A legtöbb és legkevesebb kromoszóma
A kromoszómaszám növényi
rekordjainak két szélső értéke szinte hihetetlenül távol esik egymástól. Egy trópusi kígyónyelvpáfrány, az Ophioglossum
reticulatum egyes egyedeinek testi sejtjeiben 1440 kromoszómát számláltak. A
másik végletet nem egyetlen faj képviseli: hat virágos növényről ismert a 2n =
4 érték, vagyis testi sejtjeikben mindössze négy kromoszóma található. A két
rekord között 360-szoros a különbség, de ebből sem a növények fejlettségére,
sem génjeik számára nem következtethetünk (Khandelwal 1990; Ruffini Castiglione
& Cremonini 2012).
A kromoszóma egy hosszú
DNS-molekulából és a hozzá kapcsolódó fehérjékből felépülő, rendezett
szerkezet. A sejtosztódások közötti időszakban a DNS lazább kromatin formájában
tölti ki a sejtmagot, ezért az egyes kromoszómák határa rendszerint nem
látható. Osztódáskor a kromatin tömörödik, a kromoszómák elkülönülnek, és
mikroszkópban megszámlálhatóvá válnak. A kromoszómaszám tehát nem a sejtmagban
heverő különálló pálcikák állandó darabszáma, hanem ugyanazon örökítőanyag
osztódáskor felismerhető szerveződési egységeinek száma.
A számlálást többnyire a
mitózis metafázisában végzik, amikor a kromoszómák már erősen tömörödtek, de
még nem váltak szét a két leánysejt felé. Addigra mindegyik kromoszóma DNS-e
megkettőződött, ezért két azonos testvérkromatidából áll. Ettől azonban a
kromoszómaszám még nem kétszereződik meg: a két kromatidát a szétválásukig
egyetlen, megkettőzött kromoszómaként számoljuk. A szám alapja a működő
centroméraegységek, nem pedig a mikroszkópban látható kromatidakarok
darabszáma.
A 2n jelölés a diploid
testi, pontosabban a növény ivartalan nemzedékéhez, a sporofitonhoz tartozó
kromoszómaszámot jelenti. Az n a meiózis után létrejött haploid készlet száma:
virágos növényeknél ez a pollen és az embriózsák sejtjeiben, páfrányoknál a
spórákban és a belőlük fejlődő előtelep sejtjeiben található. Az x
alap-kromoszómaszám ettől különböző fogalom; azt a készletet jelöli, amelyből
az adott leszármazási vonal poliploid sorozatai felépültek. Egy tetraploid
növényre például 2n = 4x írható, miközben ivarsejtjeinek kromoszómaszáma n =
2x.
A felső rekord gazdája
nem termetes fa, hanem szerény megjelenésű páfrányrokon. Az Ophioglossum reticulatum föld alatti
gyöktörzséből rendszerint egy vagy néhány levélszerű hajtás emelkedik ki. A
névben szereplő „kígyónyelv” a meddő levélrész fölé nyúló, keskeny spóratermő
füzérre utal. A növény külsején semmi sem jelzi, hogy sejtjei a növényvilág
legzsúfoltabb kromoszómakészleteinek egyikét rejthetik. A testméret és a
kromoszómaszám között nincs egyszerű arányosság.
A rendkívüli érték
története több lépcsőből áll. Ninan indiai anyagon a meiózisban körülbelül 630
kromoszómapárt, vagyis n ≈ 630 értéket figyelt meg, és ennek megfelelően
mintegy 1260 kromoszómás testi készletet adott meg. Már ez is rendkívüli szám
volt, ráadásul a parányi kromoszómák összetorlódása miatt csak közelítően
lehetett meghatározni. Későbbi dél-indiai vizsgálatok n = 720, azaz 2n = 1440
kromoszómás alakról számoltak be; ez vált a szakirodalomban leggyakrabban
idézett növényi csúcsértékké (Ninan 1958; Khandelwal 1990).
