Ekstra sæt kromosomer giver planter et evolutionært supervåben
Mange planter har mere end blot to af hvert kromosom. Det har sat fart i deres udvikling og givet os blandt andet jordbær, kartofler og hvede.
Jordbær polyploidi ekstra kromosomer evolutionært våben fordel hvede kartofler

Jordbær er blandt de planter, som har mere end to af hvert kromosom. Det har givet dem større og mere sukkerholdige bær. (Foto: Shutterstock)

Polyploidi…

Så er det sagt, og selvom ordet måske er en tungebrækker uden mening for de fleste, bliver det blandt forskere inden for plantevidenskab anset for mere og mere meningsfuldt.

Men hvad er det så, det der polyploidi?

Det korte svar er, at polyploidi betegner organismer med mere end to af hvert slags kromosom. Du og jeg har to af hvert kromosom – ét fra far og ét fra mor – men nogle plantearter kan have helt op til 12 kromosomer fra 'far' og 12 kromosomer fra 'mor'.

De er med andre ord polyploide, og den gruppe planter inkluderer eksempelvis kartofler, jordbær og hvede (se også boksen under artiklen).

Særnummer dedikeret til polyploidi

Forskning i polyploidi har været et varmt emne de seneste 15 år, og nu har et af de førende botaniske tidsskrifter, American Journal of Botany, dedikeret en særudgave af tidsskriftet kun til videnskabelige artikler om emnet.

Særudgaven udkom for nylig med en indledende artikel af den amerikanske plantebiolog lektor Michael Barker fra Ecology & Evolutionary Biology ved University of Arizona.

»Vi tænker måske om levende organismer, at de kun har to kromosomer, men der findes mange forskellige variationer. Polyploidi er specielt almindeligt blandt planter, inklusiv nogle af dem vi spiser. Faktisk er polyploidi en af de drivende kræfter i diversificeringen af planter, både dem vi spiser og i naturen,« skriver Michael Barker i en pressemeddelelse.

DNA-sekventering bragte interesse for polyploidi tilbage

Forskning i polyploidi har mange år på bagen.

Forskningsfeltet startede for alvor for 100 siden med den danske arvelighedsforsker Øjvind Winge, der i 1917 som den første foreslog, at artsdannelse blandt planter ofte sker ved kromosomfordobling – altså at polyploidisering spiller en afgørende evolutionær rolle for, at ny plantearter kan opstå.

Sidenhen har forskere vist, at den danske forskers formodning holdt stik, men efter en indledende begejstring over polyploidi lagde forskere i mange år forskningsfeltet på hylden, da det med datidens teknologier ikke var muligt at undersøge det nærmere.

De seneste 15 års fremskridt i DNA-sekventeringer og lignende teknikker har dog bragt interessen for polyploidi tilbage, og i dag forskes der på livet løs inden for området, hvor forskere prøver at blive klogere på polyploidis betydning for planters evolution, økologi samt dets oprindelse.

Kromosomer er ikke så stabile, som vi troede

Thure Pavlo Hauser er lektor i planteøkologi og evolution ved Institut for Plante og Miljøvidenskab på Københavns Universitet. Han har læst den nye opsamlingsartikel om polyploidi og har indvilliget i at hjælpe os med at forstå, hvad det egentlig er.

Ifølge den danske forsker er emnet meget centralt.

»Det er interessant, fordi forståelsen af polyploidi er et kæmpe gennembrud i vores opfattelse af, hvad liv er. Man har haft en forestilling om, at kromosomer er stabile, men blandt andet polyploidi viser, at det hele er meget mere plastisk og rodet, end vi havde forestillet os. Polyploidi giver planter og andre organismer en anderledes måde at arbejde med deres gener på, og det er inden for forskningen rigtig hot at undersøge lige nu,« siger Thure Pavlo Hauser.

Polyploidi hjælper på artsdannelse

Men hvad betyder det egentlig, at eksempelvis planter har flere end to af hvert kromosom?

Det spørgsmål har flere artikler i særudgaven af American Journal of Botany forsøgt at komme med et svar på.

Blandt andet peger forskellige forskningsresultater på, at polyploidi har stor betydning for artsdannelse, ganske som danske Øjvind Winge forudsagde for 100 år siden. Eksempelvis kan polyploidi hjælpe planter med at overkomme sterilitet ved befrugtning mellem to forskellige arter.

Som de fleste måske ved, kan relativt tæt beslægtede arter sommetider få afkom sammen, men ofte er afkommet sterilt.

Det gælder blandt andet muldyr, som er en kombination af en hest og et æsel. Selvom hesten og æslet altså kan få unger sammen, kan muldyrene ikke bringe den genetiske arv videre.

