασµού είναι η αντιγραφή του DNA. Η διαδικασία του χωρισµού του ήδη διπλασιασµένου DNA σε δύο «θυγατρικά» κύτταρα λέγεται µίτωση. Οι φάσεις της µίτωσης αναφέρονται εδώ συνοπτικά, µε έµφαση στη µεταβίβαση της γενετικής πληροφορίας. Κατά την πρόφαση, η χρωµατίνη συµπυκνώνεται σε χρωµοσώµατα µε ευδιάκριτα χρωµατίδια. Ο διπλασιασµός του DNA γίνεται κατά τα πρώτα στάδια της πρόφασης. Τα δύο χρωµατίδια περιέχουν τα δύο νέα αντίγραφα του DNA που προέκυψαν από το αρχικό DNA του κυττάρου. Τα δύο χρωµατίδια συγκρατούνται ενωµένα από το κεντροµερές. Κατά τα τελικά στάδια της πρόφασης αρχίζει και διαλύεται η πυρηνική µεµβράνη. Εµφανίζεται µια νέα δοµή, η άτρακτος, που αποτελείται από νηµάτια που ενώνουν τους δύο πόλους του κυττάρου µε τα κεντροµερή των χρωµοσωµάτων. Η πυρηνική µεµβράνη εξαφανίζεται τελείως κατά τη µετάφαση και τα νηµάτια της ατράκτου αναπτύσσονται πλήρως. Τα νηµάτια έλκουν τα κεντροµερή και τα χρωµοσώµατα διατάσσονται στον ισηµερινό του υπό διαίρεση κυττάρου. Κατά την ανάφαση, διαιρούνται τα κεντροµερή και διαχωρίζονται τα χρωµατίδια. Τα νηµάτια της ατράκτου παραµένουν προσκολληµένα στα κεντροµερή και οδηγούν τα χρωµατίδια προς τους πόλους σε αντίθετες κατευθύνσεις. Η τελόφαση είναι η τελική φάση της κυτταρικής διαίρεσης, όπου τα χρωµατίδια τα νέα πλέον χρωµοσώµατα συσπειρώνονται στους δύο πόλους. Νέες πυρηνικές µεµβράνες εµφανίζονται και περικλείουν τα χρωµοσώµατα σε δύο νέους πυρήνες. Κατόπιν σχηµατίζεται o φραγµοπλάστης (στα φυτά), που διαιρεί το κυτόπλασµα σε δύο ίσα µέρη. Τα χρωµοσώµατα είναι ορατά µόνον κατά την κυτταρική διαίρεση. Το ιδανικό στάδιο για την παρατήρησή τους είναι η µετάφαση, όπου τα χρωµοσώµατα είναι στην πιο συµπυκνωµένη τους µορφή και είναι πλήρως διακριτά. Τα χρωµοσώµατα των κωνοφόρων δέντρων είναι γενικά πιο λίγα και γι αυτό πιο µεγάλα και είναι ευκολότερα ορατά σε σχέση µε αυτά των πλατύφυλλων. Η γενετική σηµασία της µίτωσης φαίνεται γραφικά στο σχήµα της σελίδας αυτής. Στο παράδειγµα θεωρούµε ότι υπάρχουν δύο γονίδια πάνω σε δύο διαφορετικά ζεύγη χρωµοσωµάτων. Κάθε γονίδιο έχει δύο διαφορετικά αλληλόµορφα, βρίσκεται δηλαδή σε ετεροζυγωτή µορφή. Κάθε αλληλόµορφο βρίσκεται πάνω σε διαφορετικό χρωµόσωµα. Κατά την πρόφαση, τα χρωµοσώµατα διπλασιάζονται και κατά τη µετάφαση συγκεντρώνονται στον ισηµερινό του κυττάρου. Τα κεντροµερή έχουν πλέον διπλασιαστεί και αυτά. Όλα τα αλληλόµορφα έχουν διπλασιαστεί επίσης. Τα χρωµοσώµατα στοιχίζονται τυχαία στον ισηµερινό κατά τη µετάφαση, άσχετα µε το αν είναι οµόλογα ή όχι. Ο διαχωρισµός των χρωµοσωµάτων κατά την ανάφαση διαιρεί τα ήδη διπλασιασµένα χρωµοσώµατα και επαναφέρει τον αριθµό των γονιδίων σε δύο νέα πλέον κύτταρα. Καµία αλλαγή δεν έχει συµβεί στη γενετική πληροφορία τα νέα κύτταρα είναι ίδια µε το αρχικό. Μείωση: η παραγωγή γαµετών Ένας ζυγώτης δηµιουργείται από τη συγχώνευση ενός θηλυκού και ενός αρσενικού γαµέτη. Και οι δύο γαµέτες συνεισφέρουν µε όλα τους τα χρωµοσώµατα στην ένωση αυτή. Για το λόγο αυτό, οι γαµέτες πρέπει να 27

