Mutatie Genetica

Mutatie genetica

Mutația reprezintă o schimbare în cadrul structurii ADN-ului sau ARN-ului, produse fie în cadrul meiozei, fie din cauza unui agent extern, precum iradierea sau virușii.

Evoluționismul și genetica

Apariția omului pe Pământ este, cu siguranță, cel mai controversat capitol al știintei, responsabil pentru ruptura adancă dintre religie si comunitatea oamenilor de știința. Și asta pentru că în joc nu este o explicație logică pentru evoluția omului, ci chiar existența lui Dumnezeu si rolul Bisericii.

După ce Darwin a publicat „Originea speciilor” în 1859, evolutionismul s-a impus în orice domeniu, dar în secolul XX, pentru darwinisti a fost mai importantă transformarea teoriei lor într-o filosofie pe care nu s-au sfiit să o catalogheze drept o nouă religie.(De observat caracterul neștiințific… o simplă teorie… o filosofie)

În explicarea acestei teorii totul începe cu trecerea genelor de la un organism la urmașii lui și producerea trăsăturilor ereditare, care variază în cadrul populațiilor. Urmașii pot avea trăsături noi sau modificate și aceasta fie datorită mutațiilor genetice sau prin transferul de gene între populații și între specii.

Evoluția se produce când aceste diferențe ereditare devin tot mai comune sau tot mai rare într-o populație.

În continuare, evoluția este dirijată de doua mecanisme. Primul este selecția naturală, care face ca acele caractere ereditare mai avantajate în supraviețuire și reproducere să devină mai râspândite în cadrul unei populații. Al doilea este driftul genetic, proces independent care produce schimbări aleatorii ale trăsăturilor la o populație mică și în care joacă un rol important șansa sau hazardul.

Aceste diferențe sunt relativ mici de la o generație la alta, ele se acumulează în timp și produc adevărate schimbări la nivelul organismelor.

Oamenii de știinta și-au dat seama abia pe la mijlocul secolului 19 că speciile se modifică în timp, iar mecanismul a devenit cunoscut în 1859, când Charles Darwin a publicat ‘Originea speciilor’ și a explicat fenomenul evoluției prin intermediul conceptului de selecție naturală. Controversată înca de la început, ideea a fost acceptată de cea mai mare parte a lumii științifice.

Aceste „descoperiri științifice” aveau să distrugă credința în Dumnezeu pentru miliane de oameni. Orice explicare a neajunsurilor teorii era ușor repinsă prin credibiliatea pe care oamenii o acordau științei.

Combaterea științei de către știință:

În primul rând, orice referire la cea mai veche teorie evoluționistă, cea a generației spontane care a apărut din apă și nămol datorită unor combinații întâmplătoare, a fost anulată de genetica modernă.

După secole si chiar milenii de speculații, cercetatorii au demonstrat că aceasta este imposibilă pentru că cel mai rudimentar cod genetic necesar pentru supraviețuirea unei celule a fost stabilit ca având 256 de gene, iar probabilitatea producerii combinației necesare unei singure molecule este foarte mică, de 1 la 10 la puterea 87.

Apoi, teoria lui Darwin este respinsă de biogeneticienii care susțin că, în mod normal, genele sunt stabile, iar mutațiile sunt aproape toate nocive. Doar una din zece mii de mutații este benefică, așa că ar fi nevoie de milioane de mutații favorabile pentru a se produce diversificarea speciilor, susținută de evoluționiști.

„O altă problemă care se ridică între om și maimuță este cea a numărului de cromozomi. Așa cum am mai spus, acest număr, care este o caracteristică de specie, este întotdeauna întreg, iar la mamifere, care sunt animale cu reproducție sexuată, numărul cromozomilor este par. Determinările arată că toate speciile de maimuțe au 48 de cromozomi, în timp ce omul are numai 46. Prima observație care se impune este aceea că, datorită acestei discontinuități, nu putea avea loc o evoluție continuă de la maimuță la om, deoarece nu poate exista nici o specie de mamifer cu 46,5 cromozomi (sau alt număr neîntreg) și nici măcar cu 47 de cromozomi. Așadar nu are nici un rost să căutăm ipotetice verigi intermediare între om și maimuță.

Există și unii autori care, încercând să salveze ideea evoluționistă, susțin că transformarea maimuței în om s-ar fi făcut brusc, prin contopirea unor cromozomi ai maimuței. Ei “uită”, însă, un fapt pe care l-am expus în capitolul dedicat mutațiilor genetice, și anume că, la mamifere, nu este posibilă apariția unui individ viabil și fertil, care să prezinte o mutație atât de radicală. Am întâlnit chiar și autori evoluționiști care, în una și aceeași carte, atunci când vorbesc despre fosile susțin că transformarea maimuței în om s-ar fi petrecut lent, în milioane de ani, iar atunci când vorbesc despre cromozomi susțin că această transformare ar fi avut loc brusc.
Consider că nu merită să mai risipesc cerneala pentru a comenta o asemenea atitudine “științifică”.
Să presupunem totuși că, printr-o minune, o maimuță cu 48 de cromozomi ar fi dat naștere unui om cu 46 de cromozomi sau măcar unui semi-om cu 47 de cromozomi. Întrebarea care se pune este următoarea: cu cine s-ar fi putut acesta împerechea pentru a da naștere la urmași? Cu o maimuță în nici un caz, deoarece numărul diferit de cromozomi i-ar face incompatibili.
Rezultă așadar că ar fi necesară o nouă minune și anume ca aproximativ în același timp și în același loc să apară un alt individ de sex opus, care să prezinte exact aceeași mutație. Deja suntem nevoiți să împingem șirul minunilor cam departe!
Dar lucrurile nu se opresc aici: deoarece evoluționiștii susțin că toate speciile de viețuitoare ar fi evoluat unele din altele și dată fiind marea diversitate a lumii vii, ar trebui ca asemenea “minuni” să fie destul de frecvente. Numai că, în ciuda timpului destul de îndelungat de când se fac observații sistematice în acest domeniu, până acum nu s-a descoperit nici un caz de genul acesta. În aceste condiții credem că ar fi mai înțelept să renunțăm la teoria evoluționistă.”

Apariția mutațiilor

Mutațiile pot apărea datorită acțiunii asupra genomului a unor factori fizici, chimici sau biologici.

Mutațiile transmise de la părinți la copil poartă denumirea de mutații ereditare sau mutații germline, deoarece acestea sunt prezente în celulele germinale. Acest tip de mutație nu se poate trata. Ea va fi prezentă în fiecare celulă din organismul persoanei afectate.

Mutațiile care apar doar după fertilizare, sunt numite mutații noi. Mutațiile noi pot explica tulburările genetice în situația în care un copil are o mutație în fiecare celulă, însă nu are în familie alte cazuri de acest gen.

Mutațiile genetice dobândite sau somatice apar în ADN-ul celulelor individuale, într-un anumit moment al vieții unei persoane. Cauzele acestor modificări pot fi factorii de mediu (radiațiile ultraviolete ale soarelui) sau pot apărea în cazul în care apare o eroare în copiile ADN-ului, în timpul diviziunii celulare.

Mutațiile dobândite în celulele somatice nu pot fi transferate din generație în generație.

De asemenea, mutațiile pot să apară într-o singură celulă, într-un embrion timpuriu. Cum toate celulele se divid în timpul creșterii și dezvoltării, persoana va avea unele celule cu mutații și unele celule lipsite de modificări genetice. Acest tip de mutație poartă numele de mosaicism.

Modificările genetice care apar la mai mult de 1% din populația globului sunt intitulate polimorfisme. Acestea sunt responsabile pentru culoarea ochilor, culoarea părului și tipul de sânge, aspecte ce diferențiază persoanele între ele.

Întrucât multe polimorfisme nu au efecte negative asupra sănătății unei persoane, unele dintre aceste variații pot amplifica riscul de a dezvolta anumite afectiuni. Mutațiile genetice în sensul cel mai larg sunt modificări ce se produc la nivelul genelor, al cromozomilor sau al altor constituenți celulari purtători ai eredității, deci schimbări ale genotipului. După substratul pe care îl afectează, mutațiile, la rândul lor, pot fi împărțite în mutații genice, cromozomice, genomice sau plastidice.

Tipuri de variații și rolul lor în evoluție

Din punctul de vedere al semnificației lor în relațiile organismului cu mediul, ca și în procesul evoluției (deci ca fenomen individual), variațiile se pot împărți în două mari categorii:

variații care afectează structura genotipului și, din această cauză, se pot transmite la descendenți;

variații care afectează doar caracterele fenotipice, genotipul rămânând neschimbat; asemenea variații nu se pot transmite la descendenți.

Din prima categorie fac parte mutațiile, în sensul cel mai larg al acestei noțiuni, și recombinările genetice. Din a doua categorie fac parte modificațiile.

Mutațiile genetice

Acestea reprezintă singura categorie de mutații care afectează structura ADN și anume, în mod obișnuit, ele determină modificări în structura codului genetic. În funcție de modul cum se produce această modificare, mutațiile genice se produc prin: substituiri ale unei perechi de nucleotide prin alta, prin adiții (adăugiri) ale unei noi perechi de nucleotide sau prin deleții (pierderi) ale unei perechi de nucleotide. Substituirile se pot produce în două moduri diferite — prin tranziții și prin transversii. În cadrul tranzițiilor, o bază azotată este înlocuită cu o altă bază din aceeași categorie. De pildă, o bază purinică este înlocuită printr-o altă bază purinică, adică A↔G. Se înțelege că deoarece o bază purinică dintr-un lanț nucleotidic al ADN este legată de o anumită bază pirimidinică (complementară) din celălalt lanț, această înlocuire va atrage și înlocuirea bazei pirimidinice corespunzătoare din lanțul complementar. Deci, în exemplul dat, se va produce înlocuirea: A-T↔G-C. În cazul transversiilor, o bază purinică este înlocuită cu alta pirimidinică (sau invers) (cu înlocuirea deci și a bazei complementare). Deci se pot produce următoarele substituiri prin transversii A-T↔C-G; A-T↔T-A; G-C↔C-G; G-C↔T-A. Prin urmare, în ambele cazuri, în ultimă instanță o pereche de baze este înlocuită prin altă pereche ceea ce determină transformarea unui codon (a unui triplet) în altul, fapt care duce la modificări în sinteza lanțurilor polipeptidice. Înlocuirea codonilor poate avea diferite urmări, în funcție de semnificația codonului nou apărut în procesul de sinteză a proteinelor:

Atât codonul inițial cît și cel modificat determină plasarea, în lanțul polipeptidic, a aceluiași aminoacid. De exemplu, AGU și AGC determină locul serinei. Deci, în acest caz, tranziția de la o bază pirimidinică (U) la alta (C) reprezintă o mutație care însă nu schimbă structura proteinei, nu schimbă deci secvența aminoacizilor în lanțul polipeptidic.

