HETEROZA: POPRAWA ZWIERZĄT, ROŚLIN, LUDZI - BIOLOGIA - 2026

Heterozji , znany również jako heterozygot korzyści i hybrydy jest zjawiskiem genetyczną, która objawia się w poprawie w stosunku do rodziców, wydajność fizjologicznej pierwszej generacji skrzyżowanie krewnych tego samego gatunku, lub pomiędzy różne gatunki roślin i zwierząt.

Poprawa sprawności fizjologicznej następuje na przykład we wzroście zdrowia, zdolności poznawczych lub masy, odnosząc się do korzystnych cech fenotypowych wynikających z posiadania bardziej odpowiedniego genotypu.

Źródło: pixabay.com

Należy zauważyć, że przez dalekich krewnych rozumiemy osoby z populacji izolowanych genetycznie, a także odmiany, szczepy lub podgatunki tego samego gatunku.

Depresja wsobna

Heteroza jest wynikiem egzogamii. Jest przeciwieństwem chowu wsobnego, który może prowadzić do homozygotyczności. Ze względu na rekombinację genetyczną zalety heterozygot mogą zanikać, poprzez ponowne pojawienie się homozygotyczności, a nawet bezpłodności w drugim pokoleniu.

Jednak współdzielenie genów między odległymi krewnymi może zapewnić długoterminowe korzyści adaptacyjne.

Depresja wsobna to zmniejszenie zdolności adaptacyjnych (sprawności) spowodowane chowieniem wsobnym. Wyraża się jako zmniejszenie przeżywalności i rozmnażania potomstwa osobników spokrewnionych w stosunku do potomstwa osobników niespokrewnionych. Jest to zjawisko uniwersalne, które zostało udokumentowane u roślin i zwierząt.

W przypadku krzyżowania się odległych krewnych tego samego gatunku lub między różnymi gatunkami skutkuje to zazwyczaj włączeniem nowych lub rzadkich alleli (introgresja) do puli genów populacji, do której członkowie pokolenia wywodzą się z początkowe przejście.

W rzeczywistości egzogamia jest często ważniejszym źródłem nowych lub rzadkich alleli niż mutacja. Allele te mają dwie zalety: 1) zwiększają zmienność genetyczną, a tym samym częstość występowania osobników heterozygotycznych we wspomnianej populacji; 2) wprowadzić geny kodujące cechy fenotypowe reprezentujące nowe adaptacje wstępne.

Zalety genetyczne

Z punktu widzenia genetyki mendlowskiej zalety heterozji wyjaśniają dwie hipotezy: 1) komplementacja, nazywana także modelem dominacji; 2) interakcja alleliczna, zwana także modelem nad dominacji.

Hipoteza komplementacji zakłada, że ​​heterozygotyczne potomstwo wykazuje mniej szkodliwych alleli recesywnych w przypadku wielu loci genetycznych niż ich homozygotyczni rodzice.

W potomstwie hybryd, wyższe allele jednego z rodziców ukrywałyby niższe allele drugiego rodzica. Oznaczałoby to, że dla każdego z zaangażowanych loci genetycznych potomstwo wykazuje ekspresję tylko najlepszych alleli od obojga rodziców.

W ten sposób pierwsze pokolenie miałoby kumulatywnie sprawniejszy genotyp z najlepszymi cechami każdego z rodziców.

Hipoteza interakcji allelicznych zakłada, że ​​dwa allele każdego loci genetycznego wyrażają komplementarność, to znaczy dodają swoje efekty. Oznacza to, że cechy fenotypowe kodowane przez oba allele mogą dawać szerszą odpowiedź na zmienność środowiskową, z jaką ma do czynienia potomstwo, niż pozwala na to homozygotyczność.

Te dwie hipotezy nie wykluczają się wzajemnie w tym sensie, że każda z nich może być zastosowana do różnych zestawów loci genetycznych u tego samego osobnika hybrydowego.