5 Εισαγωγή στη δασική γενετική έχουν ο καθένας τα µισά χρωµοσώµατα από αυτά που έχει ένα σωµατικό κύτταρο. Όταν λοιπόν σχηµατίζονται οι γαµέτες είναι απαραίτητη µια µείωση του αριθµού των χρωµοσωµάτων, έτσι ώστε να αποφευχθεί ο διπλασιασµός των χρωµοσωµάτων στα κύτταρα της επόµενης γενιάς. Η κυτταρική διαίρεση που οδηγεί σε µείωση του αριθµού των χρωµοσωµάτων στους γαµέτες λέγεται µείωση. Η µείωση είναι απαραίτητη για τον εγγενή πολλαπλασιασµό. Στα σωµατικά κύτταρα ενός διπλοειδούς οργανισµού, όλα τα χρωµοσώµατα βρίσκονται ανά ζεύγη (οµόλογα χρωµοσώµατα). Οι θηλυκοί και αρσενικοί γαµέτες των οργανισµών αυτών περιέχουν µόνο ένα χρωµόσωµα από κάθε ζεύγος. Άρα οι γαµέτες είναι απλοειδείς. Η ένωση δύο απλοειδών γαµετών µας δίνει ένα διπλοειδή ζυγώτη, το πρώτο κύτταρο ενός νέου οργανισµού. Η µείωση αποτελείται από δύο κυτταρικές διαιρέσεις. Κατά την πρώτη διαίρεση διπλασιάζεται το γενετικό υλικό και διαιρείται µία φορά, δίνοντας δύο νέα διπλοειδή κύτταρα, τα οποία όµως παρουσιάζουν θεµελιώδεις διαφορές ως προς τα προϊόντα της µίτωσης, όπως θα δούµε παρακάτω. Η δεύτερη κυτταρική διαίρεση γίνεται χωρίς διπλασιασµό του γενετικού υλικού και το τελικό προϊόν είναι 4 απλοειδή κύτταρα, οι γαµέτες. Η πρόφαση Ι είναι η πιο σηµαντική φάση από γενετικής άποψης, επειδή τότε αντιστοιχίζονται τα οµόλογα χρωµοσώµατα. Η πρόφαση Ι χωρίζεται σε 5 στάδια, για λόγους ευκολίας κατά τη θεώρησή της. Κατά τη λεπτοταινία έχουµε διπλασιασµό του DNA και κάθε χρωµόσωµα αποκτά δύο χρωµατίδια. Οι σχηµατισµοί όµως που παρατηρούµε έχουν τέσσερα χρωµατίδια, κάτι που γίνεται ιδιαίτερα εµφανές κατά τη ζυγοταινία. Αυτό συµβαίνει γιατί τα οµόλογα χρωµοσώµατα έχουν στοιχιθεί κατά µήκος των χρωµατιδίων τους σε µία δοµή που λέγεται σύναψη. Εδώ πρέπει να σηµειωθεί ότι κάτι τέτοιο δεν συµβαίνει στη µίτωση, όπου η διαίρεση γίνεται αδιάκριτα σε όλα τα χρωµοσώµατα. Ο τρόπος που το κάθε χρωµόσωµα βρίσκει και ταιριάζει µε το οµόλογό του δεν έχει ακόµη διευκρινιστεί πλήρως. Φαίνεται ότι ένα µόριο που λέγεται συναπτικό σύµπλοκο και αποτελείται από DNA και πρωτεΐνες παίζει ένα σηµαντικό ρόλο, γιατί βρίσκεται πάντα ανάµεσα από τα οµόλογα χρωµοσώµατα. Κατά την παχυταινία, τα συναπτόµενα οµόλογα χρωµοσώµατα είναι πλέον ευδιάκριτα και οι σχηµατισµοί τους ισούνται µε τον απλοειδή αριθµό των χρωµοσωµάτων που θα αποκτήσει αργότερα ο κάθε γαµέτης. Κατά τη διπλοταινία, το ταίριασµα των συναπτόµενων χρωµοσωµάτων γίνεται λιγότερο σφιχτό και τα δύο µέρη φαίνεται σαν να διαχωρίζονται ελαφρά. Συχνά, κατά την κίνηση αυτή µπλέκονται µεταξύ τους τα χρωµατίδια των 28