Codonul inițial și cel modificat determină amplasarea unor aminoacizi diferiți. Deci, în acest caz, se va schimba secvența aminoacizilor, ducând la schimbarea proprietăților biochimice și fiziologice a proteinei date.

Codonul inițial, care determină amplasarea unui aminoacid, se transformă într-un codon de încheiere a lanțului polipcptidic, care semnifică sfîrșitul (capătul) lanțului polipeptidic și, deci, oprirea sintezei proteinei. După cum se știe, codul genetic determină nu numai secvența aminoacizilor într-un lanț polipeptidic, dar și lungimea lanțului. Codonii UAA, UAG, și UGA au semnificația de terminare a lanțului. Dacă printr-o substituire codonul inițial se transformă în unul din acești trei codoni, sinteza lanțului proteic se oprește la el; deci se produce doar o porțiune din molecula proteică. Asemenea mutații poartă numele de „nonsens".

Delețiile (pierderile), ca și adițiile (adăugirile) unei perechi de baze, schimbă complet secvența aminoacizilor, deci structura proteinei, deoarece modifică citirea codonilor pornind de la punctul în care s-a produs mutația. De pildă, o succesiune inițială a codonilor poate fi: ATG, ACG, AGT, GCC, ATC… Dacă din primul codon se pierde T, atunci secvența devine AGA, CGA, GTG, CCA, TC,. .. deci modificată complet. Deoarece substanțele proteice pot avea rol enzimatic sau unul structural, o asemenea mutație va putea afecta fie activitatea enzimatică, deci desfășurarea unor anumite căi metabolice cu consecințele ce decurg din ele, fie direct structurile. Experiențe pe Drosophila, de pildă, au arătat că mutațiile genice pot afecta cele mai diferite caractere morfologice (dimensiuni, culori, chetotaxia, forma organelor etc), fiziologice, de dezvoltare, de rezistență la diferiți factori etc. Mutațiile genice reprezintă cea mai importantă sursă de noi caractere. Efectul lor genetic constă, de fapt, în adăugarea de noi alele (noi expresii) ale unui locus și, deci, îmbogățirea patrimoniului ereditar al indivizilor și populațiilor.

Mutații cromozomice

Acestea nu afectează, în mod obișnuit, structura genelor ci mai ales legăturile dintre ele. Sunt restructurări ale cromozomilor în urma cărora grupuri întregi, mai mari sau mai mici de gene, sunt mutate de pe un cromozom pe altul. Deci ceea ce se modifică este mai ales poziția reciprocă și interacțiunea genelor. După mecanismul lor de producere, mutațiile cromozomice pot fi de mai multe categorii. Delețiile constau în pierderea unui locus sau a mai multora de pe un cromozom. De cele mai multe ori rezultatul unui asemenea fenomen (pierderea unui fragment de cromozom) este letal pentru organismul respectiv. Uneori însă funcțiile respective pot fi compensate de alte gene sau pot să nu aibă efecte letale în cazul când au devenit inutile ca urmare a schimbării unor condiții. De pildă trecerea la modul de hrană saprofit sau parazit înlătură necesitatea unei serii întregi de enzime. Inversiunile constau în inversiunea, cu 180°, a unui segment de cromozom. Se poate produce prin ruperea cromozomului în două locuri, după care segmentul dintre rupturi se realipește la cromozom dar în poziție inversată. În acest fel se inversează, pe segmentul respectiv, ordinea genelor. Acest fenomen se produce mai ales în profaza fie a mitozei, fie a meiozei, când cromozomii lungi și subțiri se mișcă activ în nucleu. În mod normal, când se produce împerecherea cromozomilor, genele omoloage se alătură în mod exact. Când se produce inversiunea, la împerecherea cromozomului cu inversiune cu un cromozom normal, se formează o buclă, pentru a permite alăturarea genelor omoloage. în cazul cînd un organism este heterozigot pentru o inversiune, genele segmentului inversat apar atît de strîns legate între ele încît nu sunt afectate de crossing over și se transmit în bloc și, deci, nu mai pot produce recombinări genetice. În felul acesta, inversiunea poate deveni un mijloc bun de păstrare a unei anumite combinații a genelor, care se dovedește deosebit de avantajoasă selectiv. Într-adevăr, asemenea fenomene au fost constatate la diferite populații a unor specii de Drosophila. Duplicațiile sunt restructurări care afectează o pereche de cromozomi omologi: între ei se produce un schimb de segmente inegale, astfel că în timp ce pe un cromozom apare o deficiență a unuia sau mai multor loci, pe celălalt cromozom acești loci apar dublați. Uneori asemenea schimbări nu dau efecte fenotipice vizibile, alteori determină modificări de diferite naturi. Translocațiile constau în schimbări de segmente între doi cromozomi neomologi. Translocația poate fi reciprocă (schimb reciproc de segmente între cromozomi) sau simplă (un segment de pe un cromozom se transferă pe alt cromozom). Și în cazul translocațiilor, ca și în cel al inversiunilor, la organismele heterozigote, în ceea ce privește translocația, meioza este alterată din cauza dificultăților în împerecherea cromozomilor omologi. Aceasta poate produce anomalii. La om unele cazuri de mongolism se datoresc fenomenului translocatiei.

Mutații genomice

Acestea constau în modificarea numărului cromozomilor, deci a garniturii cromozomice, prin modificarea numărului unuia, câtorva sau a tuturor cromozomilor. Aceste modificări reprezintă fenomene reunite sub numele de poliploidie. Diferite forme de poliploidie rezultă din anomalii în diviziunile celulelor germinale sau somatice și se pot datora celor mai diferite cauze ca, de pildă, fuziunea de nuclei, diferite traumatisme, parazitism, substanțe chimice, înțepături ale unor insecte, altoiri etc. Fenomenul este larg răspîndit la plante, dar mult mai rar la animale. În mod obișnuit, majoritatea plantelor și animalelor sunt diploide, adică au o garnitură dublă de cromozomi în fiecare celulă. În unele cazuri, de pildă la unele insecte ce se înmulțesc partenogenetic (deci prin ovule nefecundate), celulele primesc numai o garnitură simplă de cromozomi. Acestea sînt organisme haploide iar garnitura lor cromozomică este monoploidă. Monoploidia o întâlnim, de pildă, la trântorii (masculii) din familiile de albine. Ei provin din ovule nefecundate. Fenomene de monoploidie se întâlnesc și la plante cultivate (porumb, tutun, roșii) sau spontane (Datura). În cazuri de aneuploidie, numai un cromozom apare multiplicat de 3, 4 ori. În cazuri tipice de poliploidie, garnitura cromozomică apare multiplicată de 3, 4, 5 … n ori. După proveniența cromozomilor putem distinge organisme autopoliploide și allopoliploide. Autopoliploizi sunt indivizii poliploizi la care toți cromozomii provin de la aceeași specie. Se datoresc diferitelor anomalii ale mitozei sau meiozei. În urma unor mitoze anormale pot apărea celule tetraploide. În urma meiozelor anormale pot apărea gameți diploizi care, unindu-se cu un gamet monoploid, dau organisme triploide. La aceste organisme fiecare fel de cromozom este reprezentat prin trei cromozomi omologi care nu se pot alătura în mod normal. În unele cazuri unul din cei trei cromozomi rămâne desperecheat (univalent) iar doi se împerechează normal (bivalenți); în alte cazuri se formează grupuri din trei cromozomi însă alăturați anormal (trivalenți). În orice caz gameții unor asemenea organisme, în urma meiozelor anormale, au și garnituri cromozomice anormale, ceea ce face ca organismele triploide de cele mai multe ori să fie sterile. Nici la organismele tetraploide meioza nu decurge normal, ceea ce face ca și ele adesea să fie afectate de un înalt grad de sterilitate. Autopoliploidia se întâlnește mai frecvent la unele plante cultivate. Puține cazuri se cunosc la plante spontane. Allopoliploizi sunt indivizi poliploizi la care cromozomii provin de la specii diferite. Fenomenul se întâlnește frecvent la unele grupe de plante, la care speciile se pot încrucișa uneori între ele (sălcii, stejari, graminee, plante din genurile Roșa, Prunus, Oenothera etc). Organisme hibride, astfel obținute, sunt în general sterile din cauza anomaliilor meiozei: cromozomii de la o specie nu-și găsesc omologii de la altă specie, se fac împerecheri anormale sau repartiții aberante de cromozomi. Anularea sterilității și, deci, restabilirea fertilității se poate produce prin dublarea garniturii cromozomice astfel încît celulele să cuprindă cîte o garnitură diploidă de la fiecare specie parentală (amfidiploizi). La asemenea indivizi împerecherile cromozomilor se pot produce normal și ei devin fertili. Dublarea garniturii se poate obține pe cale artificială sau se poate produce și pe cale naturală. Experimental ea a fost obținută la plante și chiar la animale. Exemplu clasic de plante amfidiploide este cel obținut de Karpecenko (1928) prin hibridizarea verzei cu ridichea. Brassica oleracea are 2n=18 iar Raphanus sativus, de asemenea, 2n=18. Hibridul obținut conține tot 18 cromozomi, dar cîte 9 de la fiecare specie parentală. Este steril. Dublând numărul cromozomilor se obțin plante cu 2n=36 cromozomi, cîte 18 de la fiecare specie parentală (amfidiploizi) care sunt fertili. Datorită Stabilității și deosebirii multilaterale față de speciile parentale acești amfidiploizi au fost considerați ca fiind un gen nou — Raphanobrassica. Numeroși amfidiploizi se cunosc la plante spontane. La animale, în mod experimental, au fost obținuți amfidiploizi la fluturele de mătase de către Astaurov (1965), prin îmbinarea partenogenezei artificiale cu hibridizarea între două specii diferite. Mai întâi, prin partenogeneză artificială au fost obținuți tetraploizi din ouă cu numărul de cromozomi neredus, provenit din diviziunea cromozomilor neînsoțită de diviziune celulară. Apoi femelele tetraploide de Bombyx mori au fost încrucișate cu masculi diploizi de Bombyx mandarina obținându-se hibrizi triploizi, conținînd o dublă garnitură de la prima specie și o garnitură simplă de la cea din urmă. Provocând partenogeneză acestor hibrizi s-au obținut forme hexaploide. Prin fecundarea ovulelor triploide a acestei forme, cu spermatozoizi haploizi de la B. mandarina, s-au obținut amfidiploizi, cuprinzând câte o garnitură diploidă de la fiecare din cele două specii. Fenomenul de poliploidie are mare importanță atât din punct de vedere practic cât și științific. Plantele autopoliploide cultivate au masa vegetativă mai mare, dau producții mai mari, ca de altfel și mulți allopoliploizi. Adesea aceste plante sunt mai rezistente la boli sau la condițiile climatice. Poliploidia are un rol important în evoluția plantelor. Vigoarea și rezistența poliploizilor explică răspândirea lor în regiuni cu condiții severe de climă. De pildă, în insulele Spitzbergen din Oceanul Înghețat de Nord 80% din angiosperme sunt poliploide, în Pamir 85% din graminee sunt poliploide, în Altai 65%. Unele plante, cu răspândire localizată, devenind poliploide capătă o răspândire mult mai largă ca, de pildă, Solanum nigrum, Fumăria ojficinalis, Capsella bursa pastoris etc. Nu trebuie însă să credem că absolut în toate cazurile poliploidia are asemenea efecte favorabile. Uneori poliploidul nu diferă de diploid. De pildă, la Silene ciliata (2n=24) se cunosc forme tetraploide (2n = 48), octo-ploide (2n=96), 16-ploide (2n=192) care nu diferă de specia diploidă; la fel la cruciferul Cardamine pratensis. La Phleum pratense alpinum forma tetraploidă (2n=28) nu diferă morfologic de diploid (2n=14) și adesea este mai puțin viguroasă. Campanula rotundijolia — forma diploidă (2n = 34) este arctică, pe când forma tetraploidă (2n=48) este subarctică și central europeană. La plante adesea se produce poliploidia somatică-constând în multiplicarea garniturii cromozomice din celulele somatice. Prin urmare, apar unele părți ale plantei cu structuri poliploide. Prin înmulțire vegetativă din aceste părți se pot obține plante întregi poliploide. În regnul animal, după cum s-a mai arătat, poliploidia, deși există, este mult mai puțin răspândită și nu are un rol esențial în evoluția animalelor. În stare naturală poliploidia se cunoaște la protozoare, viermi (unele oligochete), unele insecte (de pildă, coleoptere curculionide), amfibieni (de pildă, la Triton viridescens se întâlnesc populații în S.U.A. cu 1,8% indivizi triploizi, 0,28% pentaploizi). Dificultatea apariției poliploizilor la animale provine de la mecanismul cromozomial al determinării sexului. Într-adevăr, o femelă normală are o garnitură dublă de autosomi (2A) și doi cromozomi x, deci are formula cromozomică 2A+2x, iar masculul 2A+lx. Dacă se obține un tetraploid, el va fi respectiv 4A+4x pentru femelă și 4A+2x pentru mascul. Gameții (cu garnitura redusă la jumătate) vor fi 2A+2x (ovule) și 2A+lx (spermatozoizi), iar prin fecundație, zigotul va fi 4A+3x, deci cu echilibrul dintre autosomi și cromozomii sexuali deranjat, anormal, ceea ce duce la apariția unor descendenți intersexuați și sterili. De aceea, poliploidia la animale devine posibilă doar la formele hermafrodite cu auto-fecundație (ceea ce este destul de rar), sau la formele partenogenetice. Fenomene foarte complexe de poliploidie se cunosc la protozoare. La unii radiolari (ordinul Pheodaria) poliploidia ajunge și chiar depășește 1000 n. Legat de aceasta se produc însemnate și complexe schimbări în desfășurarea mitozelor. La infuzori, unde există doi nuclei — un macronucleu și un micronucleu — în timp ce micronucleul poate fi tetra- sau hexaploid, macronucleul poate realiza poliploidia de 5 000 n (Bursaria truncatella) sau chiar 12 000 n (Ichtyophthirius multijiliis). Gradul minim de poliploidie, întîlnit la infuzori de talie mică, este de 16 n. Important este faptul că gradul de poliploidie nu este corelat cu poziția sistematică a acestor animale.

