POLYPLOIDIE: TYPEN, BEI TIEREN, BEIM MENSCHEN, BEI PFLANZEN - BIOLOGIE - 2025

Die Polyploidie ist eine Art genetischer Mutation, bei der ein vollständiges Komplement (vollständige Sätze) von Chromosomen zum Zellkern hinzugefügt wird, wodurch homologe Paare gebildet werden. Diese Art der Chromosomenmutation ist die häufigste der Euploidien und zeichnet sich dadurch aus, dass der Körper drei oder mehr vollständige Chromosomensätze trägt.

Ein Organismus (normalerweise diploid = 2n) wird als polyploid angesehen, wenn er einen oder mehrere vollständige Chromosomensätze erwirbt. Im Gegensatz zu Punktmutationen, Chromosomeninversionen und Duplikationen ist dieser Prozess großräumig, dh er tritt bei vollständigen Chromosomensätzen auf.

Quelle: Haploid_vs_diploid.svg: Ehambergderivative Arbeit: Ehamberg

Anstatt haploide (n) oder diploide (2n) zu sein, kann ein polyploider Organismus tetraploide (4n), oktoploide (8n) oder mehr sein. Dieser Mutationsprozess ist bei Pflanzen recht häufig und bei Tieren selten. Dieser Mechanismus kann die genetische Variabilität in sessilen Organismen erhöhen, die sich nicht bewegen können.

Die Polyploidie ist in bestimmten biologischen Gruppen evolutionär von großer Bedeutung, da sie einen häufigen Mechanismus für die Erzeugung neuer Arten darstellt, da die Chromosomenbelastung eine vererbbare Bedingung ist.

Wann tritt Polyploidie auf?

Chromosomenzahlstörungen können sowohl in der Natur als auch in im Labor etablierten Populationen auftreten. Sie können auch mit mutagenen Mitteln wie Colchicin induziert werden. Trotz der unglaublichen Präzision der Meiose treten Chromosomenaberrationen auf und sind häufiger als man denkt.

Polyploidie entsteht durch einige Veränderungen, die während der Meiose auftreten können, entweder in der ersten meiotischen Teilung oder während der Prophase, in der homologe Chromosomen paarweise zu Tetraden angeordnet sind und eine Nichtdisjunktion der letzteren während der Meiose auftritt Anaphase I.

Auftreten neuer Arten

Polyploidie ist wichtig, da sie ein Ausgangspunkt für die Entstehung neuer Arten ist. Dieses Phänomen ist eine wichtige Quelle für genetische Variationen, da es zu Hunderten oder Tausenden von doppelten Loci führt, die frei bleiben, um neue Funktionen zu erhalten.

In Pflanzen ist es besonders wichtig und weit verbreitet. Es wird geschätzt, dass mehr als 50% der Blütenpflanzen aus Polyploidie stammen.

In den meisten Fällen unterscheiden sich Polyploide physiologisch von der ursprünglichen Spezies und können daher Umgebungen mit neuen Eigenschaften besiedeln. Viele wichtige Arten in der Landwirtschaft (einschließlich Weizen) sind Polyploide hybriden Ursprungs.

Arten der Polyploidie

Polyploidien können nach der Anzahl der vollständigen Chromosomensätze klassifiziert werden, die im Zellkern vorhanden sind.

In diesem Sinne ist ein Organismus, der "drei" Chromosomensätze enthält, "triploid", "tetraploide", wenn er 4 Chromosomensätze enthält, Pentaploide (5 Sätze), Hexaploiden (6 Sätze), Heptaploide (sieben Sätze), Oktoploide (acht) Spiele), Nonaploidae (neun Spiele), Decaploid (10 Spiele) und so weiter.

Andererseits können Polyploidien auch nach dem Ursprung der chromosomalen Ausstattung klassifiziert werden. In dieser Reihenfolge von Ideen kann ein Organismus autopolyploid oder allopolyploid sein.

Ein Autopolyploid enthält mehrere Sätze homologer Chromosomen, die von demselben Individuum oder von einem Individuum derselben Spezies stammen. In diesem Fall werden Polyploide durch die Vereinigung nicht reduzierter Gameten genetisch kompatibler Organismen gebildet, die als dieselbe Art katalogisiert sind.