6 Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις οµολόγων χρωµοσωµάτων εµφανίζοντας χαρακτηριστικές δοµές σε σχήµα Χ που λέγονται χιάσµατα. Τα χιάσµατα είναι στην ουσία το ορατό αποτέλεσµα µιας διαδικασίας που έχει ήδη συντελεστεί κατά τη διάρκεια της ζυγοταινία ή της παχυταινία και περιλαµβάνει το «σπάσιµο» των χρωµατιδίων των οµολόγων χρωµοσωµάτων σε ένα σηµείο, την ανταλλαγή των τµηµάτων και την επανένωσή τους σε διαφορετικά πλέον χρωµοσώµατα. Αυτή η διαδικασία λέγεται διασκελισµός και έχει εξαιρετική σηµασία, αφού είναι ένας από τους βασικούς παράγοντες ανακατανοµής του γενετικού υλικού και της ανεξαρτησίας των αλληλοµόρφων µεταξύ τους. Κατά το τελευταία στάδιο της πρόφασης Ι, τη διακίνηση, ολοκληρώνεται η συρρίκνωση των χρωµοσωµάτων και η σύναψη σε όλα τα ζευγάρια. Κατά τη µετάφαση Ι, τα ζεύγη των οµολόγων χρωµοσωµάτων κινούνται προς τον ισηµερινό του κυττάρου, χωρίς όµως να έχει διπλασιαστεί το κεντροµερές τους. Έτσι, κάθε ζεύγος οµολόγων χρωµοσωµάτων έχει δύο κεντροµερή, σε αντίθεση µε τη µίτωση, όπου κάθε χρωµόσωµα είχε δύο κεντροµερή. Η πυρηνική µεµβράνη διαλύεται. Η άτρακτος σχηµατίζεται και τα νηµάτιά της ενώνουν τους πόλους µε τα κεντροµερή. Κατά την ανάφαση Ι χωρίζονται τα οµόλογα ζευγάρια καθώς τα νηµάτια της ατράκτου τα οδηγούν σε διαφορετικούς πόλους. Με την τελόφαση Ι έχουµε δύο νέα κύτταρα, που σε αντίθεση µε το αποτέλεσµα της µίτωσης είναι διαφορετικά, καθώς περιέχουν διαφορετικά οµόλογα χρωµοσώµατα. Εδώ τελειώνει η πρώτη µειωτική διαίρεση και ακολουθεί ένα σύντοµο ενδιάµεσο στάδιο µέχρι να αρχίσει η δεύτερη. Κατά την πρόφαση ΙΙ συµπυκνώνονται ξανά τα χρωµοσώµατα στα δύο νέα κύτταρα. Το κάθε ένα από αυτά έχει δύο χρωµατίδια, που προήλθαν από την προηγούµενη διαίρεση. εν υπάρχει διπλασιασµός του DNA. Τα ζεύγη των χρωµατιδίων σε κάθε νέο κύτταρο ισούται µε τον απλοειδή αριθµό των χρωµοσωµάτων. Στη συνέχεια, στη µετάφαση ΙΙ, τα αδερφό χρωµατίδια συγκεντρώνονται στον ισηµερινό και τελικά διαιρούνται κατά την ανάφαση ΙΙ, όπου πηγαίνουν στους πόλους των νέων πλέον κυττάρων. Με το πέρας της τελόφαση ΙΙ και τη δηµιουργία των νέων πυρηνικών µεµβρανών έχουµε τέσσερα νέα απλοειδή κύτταρα, τους γαµέτες. Κάθε ένας 29