Mutații extranucleare

În prezent este demonstrată prezența ADN și ARN și în alți constituenți celulari în afara cromozomilor. Astfel, plastidele din celula vegetală (cloroplaste — când conțin clorofilă, leucoplaste — când sunt lipsite de acest pigment), mitocondriile, kinetosomii conțin atât ARN cât și ADN. Se cunoaște, de asemenea, că cel puțin organitele amintite au capacitatea de autoreproducere prin diviziune. Este, deci, firesc să ne așteptăm ca ele să fie capabile să se și modifice prin modificarea (mutații) acizilor nucleici proprii. Cercetările făcute pe o serie de specii au arătat că într-adevăr se pot produce asemenea modificări care devin ereditare. Iată câteva fapte: la multe plante se cunosc forme ce au frunze pătate (unele porțiuni sunt verzi, adică celulele lor conțin cloroplaste, alte porțiuni albe-gălbui și celulele lor conțin doar leucoplaste). Cercetări efectuate la Pelargonium zonale au arătat că fenomenul amintit este determinat de o mutație plastidică datorită căreia cloroplastele respective pierd capacitatea de a forma clorofila. S-a dovedit, de asemenea, că acest caracter se transmite mai ales pe linia maternă pentru că plastidele se transmit la generația următoare direct prin sacul embrionar. Din cauza dimensiunilor mari ale plastidelor, ele rareori pot trece prin tubul polinic și, din această cauză, caracterul respectiv rareori se poate transmite și pe linia paternă. Studiul formelor cu frunze pătate de la porumb a scos la iveală și unele relații ale acestor mutații plastidice cu aparatul genetic nuclear. La porumb s-a putut demonstra existența unor gene nucleare (pe cromozomi), care controlează sinteza clorofilei. Mutații ale acestor gene pot duce la pierderea capacității de sinteză a clorofilei ceea ce duce la apariția unor plante lipsite de clorofilă (indivizi albinoși), care mor odată cu epuizarea rezervelor nutritive din sămânță, fiind incapabile de fotosinteză. La plantele cu frutize pătate însă, capacitatea de sinteză a clorofilei este pierdută doar de către unele celule și aceasta datorită mutației plastidice. Prin urmare, sinteza clorofilei din plastide este controlată atât de gene nucleare cât și de aparatul genetic propriu al plastidelor. S-a putut apoi constata, la porumb și la menta Nepeta, că mutația plastidică poate fi indusă de către gena nucleară. La drojdia de bere, la Neurospora și la alte microorganisme au fost descrise mutații care apar, indiscutabil, la nivelul mitocondriilor. Astfel, la drojdia de bere, a fost obținută (pe agar) o mutantă cu insuficiențe respiratorii, caracterizată prin dimensiuni foarte reduse în comparație cu coloniile normale. Din această cauză, mutanta a fost denumită „petite". O serie întreagă de fermenți necesari în metabolismul energetic, printre care citocromoxidaza și succindehidrogenaza, sunt inactivați la această mutantă, încrucișarea mutantei „petite" cu drojdia normală nu duce la transmiterea ereditară a dimensiunilor reduse (caracter fenotipic). Aceasta arată că aparatul nuclear este normal. Mutația respectivă este legată de mitocrondrii unde sunt localizați fermenții respectivi. Studiul acestor organite la mutanta „petite" nu a scos la iveală vreo deosebire morfologică față de drojdia normală. Deoarece se știe că o parte din fermenții mitocondriali sunt controlați de sistemul genetic nuclear, se poate conchide că aparatul fermentativ al mitocondriilor este supus atât controlului genelor din cromozomi cât și al unor gene extracromozomiale. Nu s-a demonstrat până în prezent că aceste gene sunt localizate în mitocondrii. Kinetosomii sau corpusculii bazali, situați câte unul la baza fiecărui flagel și care sunt răspunzători de mișcările flagelilor, conțin, după cum s-a mai spus, atât ARN cât și ADN. Numeroase date pledează în favoarea ideii că aceste organite sunt omologate cu centriolii (sau centrosomii). Kinetosomii sunt capabili de autoreproducere iar diferitele caractere ale lor par a fi independente de sistemul genetic nuclear. S-a constatat astfel că diferitele modificări ale kinetosomilor se transmit prin înmulțirea agamă a celulelor iar procesul sexual al infuzorilor, la care s-au făcut observațiile, nu determină modificări ale kinetomului (totalitatea kinetosomilor). Mai mult, înlocuirea macronucleului indivizilor cu kinetosomi modificați, prin macronucleul indivizilor normali, nu are consecințe asupra kinetomului.