Ein Allopolyploid ist der Organismus, der aufgrund der Hybridisierung zwischen verschiedenen Spezies nicht homologe Chromosomensätze enthält. In diesem Fall tritt eine Polyploidie nach Hybridisierung zwischen zwei verwandten Spezies auf.

Polyploidie bei Tieren

Polyploidie ist bei Tieren selten oder selten. Die am weitesten verbreitete Hypothese, die die geringe Häufigkeit polyploider Arten bei höheren Tieren erklärt, ist, dass ihre komplexen Mechanismen der Geschlechtsbestimmung von einem sehr empfindlichen Gleichgewicht in der Anzahl der Geschlechtschromosomen und Autosomen abhängen.

Diese Idee wurde trotz der Anhäufung von Beweisen von Tieren, die als Polyploide existieren, bestätigt. Es wird im Allgemeinen bei niederen Tiergruppen wie Würmern und einer Vielzahl von Plattwürmern beobachtet, bei denen Individuen normalerweise sowohl männliche als auch weibliche Gonaden haben, was die Selbstbefruchtung erleichtert.

Arten mit letzterem Zustand werden als selbstkompatible Hermaphroditen bezeichnet. Andererseits kann es auch in anderen Gruppen auftreten, deren Weibchen Nachkommen ohne Befruchtung durch einen als Parthenogenese bezeichneten Prozess (der keinen normalen meiotischen Sexualzyklus impliziert) zur Welt bringen können.

Während der Parthenogenese werden Nachkommen im Wesentlichen durch mitotische Teilung von Elternzellen erzeugt. Dies umfasst viele Arten von Wirbellosen wie Käfer, Isopoden, Motten, Garnelen, verschiedene Gruppen von Spinnentieren sowie einige Arten von Fischen, Amphibien und Reptilien.

Im Gegensatz zu Pflanzen ist die Speziation durch Polyploidie bei Tieren ein außergewöhnliches Ereignis.

Beispiele bei Tieren

Das Tympanoctomys barriere-Nagetier ist eine tetraploide Art mit 102 Chromosomen pro Körperzelle. Es hat auch eine "gigantische" Wirkung auf Ihr Sperma. Diese allopolyploide Spezies entstand wahrscheinlich aus dem Auftreten mehrerer Hybridisierungsereignisse anderer Nagetierarten wie Octomys mimax und Pipanacoctomys aureus.

Polyploidie beim Menschen

Polyploidie ist bei Wirbeltieren ungewöhnlich und wird bei der Diversifizierung von Gruppen wie Säugetieren (im Gegensatz zu Pflanzen) aufgrund von Störungen im Geschlechtsbestimmungssystem und im Dosisausgleichsmechanismus als irrelevant angesehen.

Schätzungsweise fünf von 1000 Menschen werden mit schwerwiegenden genetischen Defekten geboren, die auf Chromosomenanomalien zurückzuführen sind. Noch mehr Embryonen mit Chromosomendefekten haben eine Fehlgeburt und viele weitere schaffen es nie zur Geburt.

Chromosomale Polyploidien gelten beim Menschen als tödlich. In somatischen Zellen wie Hepatozyten sind jedoch etwa 50% davon normalerweise polyploid (tetraploid oder octaploid).

Die am häufigsten nachgewiesenen Polyploidien in unserer Spezies sind vollständige Triploidien und Tetraploidien sowie diploide / triploide (2n / 3n) und diploide / tetraploide (2n / 4n) Mixoploide.

In letzterem Fall existiert eine Population normaler diploider Zellen (2n) neben einer anderen, die 3 oder mehr haploide Vielfache von Chromosomen aufweist, zum Beispiel: triploid (3n) oder tetraploid (4n).

Triploidien und Tetraplodien beim Menschen sind auf lange Sicht nicht lebensfähig. In den meisten Fällen wurde über den Tod bei der Geburt oder sogar einige Tage nach der Geburt berichtet, der zwischen weniger als einem Monat und maximal 26 Monaten lag.

Polyploidie in Pflanzen

Die Existenz von mehr als einem Genom im selben Kern hat eine wichtige Rolle bei der Entstehung und Entwicklung von Pflanzen gespielt und ist möglicherweise die wichtigste zytogenetische Veränderung bei der Speziation und Evolution von Pflanzen. Pflanzen waren das Tor zum Wissen über Zellen mit mehr als zwei Chromosomensätzen pro Zelle.