7 Εισαγωγή στη δασική γενετική περιέχει ένα από τα χρωµατίδια της τετράδας των οµολόγων χρωµοσωµάτων που παρατηρούνται στην πρόφαση Ι. Στο σηµείο αυτό είναι σηµαντικό να τονίσουµε ότι κατά το τέλος της Πρόφασης Ι, όταν τα ζεύγη των οµολόγων χρωµοσωµάτων βρίσκονται σε σύναψη και τα τέσσερα συνολικά χρωµατίδια σχηµατίζουν τις λεγόµενες τετράδες, η στοίχιση των χρωµοσωµάτων Η ανεξαρτησία των συνδυασµών που παρατηρείται µεταξύ των γονιδίων που βρίσκονται σε διαφορετικά χρωµοσώµατα, αλλά και ο διασκελισµός µεταξύ γονιδίων που βρίσκονται πάνω στο ίδιο χρωµόσωµα δηµιουργούν το χρωµοσωµικό µηχανισµό του ανασυνδυασµού των γονιδίων κατά τη φυλετική αναπαραγωγή. Πρόκειται για µια ανακατανοµή της γενετικής «τράπουλας», έτσι ώστε να υπάρχουν άπειροι συνδυασµοί των αλληλοµόρφων όλων των γονιδίων στους γαµέτες και την εµφάνιση νέων οργανισµών στην επόµενη γενιά. Ο ανασυνδυασµός (recombination) είναι ένας θεµελιώδης παράγοντας για τη διατήρηση και µεταφορά της γενετικής ποικιλότητας στους πληθυσµούς, όπως θα δούµε και στα επόµενα µαθήµατα. 30

8 Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις Χρωµοσωµικός αριθµός και πολυπλοειδία Ο αριθµός των χρωµοσωµάτων σε κάθε κύτταρο ενός οργανισµού διαφέρει σηµαντικά από είδος σε είδος. Όλοι οι ευκάλυπτοι έχουν 22 χρωµοσώµατα. Μερικά µέλη της οικογένειας Asteraceae έχουν µόνο τέσσερα χρωµοσώµατα. Σε πολλές περιπτώσεις ο αριθµός των χρωµοσωµάτων είναι συγκεκριµένος για κάθε είδος, αλλά έχει παρατηρηθεί και ποικιλότητα του αριθµού αυτού µέσα σε ορισµένα είδη φυτών. Τα οµόλογα χρωµοσώµατα είναι παρόµοια τόσο ως προς τη δοµή τους, όσο και προς τα γονίδια (γονιδιακούς τόπους) που περιέχουν. Οι ανώτεροι οργανισµοί είναι συνήθως διπλοειδείς ή πολυπλοειδείς. Ένας οργανισµός είναι διπλοειδής, αν υπάρχουν µόνο δύο σειρές οµολόγων χρωµοσωµάτων σε κάθε σωµατικό κύτταρο. Στην περίπτωση της πολυπλοειδίας, κάθε σωµατικό κύτταρο περιέχει πάνω από δύο σειρές οµολόγων χρωµοσωµάτων, π.χ. 4 στην περίπτωση της τετραπλοειδίας. Το γένωµα είναι το πλήρες σετ των µη οµολόγων χρωµοσωµάτων. Ο αριθµός τους είναι ο βασικός αριθµός χ. Με βάση τις κυτταρικές διαιρέσεις συµπεραίνουµε ότι στα ανώτερα φυτά, ο σωµατικός αριθµός (2n) είναι διπλάσιος του γαµετικού αριθµού (n) των χρωµοσωµάτων ενός οργανισµού. Για παράδειγµα, ο σωµατικός αριθµός ενός διπλοειδούς οργανισµού είναι 2n = 2x. Αυτό σηµαίνει ότι υπάρχουν δύο οµόλογα χρωµοσώµατα σε κάθε σωµατικό κύτταρο. Ο αντίστοιχος γαµετικός αριθµός θα είναι n = x. Οι αντίστοιχες τιµές ενός τετραπλοειδούς οργανισµού θα είναι 2n = 4x και n = 2x, που σηµαίνει ότι υπάρχουν 4 οµόλογα χρωµοσώµατα στον πυρήνα κάθε σωµατικού κυττάρου. Σε κάποιες περιπτώσεις παρατηρούνται αλλαγές στον αριθµό των χρωµοσωµάτων ενός οργανισµού. Αν υπάρχει αλλαγή στο βασικό αριθµό x, δηλαδή υπάρχουν συγκεκριµένα χρωµοσώµατα που δεν είναι διπλοειδή, τότε έχουµε το φαινόµενο της ανευπλοειδίας. Ο αριθµός των χρωµοσωµάτων δεν είναι ποτέ 2n, αλλά 2n 1, οπότε λέµε ότι έχουµε µονοσωµία ή 2n + 1 και έχουµε τρισωµία. Υπάρχουν και άλλες ανωµαλίες στην ανευπλοειδία, οι οποίες οδηγούν συνήθως σε µη βιώσιµους απογόνους. Μια χαρακτηριστική περίπτωση στον άνθρωπο είναι η τρισωµία του χρωµοσώµατος 21, που προκαλεί το σύνδροµο Down. Η ανευπλοειδία προκαλείται συνήθως από χρωµοσωµικές µεταλλάξεις, π.