Mutatii genetice

Genele, ca si cromozomii, sunt de obicei constante; totusi de mult s-a constatat ca apar, din cand in cand, la diferitele organisme, variatii bruste, mai mult sau mai putin evidente. Aceste variatii, denumite mutatii, se datoreaza fie schimbarii unei singure gene, fie schimbarii cromozomilor intregi sau a unor segmente ale acestora. Unele dintre aceste schimbari bruste, devenite imediat ereditare la urmasii directi, s-au observat inca de multa vreme. Din exemplele mai vechi de mutatii merita a fi citate urmatoarele:
a) Oile pitice de Ancona. In 1791 a aparut la ferma lui Seth Wright din Massachussetts in Statele Unite un berbec remarcabil prin trupul lung si picioarele scurte. Deoarece oile din rasa comuna, neameliorata sareau adesea tarcurile lor, pricinuind din aceasta cauza certuri intre vecini, crescatorul Wright a folosit aceasta mutatie in incrucisarile cu rasa comuna si a reusit sa creeze o noua rasa de oi pitice denumite de Ancona, care a fost folositoare din punct de vedere practic, pana cand a devenit de prisos prin introducerea in regiune a blandei oi din rasa Merinos. Mai tarziu aceeasi mutatie a aparut din nou, fiind descoperita de Wriedt in Norvegia.
b) Chelidonium laciniatum, planta cu foile adanc penate, aparuta dintr-o data din Chelidonium majus in anul 1590 in culturile farmacistului Sprenger din Heidelberg; forma noua s-a dovedit constanta si se gaseste azi reprezentata in toate gradinile botanice.
c) Graul Squarehead. Intr-un lan de grau din Anglia a fost observata o planta de grau cu spicul mare si de o forma foarte ciudata; in timp ce spicele celelalte se subtiau catre varf, spicele acestei plante erau foarte dese la varf si de forma aproape patratica; inmultita si urmarita separat planta aceasta a dat nastere soiului Squarehead, care s-a dovedit ca foarte productiv si s-a raspandit in tot vestul Europei.
d) Datura inermis (ciumafaia fara spini) gasita de Gordon in anul 1871 si aparuta ca mutatie din Datura stramonium. Cele mai multe mutatii s-au intalnit, insa, la plantele ornamentale; ele au fost de asemenea observate in numar mare la pomi fructiferi, vita de vie, legume precum si la arbori. Astfel Korschinski (1900) citeaza cazuri de aparitia varietatii "pendula" la numeroase specii de arbori ca de exemplu: Sophora japonica, Gleditschia triacanthos, Prunus Mahaleb, Prunus padus, Quercus sessiliflora, Larix europca, Fraxinus excelsior.. Mutatii au fost observate de-a lungul secolelor, inca din antichitate si anumite animale domestice, la caini si porumbei mai adesea, mai rar la bovine, ovine si porcine, cele mai putine intalnindu-se la cai. Prezenta numeroaselor rase de animale domestice este o dovada certa a inaltei frecvente a mutatiilor.
Darwin a descris multe din aceste cazuri, mentionand, de asemenea, si numeroasele mutatii in ceea ce priveste culorile penajului aparute la canari si pasari domestice, precum si atragatoarele schimbari observate la pestii aurii, in privinta culorii.
Multe mutatii, majoritatea monstruozitati, au fost semnalate de diferiti autori si la oameni: citam aici, de exemplu, polidactilia (prezenta de degete suplimentare) si sindactilia (contopirea degetelor), lipsa falangelor, frecventa si lungimea parului de pe
corp, piticism, nas si barbie spintecata. Dar si la animalele salbatice au fost observate mutatii, ca de exemplu randunici albe, cerbi cu un singur corn etc…
Nu se cunosc pana acum cauzele care au provocat si continua sa provoace aparitia mutatiilor in natura; multi cercetatori insa s-au straduit sa gaseasca mijloace de producere artificiala a lor. Astfel, in anul 1927 Muller a reusit sa provoace artificial, la Drosophila, aparitia de mutatii si anume prin actiunea razelor Roentgen. Prin iradiatii rata mutatiilor s-a ridicat la Drosophila de la 0,2% (spontan) la peste 13%. El a introdus astfel in genetica o noua metoda de lucru, inceputul unei noi ramuri a geneticii, denumita radiogenetica.
Actiunea provocatoare de mutatii a razelor Roentgen a fost confirmata scurt timp dupa aceea de Gager si Blakeslee la Datura si de Stadler (1928) la porumb. La catva timp dupa executarea acestor experiente, s-a reusit sa se provoace mutatii si prin lumina ultravioleta precum si prin alte iradieri ionizate decat razele Roentgen, si anume cu raze , neutroni etc. precum si prin temperatura. Dintre factorii mutageni fizici, cea mai mare eficienta o au radiatiile ionozate (radiatii corpusculare – electroni, protoni, neutroni, deutroni, particule alfa – cat si radiatii electromagnetice de mare energie – radiatii gamma si Roentgen). Razele gamma se intalnesc in natura: ele sunt analoage rezelor X, dar mult mai patrunzatoare si de lungime de unda mai mica, avand o actiune fiziologica puternica. Iradierile s-au dovedit ca exercita doua feluri de actiuni si anume:
– o actiune primara fizica, directa asupra genei, razele schimband sau distrugand o parte din materialul genetic.
– o actiune secundara, radiochimica, indirecta, prin transformarea apei in peroxizi de hidrogen, care la randul lor actioneaza asupra materialului genetic.
Expunerea la raze X si la alte forme de particule de inalta energie poate
provoca atat aparitia de mutatii complet analoage mutatiilor genice, ce se obtin in natura, cat si de mutatii structural-cromozomale; acestea din urma sunt datorate fie inhibarii diviziunii celulei, fie ruperii cromozomilor, fapt ce cauzeaza rearanjamente ale cromozomilor si anomalii la mitoza si meioza.
Factorii care influenteaza cel mai mult numarul de mutatii aparute prin actiunea radiatiilor sunt urmatorii:
– Doza de iradiere. Numarul mutatiilor creste, in general, proportional cu doza radiatiei aplicate; in schimb durata iradiarii are importanta redusa; astfel intr-o experienta cu Drosophila iradierea cu o doza totala de 2000 roentgeni a dat acelasi numar de mutatii intr-un minut ca si la 20 de minute. Totusi in unele experiente fractionarea a produs efecte mutagane mai slabe decat aceeasi doza aplicata o singura data.
– Tipul radiatiei, neutronii avand in comparatie cu radiatia gamma o eficienta de cinci ori mai mare, iar neutronii rapizi, de 10-20 ori mai mare; la unele plante ei o pot depasii chiar de 100 de ori.
– Specia, respectiv varietatea iradiata. Plantele care poseda un numar mic de cromozomi, sunt mai radiosensibile in timp ce plantele cu un numar mare de cromozomi sunt mai radiorezistente. Cercetarile au aratat ca exista "o inclinare naturala" a unor specii, varietati si soiuri de a produce mutatii induse mai mult decat altele; spectrul mutatiilor depinde, asadar, de constitutia genetica a biotipului, respectiv speciei iradiate. Astfel, s-a determinat ca spectrele mutatiilor clorofiliene sunt marcant diferite la speciile de grau diploide, tetraploide si hexaploide (MacKey 1967). – Lungimea diferita a genelor, genele mai lungi oferind tinte mai mari de atac din partea agentilor mutageni. – Viteza diviziunii celulare si marimer nucleului, iradierea fiind mai eficienta in timpul meiozei, din cauza incetinirii ciclului si maririi volumului nucleului.
– Continutul de apa al tesuturilor iradiate, rata mutatiilor fiind mult mai mare, de exemplu la semintele umectate decat la cele uscate, ceea ce demonstreaza rolul apei in actiunea mutagena indirecta. – Temperatura, temperaturile inalte reducand, la actiunea razelor X, frecventa mutatiilor genice letale si a translocatiilor. – Continutul de oxigen, o concentratie mare de oxigen marind semnificativ numarul mutatiilor si aberatiilor cromozomiale. Din practica inducerii mutatiilor si aberatiilor cromozomale a rezultat un fapt deosebit de important si anume ca unul si acelasi caracter este influentat de mutatii aparute in numerosi loci; astfel la orz, caracterul eceriferum este influentat de macromutatii aparute in peste 100 de loci (Lundqvist 1967).
Merita sa fie relevat un efect important al radiatiilor asupra celulei si anume inhibitia mitozei. Astfel, unele celule ca cele umane, care-si parcurg in conditii obisnuite intregul ciclu de diviziune celulara in 18-20 ore, isi prelungesc, prin iradiere cu 26-90 roentgeni, aceasta durata pana la 65 ore. Perturbarea mecanismului diviziunii se manifesta uneori si in modificarea numarului de cromozomi. Succese in obtinerea de mutatii prin tratarea cu raze s-au obtinut la foarte multe organisme (Drosophila, soareci, porumb, orz, tomate, etc.). Majoritatea mutatiilor induse artificial sunt asemanatoare celor aparute spontan, fapt constatat de Scholz (1959) la orz, de Stubbe (1957) la tomate, plante la care s-a putut reconstitui intreaga gama de variatii existente in natura.
Dintre radiatiile neionozate, razele ultraviolete (U.V.) sunt singurele capabile sa produca mai multe mutatii decat cele ce apar spontan. Din rezultatele obtinute prin tratarea cu U.V. s-a conchis ca: a) se obtin numai rareori schimbari structurale mari ale cromozomilor; b) cel mai mare efect mutagen se obtine la razele cu lungimea de unda de maxima absortie a U.V. de catre acizii nucleici; de aici s-a tras concluzia ca actiunea mutagenica a U.V. este datorita absortiei radiatiei de catre ADN din cromozomi (Williams 1964).
Mutatiile sunt mult folosite in studiile genetice. Prin studiu mutatiilor spontane sau induse s-a putut afla mai mult despre structura intima a genei, despre mecanismele ereditatii si varabilitatii.
Multe din mutatiile aparute la plantele cultivate si la animale au reprezentat progrese reale in anumite conditii de mediu sau pentru anumite cerinte. Au aparut mutante din care s-au dezvoltat soiuri si rase valoroase; astfel multe soiuri la plantele agricole si pomi isi datoreaza aparitia descoperirii mutatiilor. Citam de exemplu strugurii fara sambure, piersicile de mari dimensiuni, capsunile fin aromate, animalele producatoare de blanuri deosebit de variate si atragatoare.
O perspectiva larga pentru aparita de mutatii valoroase se deschide prin metoda inducerii mutatiilor; un exemplu stralucit il constituie cresterea considerabila a productiei de penicilina la ciuperca Penicillium datorita obtinerii de variante mai productive aparute ca mutatii induse prin iradierea a milioane de spori.

