HETEROSIS: VERBESSERUNG BEI TIEREN, PFLANZEN, MENSCHEN - BIOLOGIE - 2025

Die Heterosis , auch als heterozygoter Vorteil und Hybridvitalität bekannt, ist ein genetisches Phänomen, das sich in der Verbesserung der Eltern, der physiologischen Leistung in der ersten Generation der Kreuzung zwischen entfernten Verwandten derselben Art oder zwischen diesen manifestiert verschiedene Arten von Pflanzen und Tieren.

Die Verbesserung der physiologischen Leistung tritt beispielsweise in der Zunahme der Gesundheit, der kognitiven Kapazität oder der Masse auf, was sich auf vorteilhafte phänotypische Eigenschaften bezieht, die sich aus einem geeigneteren Genotyp ergeben.

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Es sollte beachtet werden, dass wir unter entfernten Verwandten Individuen aus genetisch isolierten Populationen sowie Sorten, Stämme oder Unterarten derselben Art verstehen.

Inzucht Depression

Heterosis ist das Ergebnis von Exogamie. Es ist das Gegenteil von Inzucht, die Homozygotie hervorrufen kann. Aufgrund der genetischen Rekombination können die Vorteile von Heterozygoten durch erneutes Auftreten von Homozygotie und sogar durch Sterilität in der zweiten Generation verschwinden.

Der genetische Austausch zwischen entfernten Verwandten kann jedoch langfristige Anpassungsvorteile bringen.

Inzuchtdepression ist die durch Inzucht verursachte Verringerung der Anpassungsfähigkeit (Fitness). Es wird als eine Verringerung des Überlebens und der Reproduktion der Nachkommen verwandter Personen in Bezug auf die Nachkommen nicht verwandter Personen ausgedrückt. Es ist ein universelles Phänomen, das bei Pflanzen und Tieren dokumentiert wurde.

Wenn es eine Kreuzung zwischen entfernten Verwandten derselben Art oder zwischen verschiedenen Arten gibt, ist das Ergebnis normalerweise die Aufnahme neuer oder seltener Allele (Introgression) in den Genpool der Population, zu der die Mitglieder der Generation aufgrund der erste Überfahrt.

Tatsächlich ist Exogamie oft eine wichtigere Quelle für neue oder seltene Allele als Mutation. Diese Allele bieten zwei Vorteile: 1) Sie erhöhen die genetische Variabilität und damit die Häufigkeit heterozygoter Individuen in dieser Population. 2) Einführung von Genen, die für phänotypische Merkmale kodieren, die neuartige Voranpassungen darstellen.

Genetische Vorteile

Aus Sicht der Mendelschen Genetik wurden die Vorteile der Heterosis durch zwei Hypothesen erklärt: 1) Komplementation, auch als Dominanzmodell bezeichnet; 2) allelische Wechselwirkung, auch als Überdominanzmodell bezeichnet.

Die Komplementationshypothese postuliert, dass heterozygote Nachkommen an mehreren genetischen Orten weniger leicht schädliche rezessive Allele exprimieren als ihre homozygoten Eltern.

Bei hybriden Nachkommen würden die höheren Allele eines Elternteils die niedrigeren Allele des anderen Elternteils verbergen. Dies würde bedeuten, dass die Nachkommen für jeden der beteiligten genetischen Loci nur die besten Allele beider Elternteile exprimieren.

Somit würde die erste Generation einen kumulativ fitteren Genotyp mit den besten Eigenschaften jedes Elternteils besitzen.

Die allelische Interaktionshypothese postuliert, dass die beiden Allele jedes genetischen Loci sich komplementär exprimieren, dh ihre Effekte addieren. Dies bedeutet, dass die von beiden Allelen codierten phänotypischen Merkmale eine breitere Reaktion auf die Umweltvariabilität der Nachkommen hervorrufen könnten, als dies durch Homozygotie zulässig ist.

Diese beiden Hypothesen schließen sich nicht in dem Sinne gegenseitig aus, dass jede von ihnen auf verschiedene Sätze genetischer Loci in demselben Hybridindividuum angewendet werden könnte.

In Pflanzen

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts zeigte George Shull, dass die Hybridisierung zweier in den USA angebauter Maissorten, die aufgrund von Inzucht einen Teil ihrer Produktivität verloren hatten, größere und kräftigere Pflanzen mit überlegenen Erträgen hervorbrachte. Gegenwärtig ermöglicht Heterose bei Hybridmais 100–200% größere Ernten.