χ. σφάλµατα κατά τη µείωση. Μια άλλη χρωµοσωµική διαφοροποίηση είναι η ευπλοειδία, όπου παρατηρείται διαφορά προς τα αντίτυπα των γενωµάτων. Ο αριθµός δηλαδή των χρωµοσωµάτων είναι πολλαπλάσιο του βασικού αριθµού x. Η ευπλοειδία µπορεί να περιλαµβάνει µονοπλοειδείς οργανισµούς µε µία σειρά χρωµοσωµάτων, όπως είναι ορισµένοι µύκητες, τριπλοειδείς µε 3n, τετραπλοειδείς µε 4n κλπ. Τα τετραπλοειδή φυτά λέγονται αυτοτετραπλοειδή, όταν προέρχονται από σωµατικό διπλασιασµό του γενώµατος ενός διπλοειδούς κυττάρου και περιλαµβάνει τέσσερις σειρές οµολόγων χρωµοσωµάτων. Η ένωση γαµετών που δεν έχουν υποστεί µείωση (2n) από διαφορετικά διπλοειδή είδη δηµιουργεί αλλοτετραπλοειδείς απογόνους. Η αλλοτετραπλοειδία φαίνεται να είναι πιο συχνή κατά τη διάρκεια της εξέλιξης από ότι η αυτοτετραπλοειδία. Ένας άλλος όρος που χρησιµοποιείται συχνά είναι η πολυπλοειδία, που χαρακτηρίζει όλους τους ευπλοειδείς οργανισµούς που έχουν περισσότερα από 2n χρωµοσώµατα. Η πολυπλοειδία έχει ιδιαίτερη σηµασία για τις επιστήµες της ασολογία και της Γεωπονικής για τους παρακάτω λόγους: 1. Οι πολυπλοειδείς οργανισµοί αναπτύσσουν συχνά µεγαλύτερα κύτταρα και όργανα και δίνουν φυτά µε µεγάλες αποδόσεις, όπως είναι πολλά καλλιεργούµενα αγροτικά φυτά. Η παραγωγή τέτοιων φυτών έχει επιτευχθεί τεχνητά µε τη χορήγηση κολχικίνης, που διαταράσσει τη µειωτική διαδικασία. 2. Οι πολυπλοειδείς οργανισµοί βρίσκονται συχνά σε αναπαραγωγική αποµόνωση από τους προγόνους τους και δηµιουργούν µε τον τρόπο αυτό νέα είδη. 31

9 Εισαγωγή στη δασική γενετική 3. Η πολυπλοειδία αυξάνει τον αριθµό των δυνατών συνδυασµών γενοτύπων σε όλα τα γονίδια. Επίσης καθυστερεί τη µείωση του ποσοστού ετεροζυγωτών απογόνων κατά την αυτογονιµοποίηση. Τα περισσότερα είδη ζώων είναι διπλοειδή, αλλά η πολυπλοειδία είναι συχνή στα φυτικά είδη. Σχεδόν το 50% όλων των φυτών είναι πολυπλοειδή. Για παράδειγµα, όλα τα είδη του γένους Eucalyptus είναι διπλοειδή (2n=22) και τα περισσότερα Pinaceae είναι επίσης διπλοειδή (2n=24), αλλά ένα 75% όλων των αγρωστωδών (Gramineae) είναι πολυπλοειδή. Αυτό ισχύει και για τα περισσότερα είδη µπαµπού, που έχουν από 48 ως 74 χρωµοσώµατα. Ο χρωµοσωµικός αριθµός σπανίως διαφέρει ανάµεσα στα µέλη της ίδιας οικογένειας (x=11 για τα Taxodiaceae, x=12 για τα Pinaceae, x=13 για τα Araucariaceae). Μεγάλη