En af årsagerne til dette er, at da muldyret får halvdelen af sine kromosomer fra en hest og den anden halvdel fra et æsel, kan kromosomerne ikke danne par.

Da kromosomerne ikke kan danne par, kan de heller ikke blive ligeligt fordelt i kønscellerne, og dermed bliver muldyret effektivt sterilt.

Hybrider bliver til nye arter

Hopper vi tilbage og kigger på planter, kan man forestille sig, at to forskellige arter kommer til at befrugte hinanden.

Ligesom med muldyret vil den dannede hybrid måske være steril, men sker det, at antallet af kromosomer bliver fordoblet, har planten pludselig parvise kromosomer igen, og den kan derved danne funktionelle kønsceller og blive fertil.

»I 99,9 procent af tilfældene har hybrider mellem to arter det ikke godt, og det skranter med reproduktionen. Men en gang imellem sker det, at deres kromosomer bliver fordoblet, og så kan de pludselig godt reproducere, og en ny art opstår. Problemet er selvfølgelig, at de i starten vil have svært ved at finde nogen at parre sig med, men det sker, og nok også oftere, end man troede tidligere,« siger Thure Pavlo Hauser.

Polyploidi kan give evolutionær fordel

For de polyploide arter kan deres særprægede natur give dem forskellige evolutionære fordele.

Umiddelbart er det ingen fordel at bære rundt på dobbelt så meget arvemasse som andre planter og være en blanding af forskellige arter, men hvis uheldet er ude, viser forskningen, at de polyploide arter er gode til at gribe chancen, når mulighederne opstår.

Forestil dig for eksempel en naturkatastrofe, som udrydder mange planter og efterlader masser af plads for opportunistiske arter. Lad det være et jordskælv, en oversvømmelse eller en usædvanlig hård vinter.

I tilfældet at halvdelen af alle planter forsvinder, kan en skør hybrid måske stå tilbage som en af de overlevende.

Hvis betingelserne i miljøet er ændret dramatisk, er det i tillæg en fordel at have flere kromosomer, være plastisk og kunne tilpasse sig.

»Hybrider mellem to arter har arvemateriale fra to forskellige arter og dermed også mere genetisk variation at gøre godt med. De kan derfor noget, som måske ingen af forældrearterne kunne, og de kan derfor tilpasse sig til de nye omgivelser,« forklarer Thure Pavlo Hauser.

»Det kan have givet dem muligheder for at overleve i tørrere betingelser eller brede sig op ad eksempelvis en bjergside, hvilket forældrearterne måske ikke kunne. De polyploide hybrider har muligvis nogle egenskaber, som de har kunnet gøre brug af til at tilpasse sig deres nye omgivelser, og det er måske det vigtigste i deres overlevelse, som har gjort, at de stadig er her i dag.«

Hvede er en polyploid krydsning mellem andre arter

Blanding mellem to arter og polyploidi har ikke blot gjort noget godt for nogle vilde plantearter. Det har også gjort noget godt for os mennesker.

Tag eksempelvis afgrøden brødhvede.

Når forskere kigger i brødhvedens gener, kan de se, at den er produktet af mindst to hybridiseringer, hvor andre græsarter har krydset med hveden og skabt et levedygtigt afkom.

Jordbær polyploidi ekstra kromosomer evolutionært våben fordel hvede kartofler

Polyplodi har været med til at skabe den hvedesort, vi har på markerne i dag. (Foto: Shutterstock)

Selvom brødhvede er en afgrøde, mener forskere dog, at hybridiseringen er sket uden menneskelig indblanding.

Mennesker har historisk dyrket hveden, og på et tidspunkt har en anden græsart krydset sig med brødhveden, hvorefter en landmand har været snarrådig nok til at dyrke videre på den mystiske blanding og fået en endnu bedre hvede ud af det.

Efter den første hybridisering er det sket endnu en gang for endnu en snarrådig landmand, og det er produktet af de to hybridiseringer, der står på supermarkedshylderne i dag.

»Brødhveden er blevet krydset med nogle arter, som vi aldrig kunne drømme om at spise, og polyploidi har gjort det muligt for disse krydsninger at overleve og videreføre den nye kombination af de to arter. Det er baggrunden for en af de vigtigste afgrøder i dag,« forklarer Thure Pavlo Hauser.

Polyploidi gjorde jordbær store og smagfulde

Jordbær er et andet eksempel på en art, som har haft fordel af polyploidi.