In den späten 1970er Jahren begann China mit dem Anbau von Hybridreis, der 10% höhere Erträge als herkömmlicher Mais erzielte. Derzeit werden 20–50% größere Ernten erzielt

Die durch Heterosis bei anderen essbaren Kulturpflanzen erzielten Ertragssteigerungen betragen: Aubergine, 30–100%; Brokkoli, 40–90%; Zucchini, 10–85%; Gerste, 10–50%; Zwiebel, 15–70%; Roggen, 180–200%; Raps, 39–50%; Saubohnen, 45–75%; Weizen, 5–15%; Karotte, 25–30%.

Bei Tieren

Maultiere sind die bekannteste Tierhybride. Sie resultieren aus der Paarung eines männlichen Pferdes (Equus caballus) mit einem weiblichen Esel (E. asinus). Ihre Nützlichkeit als Lasttiere beruht auf Heterosis. Sie sind größer, stärker und widerstandsfähiger als das Pferd. Sie haben den sicheren Schritt des Arsches. Sie haben auch eine größere Lernfähigkeit als ihre Eltern.

Die Hybridisierung von Makaken (Macaca mulatta) chinesischen und hinduistischen Ursprungs führt zu Männern und Frauen, die eine Heterosis aufweisen, da sie eine größere Kopf-Körper-Länge und eine größere Körpermasse haben als ihre Eltern. Dieser Unterschied ist bei Männern stärker ausgeprägt, was ihre Fähigkeit verbessern könnte, mit nicht-hybriden Männern um Frauen zu konkurrieren.

Der essbare Frosch (Pelophylax esculentus) ist die fruchtbare Hybride von Pelophylax ridibundus und P. lessonae (Familie Ranidae), die in Sympaterie in Mitteleuropa leben. P. esculentus widersteht niedrigeren Sauerstoffdrücken als Elternarten und ermöglicht so den Winterschlaf in stark sauerstoffarmen Gewässern. Wo sie koexistieren, ist P. esculentus häufiger anzutreffen.

Im Menschen

Derzeit wird unser Planet von einer einzigen menschlichen Spezies bewohnt. Es gibt genetische Beweise dafür, dass moderne europäische Menschen (Homo sapiens) vor 65.000 bis 90.000 Jahren gelegentlich mit Neandertalern (Homo neanderthalensis) hybridisierten.

Es gibt auch Hinweise darauf, dass sich moderne melanesische Menschen (Homo sapiens) vor 50.000 bis 100.000 Jahren ziemlich häufig mit Denisovans, einer mysteriösen ausgestorbenen menschlichen Spezies, vermischten.

Es ist nicht bekannt, ob diese alten Hybridisierungen zu einer Heterosis führten, aber es ist möglich, dass dies der Fall ist, wenn positive und negative Heterosis beim modernen Menschen beobachtet werden.

Es wurde gezeigt, dass Menschen mit Vätern und Müttern aus verschiedenen Teilen Chinas eine höhere Körpergröße und akademische Leistung aufweisen als die Durchschnittswerte der Herkunftsregionen ihrer Eltern. Dies kann als positive Heterosis interpretiert werden.

In Pakistan leben viele verschiedene ethnische Gruppen, die durch ein hohes Maß an Homozygotie gekennzeichnet sind, das durch die hohe Häufigkeit von konsanguinen Ehen verursacht wird. Es wird angenommen, dass diese Gruppen an einer negativen Heterosis leiden, die sich in einer überdurchschnittlichen Inzidenz von Brust- und Eierstockkrebs äußert.