ποικιλία στα χρωµοσώµατα έχει παρατηρηθεί στο τροπικό γένος Podocarpus, που περικλείει πάνω από 100 είδη. Από τα κωνοφόρα, µόνο τρία είδη είναι αποδεδειγµένα πολυπλοειδή, όπως η Sequoia sempervirens που είναι εξαπλοειδής (2n=66). Ανασυνδυασµός και σύνδεση των γονιδίων Η κληρονοµούµενη ποικιλότητα είναι µια από τις πιο βασικές έννοιες της γενετικής. Αυτή προκύπτει µέσα από δύο διαδικασίες, τις µεταλλάξεις και τον ανασυνδυασµό. Οι µεταλλάξεις είναι ο πρωταρχικός τρόπος εµφάνισης νέων αλληλοµόρφων και συµβαίνουν είτε τυχαία, είτε λόγω µεταλλαξογόνων παραγόντων στο περιβάλλον (π.χ. ακτινοβολία). Ο ανασυνδυασµός όπως λεει και το όνοµά του δηµιουργεί νέους τρόπους συνδυασµού των ήδη υπαρχόντων αλληλοµόρφων. Λόγω του µεγάλου αριθµού των γονιδίων σε έναν οργανισµό, ο αριθµός των πιθανών συνδυασµών είναι τεράστιος. Για παράδειγµα, µόνο 10 γονίδια αν ήταν ετεροζυγωτά σε έναν οργανισµό, θα υπήρχαν 1024 πιθανοί συνδυασµοί των αλληλοµόρφων στους γαµέτες. Καταλήγουµε λοιπόν ότι ο ανασυνδυασµός είναι κάθε διαδικασία που δηµιουργεί γαµέτες διαφορετικούς από τους αρχικούς γαµέτες που συνέθεσαν τους γονικούς διπλοειδείς γενότυπους. Όπως είδαµε και στα προηγούµενα µαθήµατα, ο ανασυνδυασµός δύο γονιδίων µπορεί να γίνει µέσα από δύο διαδικασίες. Από την ανεξαρτησία των συνδυασµών όταν τα δύο γονίδια βρίσκονται σε διαφορετικά χρωµοσώµατα και από το διασκελισµό µεταξύ αδερφών χρωµατιδίων, όταν τα γονίδια βρίσκονται πάνω στο ίδιο χρωµόσωµα. Ανεξαρτησία των συνδυασµών έχουµε όταν λόγω του διαχωρισµού των αλληλοµόρφων κατά τη µείωση και την τυχαία στοίχισή τους κατά τη µετάφαση Ι της µείωσης, κάθε συνδυασµός χρωµοσωµάτων στους γαµέτες είναι ισοπίθανος. Το ίδιο ισχύει και για κάθε συνδυασµό γονιδίων που βρίσκονται σε διαφορετικά χρωµοσώµατα (βλέπε σχήµα σελίδας 10). Όταν δύο γονίδια βρίσκονται στο ίδιο χρωµόσωµα, τότε ο µόνος τρόπος ανασυνδυασµού είναι µέσα από το διασκελισµό, όπως είδαµε και προηγουµένως. Τα γονίδια που βρίσκονται πάνω στο ίδιο χρωµόσωµα λέγονται συνδεδεµένα. Αυτά είναι φυσικό να τείνουν να παραµείνουν συνδεδεµένα και κατά το σχηµατισµό των γαµετών. Τότε για παράδειγµα, το διϋβρίδιο (ΑαΒβ) δεν θα δώσει τους γαµέτες (ΑΒ), (Αβ), (αβ) και (αβ) και µάλιστα µε ίσες πιθανότητες, αλλά µόνο (ΑΒ) και (αβ) ή (Αβ) και (αβ), ανάλογα µε το ποιο αλληλόµορφο βρίσκεται σε ποιο χρωµόσωµα. Αν δεν συµβεί διασκελισµός µεταξύ των γονιδίων αυτών κατά τη µείωση, τότε τα γονίδια αυτά δεν ανασυνδυάζονται µεταξύ τους και είναι πλήρως συνδεδεµένα. Η σύνδεση γίνεται φανερή από τις αποκλίσεις από τις Μενδελικές αναλογίες, που παρατηρούµε στα αποτελέσµατα των διασταυρώσεων. Όµως είναι σχεδόν αδύνατο να παραµείνουν δύο συνδεδεµένα γονίδια πάντα µαζί, γιατί τα οµόλογα µη αδερφά χρωµατίδια µπορούν να ανταλλάξουν τµήµατα ποικίλου µήκους. Όπως αναφέραµε σε προηγούµενες σελίδες, τα οµόλογα χρωµοσώµατα ζευγαρώνουν το ένα µε το άλλο στην πρόφαση Ι της µείωσης µε µια διαδικασία που λέγεται 32