W roślinach

Na początku XX wieku George Shull wykazał, że hybrydyzacja dwóch odmian kukurydzy uprawianych w Stanach Zjednoczonych, które straciły część swojej produktywności z powodu chowu wsobnego, dała większe i bardziej żywotne rośliny z lepszymi plonami. Obecnie w kukurydzy mieszańcowej heterozja pozwala na uzyskanie 100–200% większych zbiorów.

W późnych latach siedemdziesiątych Chiny zaczęły uprawiać ryż hybrydowy, który dawał 10% wyższe plony niż konwencjonalna kukurydza. Obecnie osiąga się o 20–50% większe zbiory

Wzrost plonów uzyskany przez heterozję innych jadalnych roślin uprawnych to: bakłażan 30–100%; brokuły, 40–90%; cukinia, 10–85%; jęczmień 10–50%; cebula 15–70%; żyto 180–200%; rzepak 39–50%; bób, 45–75%; pszenica, 5–15%; marchew, 25–30%.

U zwierząt

Muły to najsłynniejsza hybryda zwierząt. Wynikają one ze skojarzenia samca konia (Equus caballus) z samicą osiołka (E. asinus). Ich przydatność jako zwierząt jucznych wynika z heterozji. Są większe, silniejsze i bardziej odporne niż koń. Mają bezpieczny krok tyłka. Mają też większą zdolność uczenia się niż ich rodzice.

Hybrydyzacja makaków (Macaca mulatta) pochodzenia chińskiego i hinduskiego powoduje, że samce i samice wykazują heterozję, ponieważ mają większą długość głowy i ciała oraz większą masę ciała niż ich rodzice. Ta różnica jest bardziej widoczna u samców, co może poprawić ich zdolność konkurowania z samcami niehybrydowymi o samice.

Żaba jadalna (Pelophylax esculentus) jest płodną mieszanką Pelophylax ridibundus i P. lessonae (rodzina Ranidae), które żyją w sympatii w Europie Środkowej. P. esculentus jest odporny na niższe ciśnienie tlenu niż gatunek rodzicielski, umożliwiając mu hibernację w wodach silnie ubogich w tlen. Tam, gdzie współistnieją, P. esculentus występuje liczniej.

W człowieku

Obecnie naszą planetę zamieszkuje jeden gatunek ludzki. Istnieją dowody genetyczne, że 65 000–90 000 lat temu współcześni ludzie europejscy (Homo sapiens) czasami krzyżowali się z neandertalczykami (Homo neanderthalensis).

Istnieją również dowody wskazujące na to, że współcześni ludzie z Melanezji (Homo sapiens) dość często krzyżowali się z denisowianami, tajemniczym wymarłym gatunkiem ludzkim, 50 000–100 000 lat temu.

Nie wiadomo, czy te starożytne hybrydyzacje doprowadziły do ​​heterozji, ale możliwe jest, że jest to przypadek na podstawie obserwacji pozytywnej i negatywnej heterozji u współczesnych ludzi.

Wykazano, że osoby z ojcami i matkami z różnych części Chin mają wyższy wzrost i wyniki w nauce niż średnie z regionów pochodzenia ich rodziców. Można to interpretować jako pozytywną heterozję.

W Pakistanie żyje wiele różnych grup etnicznych, które charakteryzują się wysokim poziomem homozygotyczności spowodowanym dużą częstotliwością zawierania małżeństw pokrewnych. Uważa się, że grupy te cierpią na ujemną heterozję, która wyraża się w wyższej niż normalnie zapadalności na raka piersi i jajnika.