Verweise

1. Baranwal, VK, Mikkilineni, V., Zehr, UB, Tyagi, AK, Kapoor, S. 2012. Heterosis: Neue Ideen zur Hybridkraft. Journal of Experimental Botany, 63, 6309–6314.
2. Benirschke, K. 1967. Sterilität und Fertilität interspezifischer Säugetierhybriden. In: Benirschke, K., ed. "Vergleichende Aspekte des Fortpflanzungsversagens". Springer, New York.
3. Berra, TM, Álvarez, G., Ceballos, FC 2010. Wurde die Darwin / Wedgwood-Dynastie durch Blutsverwandtschaft beeinträchtigt? BioScience, 60, 376 & ndash; 383.
4. Birchler, JA, Yao, H., Chudalayandi, S. 2006. Aufklärung der genetischen Basis hybrider Kraft. Verfahren der National Academy of Science der USA, 103, 12957–12958.
5. Burke, JM, Arnold, ML 2001. Genetik und Fitness von Hybriden. Annual Review of Genetics, 35, 31–52.
6. Callaway, E. 2011. Alte DNA enthüllt Geheimnisse der Menschheitsgeschichte: Moderne Menschen haben möglicherweise Schlüsselgene von ausgestorbenen Verwandten aufgegriffen. Nature, 137, 136 & ndash; 137.
7. Denic, S., Khatib, F., Awad, M., Karbani, G., Milenkovic, J. 2005. Krebs durch negative Heterosis: Brust- und Eierstockkrebsüberschuss bei Hybriden ethnischer Inzuchtgruppen. Medical Hypotheses, 64, 1002–1006.
8. Frankel, R. 1983. Heterosis: Neubewertung von Theorie und Praxis. Springer, Berlin.
9. Frankham, R. 1998. Inzucht und Aussterben: Inselpopulationen. Conservation Biology, 12, 665–675.
10. Fritz, RS, Moulia, C. 1999. Resistenz von Hybridpflanzen und -tieren gegen Pflanzenfresser, Krankheitserreger und Parasiten. Jahresrückblick auf Ökologie und Systematik, 565–591.
11. Govindaraju, DR 2019. Eine Aufklärung des über ein Jahrhundert alten Rätsels in der Genetik-Heterosis. PLoS Biol 17 (4): e3000215.
12. Groszmann, M., Greaves, IK, Fujimoto, R., Peacock, WJ, Dennis, ES 2013. Die Rolle der Epigenetik bei der Hybridkraft. Trends in Genetics, 29, 684–690.
13. Grueber, CE, Wallis, GP, Jamieson, IG 2008. Heterozygotie - Fitnesskorrelationen und ihre Relevanz für Studien zur Inzuchtdepression bei bedrohten Arten. Molecular Ecology, 17, 3978–3984.
14. Hedrick, PW, García-Dorado, A. 2016. Inzuchtdepression, Spülung und genetische Rettung verstehen. Trends in Ecology & Evolution, http://dx.doi.org/10.1016/j.tree.2016.09.005.
15. Hedrick, PW, Kalinowski, ST 2000. Inzuchtdepression in der Naturschutzbiologie. Jahresrückblick auf Ökologie und Systematik, 31, 139–62.
16. Hochholdinger, F., Hoecker, N. 2007. Auf dem Weg zur molekularen Basis der Heterosis. TRENDS in Plant Science, 10.1016 / j.tplants.2007.08.005.
17. Jolly, CJ, Woolley-Barker, T., Beyene, S., Disotell, TR, Phillips-Conroy, JE 1997. Intergenerische Hybridpaviane. International Journal of Primatology, 18, 597–627.
18. Kaeppler, S. 2012. Heterosis: Viele Gene, viele Mechanismen beenden die Suche nach einer unentdeckten einheitlichen Theorie. ISRN Botany Volume, 10.5402 / 2012/682824.
19. Khongsdier, R. Mukherjee, N. 2003. Auswirkungen der Heterosis auf das Wachstum der Körpergröße und ihrer Segmente: eine Querschnittsstudie der Khasi-Mädchen im Nordosten Indiens. Annals of Human Biology, 30, 605–621.
20. Lacy, RC Bedeutung der genetischen Variation für die Lebensfähigkeit von Säugetierpopulationen. Journal of Mammalogy, 78, 320–335.
21. Lippman, ZB, Zamir, D. 2006. Heterosis: Wiederholung der Magie. TRENDS in Genetics, 10.1016 / j.tig.2006.12.006.
22. R. McQuillan et al. 2012. Hinweise auf Inzuchtdepressionen in menschlicher Größe. PLoS Genetics, 8, e1002655.
23. Proops, L., Burden, F., Osthaus, B. 2009. Maultierkognition: ein Fall von hybrider Kraft? Animal Cognition, 12, 75–84.
24. Zhu, C., Zhang, X., Zhao, Q., Chen, Q. 2018. Hybride Ehen und phänotypische Heterosis bei Nachkommen: Beweise aus China. Wirtschaft und Humanbiologie. 10.1016 / j.ehb.2018.02.008.