Genele, ca si cromozomii, sunt de obicei constante; totusi de mult s-a constatat ca apar, din cand in cand, la diferitele organisme, variatii bruste, mai mult sau mai putin evidente. Aceste variatii, denumite mutatii, se datoreaza fie schimbarii unei singure gene, fie schimbarii cromozomilor intregi sau a unor segmente ale acestora. Unele dintre aceste schimbari bruste, devenite imediat ereditare la urmasii directi, s-au observat inca de multa vreme. Din exemplele mai vechi de mutatii merita a fi citate urmatoarele:
a) Oile pitice de Ancona. In 1791 a aparut la ferma lui Seth Wright din Massachussetts in Statele Unite un berbec remarcabil prin trupul lung si picioarele scurte. Deoarece oile din rasa comuna, neameliorata sareau adesea tarcurile lor, pricinuind din aceasta cauza certuri intre vecini, crescatorul Wright a folosit aceasta mutatie in incrucisarile cu rasa comuna si a reusit sa creeze o noua rasa de oi pitice denumite de Ancona, care a fost folositoare din punct de vedere practic, pana cand a devenit de prisos prin introducerea in regiune a blandei oi din rasa Merinos. Mai tarziu aceeasi mutatie a aparut din nou, fiind descoperita de Wriedt in Norvegia.
b) Chelidonium laciniatum, planta cu foile adanc penate, aparuta dintr-o data din Chelidonium majus in anul 1590 in culturile farmacistului Sprenger din Heidelberg; forma noua s-a dovedit constanta si se gaseste azi reprezentata in toate gradinile botanice.
c) Graul Squarehead. Intr-un lan de grau din Anglia a fost observata o planta de grau cu spicul mare si de o forma foarte ciudata; in timp ce spicele celelalte se subtiau catre varf, spicele acestei plante erau foarte dese la varf si de forma aproape patratica; inmultita si urmarita separat planta aceasta a dat nastere soiului Squarehead, care s-a dovedit ca foarte productiv si s-a raspandit in tot vestul Europei.
d) Datura inermis (ciumafaia fara spini) gasita de Gordon in anul 1871 si aparuta ca mutatie din Datura stramonium. Cele mai multe mutatii s-au intalnit, insa, la plantele ornamentale; ele au fost de asemenea observate in numar mare la pomi fructiferi, vita de vie, legume precum si la arbori. Astfel Korschinski (1900) citeaza cazuri de aparitia varietatii "pendula" la numeroase specii de arbori ca de exemplu: Sophora japonica, Gleditschia triacanthos, Prunus Mahaleb, Prunus padus, Quercus sessiliflora, Larix europca, Fraxinus excelsior.. Mutatii au fost observate de-a lungul secolelor, inca din antichitate si anumite animale domestice, la caini si porumbei mai adesea, mai rar la bovine, ovine si porcine, cele mai putine intalnindu-se la cai. Prezenta numeroaselor rase de animale domestice este o dovada certa a inaltei frecvente a mutatiilor.
Darwin a descris multe din aceste cazuri, mentionand, de asemenea, si numeroasele mutatii in ceea ce priveste culorile penajului aparute la canari si pasari domestice, precum si atragatoarele schimbari observate la pestii aurii, in privinta culorii.
Multe mutatii, majoritatea monstruozitati, au fost semnalate de diferiti autori si la oameni: citam aici, de exemplu, polidactilia (prezenta de degete suplimentare) si sindactilia (contopirea degetelor), lipsa falangelor, frecventa si lungimea parului de pe
corp, piticism, nas si barbie spintecata. Dar si la animalele salbatice au fost observate mutatii, ca de exemplu randunici albe, cerbi cu un singur corn etc…
Nu se cunosc pana acum cauzele care au provocat si continua sa provoace aparitia mutatiilor in natura; multi cercetatori insa s-au straduit sa gaseasca mijloace de producere artificiala a lor. Astfel, in anul 1927 Muller a reusit sa provoace artificial, la Drosophila, aparitia de mutatii si anume prin actiunea razelor Roentgen. Prin iradiatii rata mutatiilor s-a ridicat la Drosophila de la 0,2% (spontan) la peste 13%. El a introdus astfel in genetica o noua metoda de lucru, inceputul unei noi ramuri a geneticii, denumita radiogenetica.
Actiunea provocatoare de mutatii a razelor Roentgen a fost confirmata scurt timp dupa aceea de Gager si Blakeslee la Datura si de Stadler (1928) la porumb. La catva timp dupa executarea acestor experiente, s-a reusit sa se provoace mutatii si prin lumina ultravioleta precum si prin alte iradieri ionizate decat razele Roentgen, si anume cu raze , neutroni etc. precum si prin temperatura. Dintre factorii mutageni fizici, cea mai mare eficienta o au radiatiile ionozate (radiatii corpusculare – electroni, protoni, neutroni, deutroni, particule alfa – cat si radiatii electromagnetice de mare energie – radiatii gamma si Roentgen). Razele gamma se intalnesc in natura: ele sunt analoage rezelor X, dar mult mai patrunzatoare si de lungime de unda mai mica, avand o actiune fiziologica puternica. Iradierile s-au dovedit ca exercita doua feluri de actiuni si anume:
– o actiune primara fizica, directa asupra genei, razele schimband sau distrugand o parte din materialul genetic.
– o actiune secundara, radiochimica, indirecta, prin transformarea apei in peroxizi de hidrogen, care la randul lor actioneaza asupra materialului genetic.
Expunerea la raze X si la alte forme de particule de inalta energie poate
provoca atat aparitia de mutatii complet analoage mutatiilor genice, ce se obtin in natura, cat si de mutatii structural-cromozomale; acestea din urma sunt datorate fie inhibarii diviziunii celulei, fie ruperii cromozomilor, fapt ce cauzeaza rearanjamente ale cromozomilor si anomalii la mitoza si meioza.
Factorii care influenteaza cel mai mult numarul de mutatii aparute prin actiunea radiatiilor sunt urmatorii:
– Doza de iradiere. Numarul mutatiilor creste, in general, proportional cu doza radiatiei aplicate; in schimb durata iradiarii are importanta redusa; astfel intr-o experienta cu Drosophila iradierea cu o doza totala de 2000 roentgeni a dat acelasi numar de mutatii intr-un minut ca si la 20 de minute. Totusi in unele experiente fractionarea a produs efecte mutagane mai slabe decat aceeasi doza aplicata o singura data.
– Tipul radiatiei, neutronii avand in comparatie cu radiatia gamma o eficienta de cinci ori mai mare, iar neutronii rapizi, de 10-20 ori mai mare; la unele plante ei o pot depasii chiar de 100 de ori.
– Specia, respectiv varietatea iradiata. Plantele care poseda un numar mic de cromozomi, sunt mai radiosensibile in timp ce plantele cu un numar mare de cromozomi sunt mai radiorezistente. Cercetarile au aratat ca exista "o inclinare naturala" a unor specii, varietati si soiuri de a produce mutatii induse mai mult decat altele; spectrul mutatiilor depinde, asadar, de constitutia genetica a biotipului, respectiv speciei iradiate. Astfel, s-a determinat ca spectrele mutatiilor clorofiliene sunt marcant diferite la speciile de grau diploide, tetraploide si hexaploide (MacKey 1967). – Lungimea diferita a genelor, genele mai lungi oferind tinte mai mari de atac din partea agentilor mutageni. – Viteza diviziunii celulare si marimer nucleului, iradierea fiind mai eficienta in timpul meiozei, din cauza incetinirii ciclului si maririi volumului nucleului.
– Continutul de apa al tesuturilor iradiate, rata mutatiilor fiind mult mai mare, de exemplu la semintele umectate decat la cele uscate, ceea ce demonstreaza rolul apei in actiunea mutagena indirecta. – Temperatura, temperaturile inalte reducand, la actiunea razelor X, frecventa mutatiilor genice letale si a translocatiilor. – Continutul de oxigen, o concentratie mare de oxigen marind semnificativ numarul mutatiilor si aberatiilor cromozomiale. Din practica inducerii mutatiilor si aberatiilor cromozomale a rezultat un fapt deosebit de important si anume ca unul si acelasi caracter este influentat de mutatii aparute in numerosi loci; astfel la orz, caracterul eceriferum este influentat de macromutatii aparute in peste 100 de loci (Lundqvist 1967).
Merita sa fie relevat un efect important al radiatiilor asupra celulei si anume inhibitia mitozei. Astfel, unele celule ca cele umane, care-si parcurg in conditii obisnuite intregul ciclu de diviziune celulara in 18-20 ore, isi prelungesc, prin iradiere cu 26-90 roentgeni, aceasta durata pana la 65 ore. Perturbarea mecanismului diviziunii se manifesta uneori si in modificarea numarului de cromozomi. Succese in obtinerea de mutatii prin tratarea cu raze s-au obtinut la foarte multe organisme (Drosophila, soareci, porumb, orz, tomate, etc.). Majoritatea mutatiilor induse artificial sunt asemanatoare celor aparute spontan, fapt constatat de Scholz (1959) la orz, de Stubbe (1957) la tomate, plante la care s-a putut reconstitui intreaga gama de variatii existente in natura.
Dintre radiatiile neionozate, razele ultraviolete (U.V.) sunt singurele capabile sa produca mai multe mutatii decat cele ce apar spontan. Din rezultatele obtinute prin tratarea cu U.V. s-a conchis ca: a) se obtin numai rareori schimbari structurale mari ale cromozomilor; b) cel mai mare efect mutagen se obtine la razele cu lungimea de unda de maxima absortie a U.V. de catre acizii nucleici; de aici s-a tras concluzia ca actiunea mutagenica a U.V. este datorita absortiei radiatiei de catre ADN din cromozomi (Williams 1964).
Mutatiile sunt mult folosite in studiile genetice. Prin studiu mutatiilor spontane sau induse s-a putut afla mai mult despre structura intima a genei, despre mecanismele ereditatii si varabilitatii.
Multe din mutatiile aparute la plantele cultivate si la animale au reprezentat progrese reale in anumite conditii de mediu sau pentru anumite cerinte. Au aparut mutante din care s-au dezvoltat soiuri si rase valoroase; astfel multe soiuri la plantele agricole si pomi isi datoreaza aparitia descoperirii mutatiilor. Citam de exemplu strugurii fara sambure, piersicile de mari dimensiuni, capsunile fin aromate, animalele producatoare de blanuri deosebit de variate si atragatoare.
O perspectiva larga pentru aparita de mutatii valoroase se deschide prin metoda inducerii mutatiilor; un exemplu stralucit il constituie cresterea considerabila a productiei de penicilina la ciuperca Penicillium datorita obtinerii de variante mai productive aparute ca mutatii induse prin iradierea a milioane de spori.