10 Χρωµοσώµατα και κυτταροδιαιρέσεις «σύναψη» και τα σηµεία των γενετικών ανταλλαγών λέγονται «χιάσµατα» και παράγουν γαµέτες από ανασυνδυασµό µε τη διεργασία του διασκελισµού. Στο πιο πάνω σχήµα βλέπουµε πως ο διασκελισµός µεταξύ των αδερφών χρωµατιδίων ανασυνδύασε τα αλληλόµορφα των γονιδίων στο πάνω µέρος του χρωµοσώµατος µε το γονίδιο στο κάτω µέρος. Κατά την πρόφαση Ι της µείωσης, σε κάθε τετράδα (δύο οµόλογα χρωµοσώµατα µε δύο χρωµατίδια το καθένα) παρατηρείται τουλάχιστον ένα χίασµα σε κάποιο σηµείο. Έχει αποδειχτεί ότι όσο µεγαλύτερο είναι το χρωµόσωµα, τόσο µεγαλύτερος είναι και ο αριθµός των χιασµάτων. Επίσης η συχνότητα που συµβαίνει ένα χίασµα ανάµεσα σε δύο γονίδια (γονιδιακούς τόπους) έχει µία χαρακτηριστική πιθανότητα. Όσο πιο αποµακρυσµένα είναι τα δύο γονίδια πάνω στο χρωµόσωµα, τόσο µεγαλύτερη είναι αυτή η πιθανότητα. Επειδή ο διασκελισµός µέσα από τα χιάσµατα είναι ο µόνος τρόπος ανασυνδυασµού δύο γονιδίων που βρίσκονται στο ίδιο χρωµόσωµα, το ποσοστό των γαµετών που προέρχονται από διασκελισµό από ένα δεδοµένο γενότυπο εξαρτάται απ ευθείας από τη συχνότητα µε την οποία συµβαίνει ένα χίασµα ανάµεσα στα γονίδια που εξετάζονται. Από τα παραπάνω διαπιστώνουµε ότι παρατηρώντας τα αποτελέσµατα πολλών διασταυρώσεων µπορούµε να εκφράσουµε άποψη για το αν δύο γονίδια είναι συνδεδεµένα ή όχι. Επίσης αν αυτά είναι συνδεδεµένα, µπορούµε να εκτιµήσουµε το πόσο συνδεδεµένα είναι. Από αυτήν την εκτίµηση µπορούµε να καταλήξουµε στην πιθανότητα χιάσµατος ανάµεσα στα γονίδια αυτά και τελικά να δώσουµε ένα µέγεθος της απόστασης που πρέπει αυτά να έχουν πάνω στο χρωµόσωµα. Με τον τρόπο αυτό και ύστερα από πολλές διασταυρώσεις είµαστε σε θέση να συνθέσουµε χρωµοσωµικούς χάρτες, απεικονίσεις δηλαδή των χρωµοσωµάτων µε τις θέσεις των γονιδίων πάνω σε αυτές. Στην επόµενη σελίδα βλέπετε έναν χρωµοσωµικό χάρτη της ντοµατιάς. Τα γονίδια πάνω στο χρωµόσωµα είναι διατεταγµένα σε γραµµική διάταξη. Η γενετική χαρτογράφηση δίνει την εξής πληροφορία: α) τη σχετική γραµµική διάταξη των γονιδίων µεταξύ τους και β) τις σχετικές αποστάσεις ανάµεσα στις θέσεις των γονιδίων. Η µονάδα της απόστασης που χρησιµοποιείται εκφράζει την πιθανότητα µε την οποία θα συµβούν ανταλλαγές ανάµεσα σε δύο γονιδιακούς τόπους και µετριέται σε centimorgan. 1 centimorgan ισούται µε ποσοστό διασκελισµού 1%. 33

11 Εισαγωγή στη δασική γενετική Χρωµοσωµικός χάρτης της ντοµατιάς 34