Von Beginn der Chromosomenzählung an wurde beobachtet, dass eine große Vielfalt von Wild- und Kulturpflanzen (einschließlich einiger der wichtigsten) polyploid sind. Fast die Hälfte der bekannten Angiospermenarten (Blütenpflanzen) sind polyploide, ebenso die meisten Farne (95%) und eine Vielzahl von Moosen.

Das Vorhandensein von Polyploidie in Gymnospermen ist selten und in Gruppen von Angiospermen sehr unterschiedlich. Im Allgemeinen wurde darauf hingewiesen, dass polyploide Pflanzen sehr anpassungsfähig sind und Lebensräume besetzen können, die ihre diploiden Vorfahren nicht besetzen konnten. Darüber hinaus akkumulieren polyploide Pflanzen mit mehr genomischen Kopien eine größere „Variabilität“.

Innerhalb von Pflanzen spielten möglicherweise die Allopolyploide (die in der Natur am häufigsten vorkommen) eine grundlegende Rolle bei der Speziation und adaptiven Strahlung vieler Gruppen.

Verbesserung des Gartenbaus

In Pflanzen kann die Polyploidie von verschiedenen Phänomenen herrühren, wobei die häufigsten Fehler während des Meioseprozesses sind, die zu diploiden Gameten führen.

Mehr als 40% der Kulturpflanzen sind polyploid, darunter Luzerne, Baumwolle, Kartoffeln, Kaffee, Erdbeeren, Weizen, ohne einen Zusammenhang zwischen Domestizierung und Polyploidie der Pflanzen.

Da Colchicin als Mittel zur Induktion von Polyploidie eingesetzt wurde, wurde es in Kulturpflanzen aus grundsätzlich drei Gründen verwendet:

-Um Polyploidie bei bestimmten wichtigen Arten zu erzeugen, um bessere Pflanzen zu erhalten, da es bei Polyploiden normalerweise einen Phänotyp gibt, bei dem aufgrund der Tatsache, dass es eine größere Anzahl von Zellen gibt, ein bemerkenswertes Wachstum von „Gigabyte“ auftritt. Dies hat bemerkenswerte Fortschritte im Gartenbau und auf dem Gebiet der pflanzengenetischen Verbesserung ermöglicht.

-Für die Polyploidisierung von Hybriden und dass sie die Fruchtbarkeit wiedererlangen, so dass einige Arten neu gestaltet oder synthetisiert werden.

-Und schließlich, um Gene zwischen Arten mit unterschiedlichem Ploidiegrad oder innerhalb derselben Art zu übertragen.

Beispiele in Pflanzen

Innerhalb von Pflanzen ist Brotweizen, Triticum aestibum (Hexaploid), ein natürliches Polyploid von großer Bedeutung und besonders interessant. Zusammen mit Roggen wurde absichtlich ein Polyploid namens „Triticale“ gebaut, ein Allopolyploid mit der hohen Produktivität von Weizen und der Robustheit von Roggen, das ein großes Potenzial hat.

Weizen in Kulturpflanzen war bemerkenswert wichtig. Es gibt 14 Weizenarten, die sich durch Allopolyploidie entwickelt haben, und sie bilden drei Gruppen, eine von 14, eine von 28 und eine letzte von 42 Chromosomen. Die erste Gruppe umfasst die ältesten Arten der Gattungen T. monococcum und T. boeoticum.

Die zweite Gruppe besteht aus 7 Arten und stammt offenbar aus der Hybridisierung von T. boeoticum mit einer Wildkräuterart aus einer anderen Gattung namens Aegilops. Die Kreuzung erzeugt einen kräftigen sterilen Hybrid, der durch Chromosomenduplikation zu einem fruchtbaren Allotetraploid führen kann.

In der dritten Gruppe von 42 Chromosomen befinden sich die Brotweizen, die wahrscheinlich durch Hybridisierung einer tertraploiden Spezies mit einer anderen Aegilops-Spezies entstanden sind, gefolgt von einer Verdoppelung des chromosomalen Komplements.

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