A 2n = 1440 nem az Ophioglossum reticulatum minden egyedére
érvényes fajjellemző. A fajból és közeli alakjaiból 2n = 240, 480, 720, 960 és
más kromoszómaszámú citotípusokat is közöltek. A citotípus azonos fajhoz
sorolt, de eltérő kromoszómakészletű egyedek vagy populációk csoportja. A pontos
rekordállítás ezért így hangzik: a faj egyik ismert citotípusa hordozza a
legnagyobb széles körben elfogadott, publikált növényi kromoszómaszámot. Nem
helyes egyszerűen azt mondani, hogy e faj minden példányának 1440 kromoszómája
van (Khandelwal 1990; Clark et al. 2016).
Ekkora számnál maga a
számlálás is komoly bizonytalansági forrás. A kígyónyelvpáfrány kromoszómái
többnyire csak néhány mikrométeresek, és egy sejtben százával fedik egymást. A
preparálás során összecsomósodhatnak, egyesek kisodródhatnak a látómezőből, két
közeli kromoszóma pedig egyetlen képletnek látszhat. A régi közlemények idején
nem állt rendelkezésre a mai digitális képelemzés és molekuláris jelölés. Ezért
a 1440-et nem matematikai pontosságú természeti állandóként, hanem rendkívül
nagy, többször idézett citológiai rekordként érdemes kezelni (Ninan 1958;
Khandelwal 1990).
A hatalmas
kromoszómaszám legkézenfekvőbb magyarázata az ismételt poliploidizáció. Teljes
genomduplikációkor valamennyi kromoszóma megkettőződik, és ha az új készlet
öröklése stabillá válik, egyetlen evolúciós lépés nagy ugrást okozhat.
Khandelwal a nemzetség ősi alapszámaként az x = 30 értéket valószínűsítette; a
n = 720 készlet ehhez viszonyítva huszonnégyszeres haploid szintet jelentene.
Az ilyen számítás rekonstrukció, nem egyetlen ma megfigyelhető megkettőződés
bizonyítéka, de érzékelteti, mennyi ismételt készletnövekedés állhat a rekord
mögött (Khandelwal 1990).
A páfrányok
kromoszómaszáma általában is magasabb, mint a virágos növényeké. Ezt sokáig
kizárólag sorozatos poliploidizációval magyarázták, ám a kép összetettebb. A
teljes genom megkettőződése után más leszármazási vonalakban sok kromoszóma
összeolvadhat vagy elveszhet, így a szám idővel ismét csökken. A páfrányok
fejlődéstörténetében a kromoszómák eltávolítása és összeolvadása több
csoportban lassú lehetett, ezért az ősi genomduplikációk nyoma a mai
kromoszómaszámokban feltűnően sokáig megmaradhatott (Clark et al. 2016).
A legtöbb kromoszóma nem
jelenti a legtöbb DNS-t. Egy sejtmag teljes DNS-mennyisége sok apró vagy kevés
nagy kromoszómába egyaránt csomagolható. A páfrányok összehasonlítása pozitív
kapcsolatot mutatott a kromoszómaszám és a genomnagyság között, de ez
statisztikai összefüggés, nem átváltási szabály. Az Ophioglossum sok, igen kicsi kromoszómája ezért nem teszi a fajt a
legnagyobb genom birtokosává, ahogy a könyv fejezeteinek száma sem mondja meg
önmagában a könyv teljes terjedelmét (Clark et al. 2016).
 |
| Ophioglossum reticulatum (balra és fent) ill. Haplopappus gracilis (jobbra, lennt) |
A skála alsó végén a 2n
= 4 érték áll. Ez nem négy magányos, egymástól független örökítőanyag-csomagot
jelent, hanem két homológ kromoszómapárt: mindkét típusból egy anyai és egy
apai eredetű példányt. A meiózis során a párok tagjai kapcsolódnak, genetikai
anyagot cserélhetnek, majd szétválnak, így a normális haploid készlet n = 2
kromoszómából áll. Ennél kisebb, stabil 2n = 2 testi kromoszómaszámot edényes
növényből nem ismerünk (Ruffini Castiglione & Cremonini 2012).