Mutațiile genetice în sensul cel mai larg, reprezintă modificări ce se produc la nivelul genelor, al cromozomilor sau al altor constituenți celulari purtători ai eredității, deci schimbări ale genotipului. După substratul pe care îl afectează, mutațiile, la rândul lor, pot fi împărțite în mutații genice, cromozomice, genomice sau plastidice.
Tipuri de variații șl rolul lor in evoluție Din punctul de vedere al semnificației lor în relațiile organismului cu mediul, ca și în procesul evoluției (deci ca fenomen individual), variațiile se pot împărți în două mari categorii: a) variații care afectează structura genotipului și, din această cauză, se pot transmite la descendenți; b) variații care afectează doar caracterele fenotipice, genotipul rămâmnd neschimbat; asemenea variații nu se pot transmite la descendenți. Din prima categorie fac parte mutațiile, în sensul cel mai larg al acestei noțiuni, și recombinările genetice. Din a doua categorie fac parte modificațiile.a) Mutațiile genice reprezintă singura categorie de mutații care afectează structura ADN și anume, în mod obișnuit, ele determină modificări în structura codului genetic. În funcție de modul cum se produce această modificare, mutațiile genice se produc prin: substituiri ale unei perechi de nucleotide prin alta, prin adiții (adăugiri) ale unei noi perechi de nucleotide sau prin deleții (pierderi) ale unei perechi de nucleotide. Substituirile se pot produce în două moduri diferite — prin tranziții și prin transversii. În cadrul tranzițiilor, o bază azotată este înlocuită cu o altă bază din aceeași categorie. De pildă, o bază purinică este înlocuită printr-o altă bază purinică, adică A↔G. Se înțelege că deoarece o bază purinică dintr-un lanț nucleotidic al ADN este legată de o anumită bază pirimidinică (complementară) din celălalt lanț, această înlocuire va atrage și înlocuirea bazei pirimidinice corespunzătoare din lanțul com¬plementar. Deci, în exemplul dat, se va produce înlocuirea: A-T↔G-C. În cazul transversiilor, o bază purinică este înlocuită cu alta pirimidinică (sau invers) (cu înlocuirea deci și a bazei complementare). Deci se pot produce următoarele substituiri prin transversii A-T↔C-G; A-T↔T-A; G-C↔C-G; G-C↔T-A. Prin urmare, în ambele cazuri, în ultimă instanță o pereche de baze este înlocuită prin altă pereche ceea ce determină transformarea unui codon (a unui triplet) în altul, fapt care duce la modificări în sinteza lanțurilor polipeptidice. Înlocuirea codonilor poate avea diferite urmări, în funcție de sem¬nificația codonului nou apărut în procesul de sinteză a proteinelor: — Atât codonul inițial cît și cel modificat determină plasarea, în lanțul polipeptidic, a aceluiași aminoacid. De exemplu, AGU și AGC determină locul serinei. Deci, în acest caz, tranziția de la o bază pirimidinică (U) la alta (C) reprezintă o mutație care însă nu schimbă structura proteinei, nu schimbă deci secvența aminoacizilor în lanțul polipeptidic. — Codonul inițial și cel modificat determină amplasarea unor aminoacizi diferiți. Deci, în acest caz, se va schimba secvența aminoacizilor, ducând la schimbarea proprietăților biochimice și fiziologice a proteinei date. — Codonul inițial, care determină amplasarea unui aminoacid, se transformă într-un codon de încheiere a lanțului polipcptidic, care sem¬nifică sfîrșitul (capătul) lanțului polipeptidic și, deci, oprirea sintezei proteinei. După cum se știe, codul genetic determină nu numai secvența aminoacizilor într-un lanț polipeptidic, dar și lungimea lanțului. Codonii UAA, UAG, și UGA au semnificația de terminare a lanțului. Dacă printr-o substituire codonul inițial se transformă în unul din acești trei codoni, sinteza lanțului proteic se oprește la el; deci se produce doar o por¬țiune din molecula proteică. Asemenea mutații poartă numele de „non¬sens". Delețiile (pierderile), ca și adițiile (adăugirile) unei perechi de baze, schimbă complet secvența aminoacizilor, deci structura proteinei, de¬oarece modifică citirea codonilor pornind de la punctul în care s-a produs mutați.De pildă, o succesiune inițială a codonilor poate fi: ATG, ACG, AGT, GCC, ATC… Dacă din primul codon se pierde T, atunci secvența devine AGA, CGA, GTG, CCA, TC,. .. deci modificată complet. Deoarece substanțele proteice pot avea rol enzimatic sau unul structural, o asemenea mutație va putea afecta fie activitatea enzimatică, deci desfășurarea unor anumite căi metabolice cu consecințele ce decurg din ele, fie direct structurile. Experiențe pe Drosophila, de pildă, au arătat că mutațiile genice pot afecta cele mai diferite caractere morfologice (dimensiuni, culori, chetotaxia, forma organelor etc), fiziologice, de dezvoltare, de rezis¬tență la diferiți factori etc. Mutațiile genice reprezintă cea mai importantă sursă de noi carac¬tere. Efectul lor genetic constă, de fapt, în adăugarea de noi alele (noi expresii) ale unui locus și, deci, îmbogățirea patrimoniului ereditar al indivizilor și populațiilor.b) Mutații cromozomice nu afectează, în mod obișnuit, structura genelor ci mai ales legăturile dintre ele. Sunt restructurări ale cromozomilor în urma cărora grupuri întregi, mai mari sau mai mici de gene, sunt mutate de pe un cromozom pe altul. Deci ceea ce se modifică este mai ales poziția reciprocă și interacțiunea genelor. După mecanismul lor de producere, mutațiile cromozomice pot fi de mai multe categorii. Delețiile constau în pierderea unui locus sau a mai multora de pe un cromozom. De cele mai multe ori rezultatul unui asemenea fenomen (pier¬derea unui fragment de cromozom) este letal pentru organismul respectiv. Uneori însă funcțiile respective pot fi compensate de alte gene sau pot să nu aibă efecte letale în cazul când au devenit inutile ca urmare a schimbării unor condiții. De pildă trecerea la modul de hrană saprofit sau parazit înlătură necesitatea unei serii întregi de enzime. Inversiunile constau în inversiunea, cu 180°, a unui segment de cromozom. Se poate produce prin ruperea cromozomului în două locuri, după care segmentul dintre rupturi se realipește la cromozom dar în poziție inversată. În acest fel se inversează, pe segmentul respectiv, ordinea ge¬nelor. Acest fenomen se produce mai ales în profaza fie a mitozei, fie a meiozei, când cromozomii lungi și subțiri se mișcă activ în nucleu. În mod normal, când se produce împerecherea cromozomilor, genele omoloage se alătură în mod exact. Când se produce inversiunea, la împerecherea cromozomului cu inversiune cu un cromozom normal, se formează o buclă, pentru a permite alăturarea genelor omoloage. în cazul cînd un organism este heterozigot pentru o inversiune, genele segmentului inversat apar atît de strîns legate între ele încît nu sunt afectate de crossing over și se transmit în bloc și, deci, nu mai pot produce recombinări genetice. În felul acesta, inversiunea poate deveni un mijloc bun de păs¬trare a unei anumite combinații a genelor, care se dovedește deosebit de avantajoasă selectiv. Într-adevăr, asemenea fenomene au fost constatate la diferite populații a unor specii de Drosophila. Duplicațiile sunt restructurări care afectează o pereche de cromozomi omologi: între ei se produce un schimb de segmente inegale, astfel că în timp ce pe un cromozom apare o deficiență a unuia sau mai multor loci, pe celălalt cromozom acești loci apar dublați. Uneori asemenea schimbări nu dau efecte fenotipice vizibile, alteori determină modificări de diferite naturi. Translocațiile constau în schimbări de segmente între doi cromozomi neomologi. Translocația poate fi reciprocă (schimb reciproc de segmente între cromozomi) sau simplă (un segment de pe un cromozom se transferă pe alt cromozom). Și în cazul translocațiilor, ca și în cel al inversiunilor, la organismele heterozigote, în ceea ce privește translocația, meioza este alterată din cauza dificultăților în împerecherea cromozomilor omologi. Aceasta poate produce anomalii. La om unele cazuri de mongolism se datoresc fenome¬nului translocatiei.c) Mutații genomice constau în modificarea numărului cromozomilor, deci a garniturii cromozomice, prin modificarea numărului unuia, câtorva sau a tuturor cromozomilor. Aceste modificări reprezintă fenomene re¬unite sub numele de poliploidie. Diferite forme de poliploidie rezultă din anomalii în diviziunile celulelor germinale sau somatice și se pot datora celor mai diferite cauze ca, de pildă, fuziunea de nuclei, diferite traumatisme, parazitism, substanțe chimice, înțepături ale unor insecte, altoiri etc. Fenomenul este larg răspîndit la plante, dar mult mai rar la animale. În mod obișnuit, majoritatea plantelor și animalelor sunt diploide, adică au o garnitură dublă de cromozomi în fiecare celulă. În unele cazuri, de pildă la unele insecte ce se înmulțesc partenogenetic (deci prin ovule nefecundate), celulele primesc numai o garnitură simplă de cromozomi. Acestea sînt organisme haploide iar garnitura lor cromozomică este monoploidă. Monoploidia o întâlnim, de pildă, la trântorii (masculii) din familiile de albine. Ei provin din ovule nefecundate. Fenomene de monoploidie se întâlnesc și la plante cultivate (porumb, tutun, roșii) sau spontane (Datura). În cazuri de aneuploidie, numai un cromozom apare multiplicat de 3, 4 ori. În cazuri tipice de poliploidie, garnitura cromozomică apare multi¬plicată de 3, 4, 5 … n ori. După proveniența cromozomilor putem distinge organisme autopoliploide și allopoliploide. Autopoliploizi sunt indivizii poliploizi la care toți cromozomii provin de la aceeași specie. Se datoresc diferitelor anomalii ale mitozei sau meiozei. În urma unor mitoze anormale pot apare celule tetraploide. În urma meiozelor anormale pot apare gameți diploizi care, unindu-se cu un gamet monoploid, dau organisme triploide. La aceste organisme fiecare fel de cromozom este reprezentat prin trei cromozomi omologi care nu se pot alătura în mod normal. În unele cazuri unul din cei trei cromozomi rărnîne desperecheat (univalent) iar doi se împerechează normal (bivalenți); în alte cazuri se formează grupuri din trei cromozomi însă alăturați anormal (trivalenți). În orice caz gameții unor asemenea organisme, în urma meio¬zelor anormale, au și garnituri cromozomice anormale, ceea ce face ca or¬ganismele triploide de cele mai multe ori să fie sterile. Nici la organismele tetraploide meioza nu decurge normal, ceea ce face ca și ele adesea să fie afectate de un înalt grad de sterilitate. Autopoliploidia se întâlnește mai frecvent la unele plante cultivate. Puține cazuri se cunosc la plante spontane. Allopoliploizi sunt indivizi poliploizi la care cromozomii provin de la specii diferite. Fenomenul se întâlnește frecvent la unele grupe de plante, la care speciile se pot încrucișa uneori între ele (sălcii, stejari, graminee, plante din genurile Roșa, Prunus, Oenothera etc). Organisme hibride, ast¬fel obținute, sunt în general sterile din cauza anomaliilor meiozei: cromo¬zomii de la o specie nu-și găsesc omologii de la altă specie, se fac împere¬cheri anormale sau repartiții aberante de cromozomi. Anularea sterilității și, deci, restabilirea fertilității se poate produce prin dublarea garniturii cromozomice astfel încît celulele să cuprindă cîte o garnitură diploidă de la fiecare specie parentală (amfidiploizi). La ase¬menea indivizi împerecherile cromozomilor se pot produce normal și ei devin fertili. Dublarea garniturii se poate obține pe cale artificială sau se poate produce și pe cale naturală. Experimental ea a fost obținută la plan¬te și chiar la animale. Exemplu clasic de plante amfidiploide este cel obținut de Karpecenko (1928) prin hibridizarea verzei cu ridichea. Brassica oleracea are 2n=18 iar Raphanus sativus, de asemenea, 2n=18. Hibridul obținut con¬ține tot 18 cromozomi, dar cîte 9 de la fiecare specie parentală. Este steril. Dublând numărul cromozomilor se obțin plante cu 2n=36 cromozomi, cîte 18 de la fiecare specie parentală (amfidiploizi) care sunt fertili. Datorită Stabilității și deosebirii multilaterale față de speciile parentale acești am¬fidiploizi au fost considerați ca fiind un gen nou — Raphanobrassica. Numeroși amfidiploizi se cunosc la plante spontane. La animale, în mod experimental, au fost obținuți amfidiploizi la fluturele de mătase de către Astaurov (1965), prin îmbinarea partenogenezei artificiale cu hibridizarea între două specii diferite. Mai întâi, prin partenogeneză artificială au fost obținuți tetraploizi din ouă cu numărul de cromozomi neredus, provenit din diviziunea cromozomilor neînsoțită de diviziune celulară. Apoi femelele tetraploide de Bombyx mori au fost în¬crucișate cu masculi diploizi de Bombyx mandarina obținându-se hibrizi triploizi, conținînd o dublă garnitură de la prima specie și o garnitură simplă de la cea din urmă. Provocând partenogeneză acestor hibrizi s-au obținut forme hexaploide. Prin fecundarea ovulelor triploide a acestei for¬me, cu spermatozoizi haploizi de la B. mandarina, s-au obținut amfidi¬ploizi, cuprinzând câte o garnitură diploidă de la fiecare din cele două specii. Fenomenul de poliploidie are mare importanță atât din punct de ve¬dere practic cât și științific. Plantele autopoliploide cultivate au masa vegetativă mai mare, dau producții mai mari, ca de altfel și mulți allo¬poliploizi. Adesea aceste plante sunt mai rezistente la boli sau la condițiile climatice. Poliploidia are un rol important în evoluția plantelor. Vigoarea și rezistența poliploizilor explică răspândirea lor în regiuni cu condiții severe de climă. De pildă, în insulele Spitzbergen din Oceanul Înghețat de Nord 80% din angiosperme sunt poliploide, în Pamir 85% din graminee sunt poliploide, în Altai 65%. Unele plante, cu răspândire localizată, deve¬nind poliploide capătă o răspândire mult mai largă ca, de pildă, Solanum nigrum, Fumăria ojficinalis, Capsella bursa pastoris etc. Nu trebuie însă să credem că absolut în toate cazurile poliploidia are asemenea efecte favorabile. Uneori poliploidul nu diferă de diploid. De pildă, la Silene ciliata (2n=24) se cunosc forme tetraploide (2n = 48), octo-ploide (2n=96), 16-ploide (2n=192) care nu diferă de specia diploidă; la fel la cruciferul Cardamine pratensi. La Phleum pratense alpinum forma tetraploidă (2n=28) nu diferă morfologic de diploid (2n=14) și adesea este mai puțin viguroasă. Campanula rotundijolia — forma diploidă (2n = 34) este arctică, pe când forma tetraploidă (2n=48) este subarctică și central europeană. La plante adesea se produce poliploidia somatică-constând în multi¬plicarea garniturii cromozomice din celulele somatice. Prin urmare, apar unele părți ale plantei cu structuri poliploide. Prin înmulțire vegetativă din aceste părți se pot obține plante întregi poliploide. În regnul animal, după cum s-a mai arătat, poliploidia, deși există, este mult mai puțin răspândită și nu are un rol esențial în evoluția animalelor. În stare naturală poliploidia se cunoaște la protozoare, viermi (unele oligochete), unele insecte (de pildă, coleoptere curculionide), amfibieni (de pildă, la Triton viridescens se întâlnesc populații în S.U.A. cu 1,8% indi¬vizi triploizi, 0,28% pentaploizi). Dificultatea apariției poliploizilor la animale provine de la mecanis¬mul cromozomial al determinării sexului. Într-adevăr, o femelă normală are o garnitură dublă de autosomi (2A) și doi cromozomi x, deci are formula cromozomică 2A+2x, iar masculul 2A+lx. Dacă se obține un tetraploid, el va fi respectiv 4A+4x pentru femelă și 4A+2x pentru mas¬cul. Gameții (cu garnitura redusă la jumătate) vor fi 2A+2x (ovule) și 2A+lx (spermatozoizi), iar prin fecundație, zigotul va fi 4A+3x, deci cu echilibrul dintre autosomi și cromozomii sexuali deranjat, anormal, ceea ce duce la apariția unor descendenți intersexuați și sterili. De aceea, poli¬ploidia la animale devine posibilă doar la formele hermafrodite cu auto-fecundație (ceea ce este destul de rar), sau la formele partenogenetice. Fenomene foarte complexe de poliploidie se cunosc la protozoare. La unii radiolari (ordinul Pheodaria) poliploidia ajunge și chiar depășește 1000 n. Legat de aceasta se produc însemnate și complexe schimbări în desfășurarea mitozelor. La infuzori, unde există doi nuclei — un macronucleu și un micronucleu — în timp ce micronucleul poate fi tetra- sau hexaploid, macronucleul poate realiza poliploidia de 5 000 n (Bursaria truncatella) sau chiar 12 000 n (Ichtyophthirius multijiliis). Gradul minim de poliploidie, întîlnit la infuzori de talie mică, este de 16 n. Important este faptul că gradul de poliploidie nu este corelat cu poziția sistematică a acestor animale.d) Mutații extranucleare. În prezent este demonstrată prezența ADN și ARN și în alți constituenți celulari în afara cromozomilor. Astfel, plastidele din celula vegetală (cloroplaste — când conțin clorofilă, leucoplaste — când sunt lipsite de acest pigment), mitocondriile, kinetosomii conțin atât ARN cât și ADN. Se cunoaște, de asemenea, că cel puțin organitele amintite au capacitatea de autoreproducere prin diviziune. Este, deci, fi¬resc să ne așteptăm ca ele să fie capabile să se și modifice prin modifica¬rea (mutații) acizilor nucleici proprii. Cercetările făcute pe o serie de specii au arătat că într-adevăr se pot produce asemenea modificări care de¬vin ereditare. Iată câteva fapte: la multe plante se cunosc forme ce au frunze pă¬tate (unele porțiuni sunt verzi, adică celulele lor conțin cloroplaste, alte porțiuni albe-gălbui și celulele lor conțin doar leucoplaste). Cercetări efectuate la Pelargonium zonale au arătat că fenomenul amintit este determi¬nat de o mutație plastidică datorită căreia cloroplastele respective pierd capacitatea de a forma clorofila. S-a dovedit, de asemenea, că acest carac¬ter se transmite mai ales pe linia maternă pentru că plastidele se trans¬mit la generația următoare direct prin sacul embrionar. Din cauza dimen¬siunilor mari ale plastidelor, ele rareori pot trece prin tubul polinic și, din această cauză, caracterul respectiv rareori se poate transmite și pe linia paternă. Studiul formelor cu frunze pătate de la porumb a scos la iveală și unele relații ale acestor mutații plastidice cu aparatul genetic nuclear. La porumb s-a putut demonstra existența unor gene nucleare (pe cromozomi), care controlează sinteza clorofilei. Mutații ale acestor gene pot duce la pierderea capacității de sinteză a clorofilei ceea ce duce la apariția unor plante lipsite de clorofilă (indivizi albinoși), care mor odată cu epuizarea rezervelor nutritive din sămânță, fiind incapabile de fotosinteză. La plantele cu frunze pătate însă, capacitatea de sinteză a clorofilei este pierdută doar de către unele celule și aceasta datorită mutației plastidice. Prin ur¬mare, sinteza clorofilei din plastide este controlată atât de gene nucleare cât și de aparatul genetic propriu al plastidelor. S-a putut apoi constata, la porumb și la menta Nepeta, că mutația plastidică poate fi indusă de către gena nucleară. La drojdia de bere, la Neurospora și la alte microorganisme au fost descrise mutații care apar, indiscutabil, la nivelul mitocondriilor. Astfel, la drojdia de bere, a fost obținută (pe agar) o mutantă cu insuficiențe res¬piratorii, caracterizată prin dimensiuni foarte reduse în comparație cu co¬loniile normale. Din această cauză, mutanta a fost denumită „petite". O serie întreagă de fermenți necesari în metabolismul energetic, printre care citocromoxidaza și succindehidrogenaza, sunt inactivați la această mu¬tantă, încrucișarea mutantei „petite" cu drojdia normală nu duce la trans¬miterea ereditară a dimensiunilor reduse (caracter fenotipic). Aceasta arată că aparatul nuclear este normal. Mutația respectivă este legată de mitocrondrii unde sunt localizați fermenții respectivi. Studiul acestor organite la mutanta „petite" nu a scos la iveală vreo deosebire morfologică față de drojdia normală. Deoarece se știe că o parte din fermenții mitocondriali sunt controlați de sistemul genetic nuclear, se poate conchide că aparatul fermentativ al mitocondriilor este supus atât controlului genelor din cromozomi cât și al unor gene extracromozomiale. Nu s-a demonstrat până în prezent că aceste gene sunt localizate în mitocondrii. Kinetosomii sau corpusculii bazali, situați câte unul la baza fiecărui flagel și care sunt răspunzători de mișcările flagelilor, conțin, după cum s-a mai spus, atât ARN cât și ADN. Numeroase date pledează în favoarea ideii că aceste organite sunt omologate cu centriolii (sau centrosomii). Kine¬tosomii sunt capabili de autoreproducere iar diferitele caractere ale lor par a fi independente de sistemul genetic nuclear. S-a constatat astfel că dife¬ritele modificări ale kinetosomilor se transmit prin înmulțirea agamă a celulelor iar procesul sexual al infuzorilor, la care s-au făcut observațiile, nu determină modificări ale kinetomului (totalitatea kinetosomilor). Mai mult, înlocuirea macronucleului indivizilor cu kinetosomi modificați, prin macronucleul indivizilor normali, nu are consecințe asupra kinetomului.