Bibliografia

1. Baranwal, VK, Mikkilineni, V., Zehr, UB, Tyagi, AK, Kapoor, S. 2012. Heterosis: emerging ideas on hybrid vigor. Journal of Experimental Botany, 63, 6309–6314.
2. Benirschke, K. 1967. Sterylność i płodność mieszańców międzygatunkowych ssaków. W: Benirschke, K., red. „Porównawcze aspekty niepowodzeń rozrodczych”. Springer, Nowy Jork.
3. Berra, TM, Álvarez, G., Ceballos, FC 2010. Czy pokrewieństwo miało negatywny wpływ na dynastię Darwin / Wedgwood? BioScience, 60, 376–383.
4. Birchler, JA, Yao, H., Chudalayandi, S. 2006. Odkrywanie genetycznych podstaw wigoru hybrydy. Proceedings of the National Academy of Science of the USA, 103, 12957–12958.
5. Burke, JM, Arnold, ML 2001. Genetyka i sprawność hybryd. Annual Review of Genetics, 35, 31–52.
6. Callaway, E. 2011. Starożytne DNA ujawnia sekrety historii ludzkości: współcześni ludzie mogli przejąć kluczowe geny od wymarłych krewnych. Naturę, 137, 136-137.
7. Denic, S., Khatib, F., Awad, M., Karbani, G., Milenkovic, J. 2005. Rak przez ujemną heterozję: nadmiar raka piersi i jajnika w mieszańcach wsobnych grup etnicznych. Medical Hypotheses, 64, 1002–1006.
8. Frankel, R. 1983. Heterosis: ponowna ocena teorii i praktyki. Springer, Berlin.
9. Frankham, R. 1998. Chów wsobny i wymieranie: populacje wyspiarskie. Conservation Biology, 12, 665–675.
10. Fritz, RS, Moulia, C. 1999. Odporność roślin i zwierząt hybrydowych na roślinożerne, patogeny i pasożyty. Annual Review of Ecology and Systematics, 565–591.
11. Govindaraju, DR, 2019. Wyjaśnienie ponad stuletniej zagadki heterozy genetycznej. PLoS Biol 17 (4): e3000215.
12. Groszmann, M., Greaves, IK, Fujimoto, R., Peacock, WJ, Dennis, ES 2013. Rola epigenetyki w wigorze hybrydy. Trends in Genetics, 29, 684–690.
13. Grueber, CE, Wallis, GP, Jamieson, IG 2008. Heterozygotyczność - korelacje przystosowania i ich znaczenie w badaniach nad depresją inbredową u gatunków zagrożonych. Molecular Ecology, 17, 3978–3984.
14. Hedrick, PW, García-Dorado, A. 2016. Zrozumienie depresji wsobnej, przeczyszczania i ratowania genetycznego. Trends inEcology & Evolution, http://dx.doi.org/10.1016/j.tree.2016.09.005.
15. Hedrick, PW, Kalinowski, ST 2000. Depresja wsobna w biologii konserwatorskiej. Annual Review of Ecology and Systematics, 31, 139–62.
16. Hochholdinger, F., Hoecker, N. 2007. W kierunku molekularnych podstaw heterozji. 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. Międzygeneryczne pawiany hybrydowe. International Journal of Primatology, 18, 597–627.
18. Kaeppler, S. 2012. Heteroza: wiele genów, wiele mechanizmów - koniec poszukiwań nieodkrytej jednoczącej teorii. ISRN Botany Volume, 10.5402/2012/682824.
19. Khongsdier, R. Mukherjee, N. 2003. Wpływ heterozji na wzrost wzrostu i jego segmenty: badanie przekrojowe dziewcząt Khasi w północno-wschodnich Indiach. Annals of Human Biology, 30, 605–621.
20. Lacy, RC Znaczenie zmienności genetycznej dla żywotności populacji ssaków. Journal of Mammalogy, 78, 320–335.
21. Lippman, ZB, Zamir, D. 2006. Heterosis: revisiting the magic. TRENDS in Genetics, 10.1016 / j.tig.2006.12.006.
22. McQuillan, R., i in. 2012. Dowody na depresję wsobną na wzrost człowieka. PLoS Genetics, 8, e1002655.
23. Proops, L., Burden, F., Osthaus, B. 2009. Mule cognition: a case of hybrid vigor? Animal Cognition, 12, 75–84.
24. Zhu, C., Zhang, X., Zhao, Q., Chen, Q. 2018. Małżeństwa hybrydowe i heteroza fenotypowa potomstwa: dowody z Chin. Ekonomia i biologia człowieka. 10.1016 / j.ehb.2018.02.008.