A minimumot hat,
egymással nem közeli rokonságban álló zárvatermő osztja. Az egyszikűek között a
szakirodalom Zingeria biebersteiniana,
Colpodium versicolor, Ornithogalum tenuifolium és Rhynchospora tenuis néven sorolja fel a
rekordereket; a kétszikűek közül Haplopappus
gracilis és Brachyscome
dichromosomatica tartozik ide. Egyes fajokat a modern rendszertan más
nemzetségbe helyezett, ezért adatbázisban keresve a Zingeria biebersteiniana mellett a Colpodium biebersteinianum, a Haplopappus
gracilis mellett pedig más elfogadott név is megjelenhet (Ruffini
Castiglione & Cremonini 2012).
A Colpodium versicolor apró termetű, évelő hegyvidéki pázsitfű.
Kromoszómakészlete azért különösen szemléletes, mert a metafázisban mindössze
két homológ pár rendeződik el. Molekuláris citogenetikai vizsgálatban a kutatók
fluoreszcens DNS-próbákkal megjelölték az 5S és a 45S riboszomális RNS génjeinek
helyét, így a kromoszómapárok nemcsak méretük, hanem jellegzetes molekuláris
bélyegeik alapján is azonosíthatók voltak (Kotseruba et al. 2005).
A fű genomja azt is
bizonyítja, hogy a kevés kromoszóma nem feltétlenül jelent parányi genomot. A Colpodium versicolor testi sejtmagjának
2C DNS-mennyisége mintegy 2,4 pikogram, megközelítőleg 2,35 milliárd bázispár.
Ez a teljes mennyiség mindössze négy kromoszómába csomagolódik. A növény tehát
nem azért jutott el a 2n = 4 értékhez, mert szinte minden DNS-ét elveszítette,
hanem mert a genom nagy szakaszai kevés, viszonylag nagy kromoszómába
rendeződtek (Kotseruba et al. 2005).
Ugyanaz a minimum több
leszármazási vonalban egymástól függetlenül alakult ki. A pázsitfüvek, a
madártejek, a palkafélék és a fészkesvirágzatúak közös őse nem 2n = 4
kromoszómás növény volt. A rekord ezért nem egy ősi, változatlan állapot
maradványa, hanem több külön evolúciós út hasonló végpontja. Ezt jól mutatja,
hogy a négy kromoszóma mérete, alakja, DNS-tartalma és viselkedése fajonként jelentősen
különbözhet (Ruffini Castiglione & Cremonini 2012).
A kromoszómaszám
fokozatos csökkenésének egyik mechanizmusa a diszploidia. Két kromoszóma
összeolvadhat, miközben genetikai anyaguk nagy része megmarad; ellenkező
irányban egy kromoszóma ketté is válhat. A szám ilyenkor egy vagy néhány
egységgel módosul, nem pedig egy teljes készlet többszöröződik meg. Az
összeolvadás után a sejtosztódás szempontjából egy működő centromérának, a
végeken pedig stabil teloméráknak kell maradniuk. Ezért a kromoszóma-átrendeződés
nem egyszerű ragasztás, hanem több szerkezeti feltételhez kötött evolúciós
változás.
A Rhynchospora tenuis esetében különleges kromoszómaszerkezet
segítheti az átrendeződéseket. A legtöbb növény monocentrikus kromoszómáin az
orsófonalak egy körülhatárolt centromérarégióhoz kapcsolódnak. A Rhynchospora kromoszómái
holocentrikusak: az osztódási apparátus a kromoszóma hossza mentén sok helyen
képes kapcsolódni. Egy törésből származó darab így nagyobb eséllyel vihető
szabályosan a leánysejtbe, mint egy olyan monocentrikus töredék, amelyből
hiányzik az egyetlen centroméra (Burchardt et al. 2020).
A holocentrikus
felépítés mégsem jelenti azt, hogy bármilyen törés következmények nélkül
fennmarad. Az új kromoszómavégeket védeni kell, a meiózisban pedig a homológ
kromoszómáknak szabályosan párosodniuk és szétválniuk kell. A Rhynchospora nemzetségben a
kromoszómaszám, a kromoszómák szerkezete és a genom mérete egyaránt intenzíven
változott; a 2n = 4-es R. tenuis
ennek a változatos evolúciós kísérletnek a szélső eredménye, nem pedig
korlátlan kromoszómatördelődés példája (Burchardt et al. 2020).