Evident ca acesti indivizi vor avea posibilitatea sa produca si un numar mai mare de descendenti. Indivizii cu programe genetice nefavorable se pierd treptat si prin faptul ca se reproduc in numar mai mic.
Mutatiile – aceste schimbari bruste care au loc in materialul genetic al unui individ si care se transmit ereditar – reprezinta intr-adevar sursa de variatie si temelia pe care se cladeste evolutia. Ele se acumuleaza in timpul a zeci de mii de generatii, pe parcursul formarii si constituirii speciei respective. Desigur insa ca nu orice mutatie care apare este pastrata. Eliminarea mai ales a mutatiilor nefavorabile este cu atat mai activa, cu cat specia este mai veche si mai adaptata mediului. Speciile mai noi, la care bagajul genetic nu este suficient de stabilizat, pastreaza in numar mai mare genele mutante care nu sunt utile. Acestea vor fi treptat inlaturate , pe masura ce specia evolueaza, prin fenome- nul de selectie naturala. Prin urmare, intregul set de gene, sau genotipul fiecarei specii de astazi, este rezultatul final al unei epoci de evolutie. Odata for- mat insa, acesta nu inseamna ca fondul genetic ramane neschimbat. O specie care ar avea un fond genetic invariabil, care nu ar suferi deci mutatii, nu s-ar putea schimba si nici dezvolta si evolua. Flexibilitatea setului de gene al unei specii permite acesteia sa supravetuiasca unor conditii de viata modificate si deci sa evolueze.
Mutatiile pot aparea spontan cu o anumita frecventa in mod natural la orice fiinta vie sau pot fi rezutatul inducerii experimentale cu ajutorul diferitilor agenti mutageni. Fie ca sunt naturale sau induse, ele pot afecta practic orice organ al planetei sau al animalului respectiv. Omul nu este nici el ferit de aceste schimbari si este supus acelorasi efecte pozitive sau negative dupa cum mutatiile sunt folositoare sau daunatoare.
Primile observatii numeroase insa au fost facute mai ales in secolele XVIII-XIX, cand cultura plantelor si cresterea animalelor au luat o mare dezvoltare. In aceasta perioada, numerosi cultivatori au decis o suma de mutatii care apareau spontan. Charles Darwin a avut meritul de a fi cules toate aceste observatii si totodata de a fi sescris el insusi multe alte exemple de variatii naturale.
Fenomenul a fos observat de asemenea de catre fondatorul geneticii, Gregor Mendel. Dupa cum se stie, Mendel a elaborat legile sale efectuand studii asupra formelor mutante de la mazare. El a cercetat modul de transmitere la descendenti a sapte caractere ale acestei plante. Fiecare caracter era determi- nat de existenta unui factor – dominanta sau recesiva. Forma recesiva nu era insa altceva decat o mutatie a formei dominante.
Intr-adevar, gena mutanta apare de fapt printr-o schimbare a genei normale, a tipului salbatic. In acest fel, un organism poate prezenta fie ambele gene normale, fiind un homozigot dominant, fie o gena normala si una modificata, fiind un heterozigot, fie ambele gene mutante, fiind un homozigot recesiv.