Planten bag de store, saftige jordbær, som vi spiser i dag, er en krydsning mellem en nordamerikansk og en sydamerikansk jordbærart, der igen er krydsninger af andre arter, hvor ingen af dem havde lige så store og lækre frugter, som krydsningen mellem dem.

Netop i jordbærrenes tilfælde kan man se en typisk effekt af polyploidi, som har et ønskværdigt udfald. I hvert fald for mennesker, for gennem polyploidi har jordbærrene fået flere kromosomer og dermed flere gener.

Det betyder også, at nutidens jordbær har flere gener til at lave enzymer, som planten bruger til at lave sukkerstoffer, og med flere gener følger mere sukker i bærrene, hvilket gør dem sødere og større.

»Det er et eksempel på, at man har nogle små skovjordbær, som vi nok ikke ville spise mange af, men efter krydsningerne og en forøgelse af antallet af kromosomer får vi noget, som er værd at sætte tænderne i,« siger Thure Pavlo Hauser.

Kan bruge ekstra gener til at lave forsvarsstoffer

Polyploidi giver også fordele for planterne selv.

Planter med kun to sæt kromosomer er mere begrænsede i, hvad de kan bruge generne til.

Det kan eksempelvis være gener for immunforsvaret, hvor generne laver proteiner med specifikke og nødvendige funktioner for at bevare organismen sund og rask.

Polyploide planter har derimod en masse ekstra gener fra de fordoblede kromosomsæt. Disse gener kan de udvikle og derved danne andre kemiske stoffer, der måske kan gavne dem.

Generne kan eksempelvis bruges til at lave stoffer, der generer de dyr, som spiser af planten.

»Det bliver mere og mere klart i disse år, at det her er en af de store fordele ved polyploidi. Planter er vanvittige til at lave et utal af forskellige kemiske stoffer. Har de gener, som er overflødige, bruger de dem til at lave nye stoffer, som eksempelvis skræmmer insekter væk. Så bliver naboplanten spist i stedet,« forklarer Thure Pavlo Hauser.

»Det sker ikke med det samme med kromosomfordobling, men det kan ske hen ad vejen, da planterne har fået et nyt genetisk potentiale, som de er enormt gode til at udnytte,« fortsætter han.

Giver helt ny forståelse af naturen

Ifølge Thure Pavlo Hauser har forskningen i polyploidi ændret på forståelsen af, hvad planter er i stand til, og hvor plastisk naturen egentlig er.

Da mennesker selv begyndte at dyrke planter for 6.000 år siden, udnyttede vi nogle egenskaber, som allerede lå i planterne, og som for manges vedkommende var produktet af polyploidi.

»For mig er det interessant at se, at en stor del af det, vi spiser, kommer fra nogle processer i naturen, som vi først lige nu er begyndt af forstå, og som ændrer på vores forståelse af, hvad naturligt egentlig er,« siger Thure Pavlo Hauser.

Mennesker har kun to af hvert kromosom

De fleste pattedyr har to af hvert kromosom. De er diploide.

For mennesker gælder det eksempelvis, at vi har 23 kromosompar, hvor vi har fået de 23 kromosomer fra vores far og 23 fra vores mor. De 23 kromosompar er parvist stort set ens, bortset fra kønskromosomerne, hvor kvinder har to ens kønskromosomer, mens mænd har to forskellige.

På kromosomerne sidder generne, som giver ophav til alt fra øjenfarve og højde til kroppens produktion af hormoner. Generne bestemmer også, hvornår og hvor meget der skal produceres.

I menneskers kønsceller er der ét af hvert kromosom, som under befrugtningen danner par med kromosomerne fra den anden parts kromosomer.

På den måde får afkommet halvdelen af sine gener fra far og halvdelen fra mor, og har dermed en backup, hvis nogle af generne fra enten den ene eller den anden forælder er defekte.

Dog er denne model, hvor 1 + 1 = 2, ikke universel blandt alle organismer, og mange planter, og også flere primitive dyr, har flere end blot ét sæt kromosomer – de er polyploide.

Polyploide planter kan som eksempel have helt op til 12 identiske kromosomsæt, som er nedarvet fra deres diploide forfædre.

Lyt på Videnskab.dk!

Hver uge laver vi digital radio, der udkommer i form af en podcast, hvor vi går i dybden med aktuelle emner fra forskningens verden. Du kan lytte til den nyeste podcast i afspilleren herunder eller via en podcast-app på din smartphone.

Har du en iPhone eller iPad, kan du finde vores podcasts i iTunes og afspille dem i Apples podcast app. Bruger du Android, kan du med fordel bruge SoundClouds app.
Du kan se alle vores podcast-artikler her eller se hele playlisten på SoundCloud