A Brachyscome dichromosomatica újabb fontos pontosítással szolgál.
Nélkülözhetetlen, úgynevezett A-kromoszómakészlete valóban 2n = 4, egyes
egyedei azonban ezen felül egy vagy több B-kromoszómát is hordozhatnak. A
B-kromoszómák járulékos, rendszerint nem létfontosságú kromoszómák, amelyek
száma egy populáción, sőt esetenként egy növény különböző szövetein belül is
változhat. Ilyenkor a pontos jelölés például 2n = 4 + 1B; a rekordhoz az
alapvető A-készletet kell elkülöníteni a változó többlettől (Leach et al.
2004).
A poliploidia, a
diszploidia és az aneuploidia nem felcserélhető fogalmak. Poliploidiában teljes
kromoszómakészletek sokszorozódnak. Diszploidiában átrendeződés, főként
összeolvadás vagy hasadás változtatja meg a darabszámot anélkül, hogy a DNS
teljes mennyisége hasonló arányban nőne vagy csökkenne. Aneuploidia esetén egy
vagy néhány egyedi kromoszóma hozzáadódik vagy elveszik, ami a gének adagját
felboríthatja. Növények olykor jobban tűrik ezeket az eltéréseket, mint az
állatok, de a szabálytalan készlet gyakran rontja a növekedést vagy a
termékenységet.
A kromoszómaszám
evolúciójának egyik legszigorúbb vizsgája a meiózis. A homológ kromoszómáknak
fel kell ismerniük egymást, párokat kell alkotniuk, majd kiegyensúlyozottan
kell a spórákba vagy ivarsejtekbe kerülniük. Egy friss összeolvadást hordozó
egyed kromoszómái nehezen párosodhatnak a változatlan készletű egyed
kromoszómáival, ezért hibridjeik termékenysége csökkenhet. Ha azonban az új
elrendezés egy populációban rögzül, éppen ez a szaporodási akadály segítheti a
populáció elkülönülését és végül új faj kialakulását.
A rekord
megállapításához aktívan osztódó szövet kell. Virágos növényeknél gyakran
gyökércsúcsot vagy fiatal hajtáscsúcsot vizsgálnak, páfrányoknál a spóraképző
sejtek meiózisa is alkalmas lehet. A sejteket megfelelő állapotban rögzítik,
festik, majd a szövetet vékony rétegben szétnyomják, hogy a kromoszómák
elkülönüljenek. Megbízható eredményhez több jó metafázislemez, több egyed, a
lelőhely pontos adata és ellenőrizhető herbáriumi példány szükséges.
A hagyományos festés
mellé ma fluoreszcens in situ hibridizáció, röviden FISH is társulhat.
Fluoreszcensen jelölt DNS-próbák meghatározott szekvenciákhoz kötődnek, így
azonosíthatók például a riboszomális RNS génjeit hordozó régiók vagy egyes
kromoszómapárok. A módszer nem helyettesíti automatikusan a számlálást, de
ellenőrzi, hogy a látszólag hasonló kromoszómák valóban különböző típusok-e, és
feltárhatja az összeolvadások nyomait. A Colpodium
versicolor négy kromoszómájának jellemzésében éppen ilyen molekuláris
térképezés adott részletesebb bizonyítékot (Kotseruba et al. 2005).
A növény neve és a
vizsgált populáció éppolyan fontos, mint a mikroszkópos kép. A rendszertani
besorolás változhat, két hasonló faj összetéveszthető, egy fajon belül pedig
több citotípus élhet. A régi néven közölt kromoszómaadat nem válik
érvénytelenné egy névváltozástól, de az új névhez csak dokumentált szinonímia
alapján kapcsolható. Rekordlistában ezért a közleményben használt nevet, a ma
elfogadott nevet, a származási helyet és a bizonylati példányt együtt érdemes
nyilvántartani.
Sem a sok, sem a kevés
kromoszóma nem a fejlettség mércéje. A kromoszóma nem egyetlen gén, hanem gének
és nem kódoló DNS-szakaszok változó hosszúságú együttese. Két összeolvadt
kromoszóma továbbra is hordozhatja csaknem ugyanazt az információt, miközben a
számláló eggyel kevesebbet mutat. Egy teljes genomduplikáció pedig
megkétszerezheti a kromoszómaszámot anélkül, hogy az új növény azonnal kétszer
annyi különböző működést vagy kétszeres szervezeti bonyolultságot nyerne.
A kromoszómaszám a
változatosság egyszerű mérőszáma sem lehet. A genetikai változatosságot a
DNS-szekvenciák eltérései, a rekombináció, a populáció mérete és története,
valamint a szaporodási rendszer együtt alakítja. A kromoszómák száma
befolyásolhatja a meiózis menetét és a gének közötti kapcsoltságot, de nem
mondja meg, hány változat kering egy populációban. A 2n = 4-es faj lehet genetikailag
sokféle, az ezernél több kromoszómás citotípus pedig lehet ritka és kis
állományú.
A növényi
kromoszómarekordok dobogója ezért kétféle megfogalmazást kíván. A legtöbb
széles körben idézett kromoszóma az Ophioglossum
reticulatum egyik dél-indiai citotípusának testi sejtjeiben található: 2n =
1440. A legkisebb ismert stabil szám az edényes növények között 2n = 4, amelyet
hat virágos növényfaj egymástól függetlenül ér el. Az első adatnál a rendkívül
zsúfolt preparátum és a citotípusok sokfélesége, a másodiknál a változó
taxonómia és az esetleges B-kromoszómák követelnek különös pontosságot
(Khandelwal 1990; Ruffini Castiglione & Cremonini 2012).
A két véglet közös
tanulsága, hogy az örökítőanyag nem egyetlen kötelező darabszámú csomagolásban
működik. Egy páfrány sejtje több mint ezer apró kromoszómát rendezhet el minden
osztódáskor, egy fű vagy fészkesvirágzatú növény pedig két homológ párra
bízhatja teljes nukleáris genomját. A rekordot nem pusztán a szám teszi
érdekessé, hanem az a sokféle evolúciós folyamat – genomduplikáció,
összeolvadás, hasadás és kromoszómavesztés –, amely ugyanazt az élethez
szükséges információt ennyire eltérő számú kromoszómába rendezheti.
Irodalom
Burchardt P., Buddenhagen C. E., Gaeta M. L.,
Souza M. D., Marques A. & Vanzela A. L. L. (2020): Holocentric karyotype
evolution in Rhynchospora is marked by intense numerical, structural, and
genome size changes. Frontiers in Plant Science 11: 536507.
https://doi.org/10.3389/fpls.2020.536507
Clark J., Hidalgo O., Pellicer J., Liu H.,
Marquardt J., Robert Y., Christenhusz M. J. M., Zhang S., Gibby M., Leitch I.
J. & Schneider H. (2016): Genome evolution of ferns: Evidence for relative
stasis of genome size across the fern phylogeny. New Phytologist 210:
1072–1082. https://doi.org/10.1111/nph.13833
Khandelwal S. (1990): Chromosome evolution in
the genus Ophioglossum L. Botanical Journal of the Linnean Society 102:
205–217. https://doi.org/10.1111/j.1095-8339.1990.tb01876.x
Kotseruba V., Pistrick K., Gernand D., Meister
A., Ghukasyan A., Gabrielyan I. & Houben A. (2005): Characterisation of the
low-chromosome number grass Colpodium versicolor (Stev.) Schmalh. (2n = 4) by
molecular cytogenetics. Caryologia 58: 241–245.
https://doi.org/10.1080/00087114.2005.10589457
Leach C. R., Houben A. & Timmis J. N.
(2004): The B chromosomes in Brachycome. Cytogenetic and Genome Research 106:
199–209. https://doi.org/10.1159/000079288
Ninan C. A. (1958): Studies on the cytology and
phylogeny of the Pteridophytes. VI. Observations on the Ophioglossaceae.
Cytologia 23: 291–316. https://doi.org/10.1508/cytologia.23.291
Ruffini Castiglione M. & Cremonini R.
(2012): A fascinating island: 2n = 4. Plant Biosystems 146: 711–726.
https://doi.org/10.1080/11263504.2012.714806
Nincsenek megjegyzések:
Megjegyzés küldése