Mendel insa nu folosea termenul de mutatie.Notiunea de mutatie a fost data in anul 1901 de olandezul Hugo de Vries, care a avut marele merit de a sugera chiar producerea de mutatii artificiale care sa fie folosite in ameliorarea plantelor si animalelor. La scurt timp dupa elaborarea notiunii de mutatie, in 1904, acelasi mare cercetator propune folosirea razelor X in producerea mutatiilor artificiale, insistand asupra importantei acestui fapt. El arata ca un studiu serios al fenomenului si al legilor mutatiei ar fi un mare interes pentru ameliorari, care ar avea posibilitatea in acest fel sa obtina plante si animale cu caractere noi, superioare.
Hugo de Vries a ajuns sa aiba aceste pareri datorita observatiilor lui efectuate la planta Oenothera lamarckiana, la care a constatat un numar foarte mare de mutatii. Cu toate ca ulterior s-a dovedit ca unele dintre caracterele noi observate de el la aceasta specie nu erau rezultatul unei mutatii, ci al fenomenului de recombinare genetica, teoria mutationista, elaborata de Hugo de Vries, a vut mare insemnatate si a marcat o etapa importanta in intelegerea fenomenului mutational.
Cercetarile geneticianului american H. I. Muller referitoare la fenomenul mutatiei (1927) au marcat o noua etapa prin valoarea lor deosebita, nu numai pentru ca au demonstrat capacitatea mutagena a radiatiilor, ci mai ales pentru ca au adus date importante despre substratul biochimic al genelor. Astfel Muller a aratat ca genele sunt de natura macromoleculara si ca ele pot suferi mutatii sub actiunea radiatiilor, cu o frecventa mai mare sau mai mica in functie de dimensiunea macromoleculei lor. Studiile sale privind producerea de mutatii artificiale cu ajutorul radiatiilor, carora s-a considerat fondatorul radiogeneticii.
Observatiile si cercetarile referitoare la mutatii au fost aprofundate dupa anul 1946, odata cu folosirea pe scara larga a numeroase substante chimice mutagene dintre cele mai diferite (agenti alkilanti, analogi ai bazelor azotate, unii coloranti, acidul nitros etc.). Aceste substante induc mutatii avand mecanis-me de actiune variate, dar care toate afecteaza structura acizilor nucleici ai organismelor tratate.
Cunoasterea mecanismului molecular al mutatiei a fost insa posibila numai dupa ce s-a descoperit structura macromoleculei de ADN de catre ameri- canul J. D. Watson si englezul F. H. Crick (1953), care au elaborat si ipoteza ,,eroilor’’ privind modul de aparitie a unei mutatii. Ei considera ca mutatia reprezinta, de fapt, o ,,eroare’’ in succesiunea nucleotidelor care alcatuiesc acizii nucleici. Aceasta alternare a structurii chimice a materialului genetic are loc in diferite moduri. Uneori, cum ar fi in cazul mutatiilor punctiforme, este alterata una din nucleotidele care alcatuiesc codonul, fie prin schimbarea secventei in cadrul tripletei, fie prin pierderea sau adaugarea une nucleotide fata de secventa normala.

Aspecte ale evoluției și speciației în regnul vegetal prin prisma celor mai recente studii de sistematică moleculară

Interacțiile conceptuale dintre genetica comparativă și studiile de sistematică moleculară au determinat schimbări în concepțiile privind evoluția genomului și speciația. Deși genetica comparativă are aplicații în primul rând în ameliorarea plantelor, ea poate fi deosebit de utilă în înțelegerea reglajului genetic, a funcției regiunilor genetice netranscrise, precum și a efectului selecției naturale asupra funcției proteinelor. Cercetările efectuate în această direcție, inițial doar la Arabidopsis thaliana și la speciile cu importanță economică, încep să fie aplicate și la alte organisme. De asemenea, abordări precum analiza evolutivă a secvențelor genice la mamifere comparativ cu Drosophila, constituie importante direcții de cercetare aplicabile și la plante.

Evoluția genelor duplicate

Procesul de duplicare genică a permis diversificarea funcțională și în același timp creșterea complexității organismelor. Când o genă suferă o duplicație, una din copii păstrează funcția ei ancestrală, în timp ce cealaltă copie poate acumula mutații. În cele mai multe cazuri, aceste mutații sunt deletorii și conduc la apariția unei pseudogene. Pe parcursul evoluției, unele mutațiile se dovedesc favorabile și sunt reținute, astfel încât gena dobândește noi funcții.

Cele mai multe din cele 25.000 de gene de la Arabidopsis se găsesc în aproximativ 100 de duplicații și circa 17% din aceste gene sunt aranjate în segmente repetate în tandem.

Studii genomice recente indică faptul că 50-70% din angiosperme dețin în evoluția genomului cel puțin un eveniment de dublare cromozomală. Aceste genomuri au evoluat prin procese de duplicare a unei singure gene prin crossing-over inegal, prin pierderi ale segmentelor duplicate, prin conversie genică, transpoziție și recombinare.

Vision și colaboratorii, folosind metoda analizei duplicațiilor genice bazată pe cartare, au identificat la Arabidopsis 103 blocuri genice duplicate, fiecare conținând cel puțin șapte loci. Frecvența distribuției ratei de substituție a aminoacizilor în aceste blocuri de gene este multi-modală, nu uni-modală cum ar fi fost de așteptat dacă duplicațiile ar fi fost rezultatul unui singur eveniment de poliploidizare.

Lynch și Conery au identificat perechi de gene duplicate la Arabidopsis și la o serie de alți cinci taxoni la care secvența genomului este complet cunoscută. Analizele lor au arătat o încetinire a procesului de eliminare selectivă a genelor duplicate mai recent comparativ cu cele duplicate cu mult timp în urmă. Pornind de la ipoteza conform căreia apariția și pierderea genelor este un proces constant pentru duplicațiile recente, Lynch și Conery au estimat rata pierderii genetice pentru fiecare taxon. Pe baza acestui model simplu, se pot calcula o serie de parametri care furnizează informații privind fluiditatea genomului: durata medie de viață a unei copii genice la Arabidopsis este de 3,2 milioane ani, iar rata de apariție a unei gene duplicate este de 0,02 – 0,002 per genă per milion ani. Aceste date ilustrează faptul că, pe lângă poliploidizarea genomică și duplicațiile de segmente cromozomale, duplicația unei singure gene poate genera o modificare substanțială la nivel molecular.

Teoriile evoluționiste actuale prevăd faptul că majoritatea genelor funcționale duplicate recent își vor pierde repede funcția, în timp ce o mică parte dintre ele vor păstra aceeași funcție sau vor dobândi una nouă prin divergență. Aceste predicții susțin exemplele oferite de familiile multigenice. Lynch și Force consideră că prin dobândirea unei subfuncții de către membrii unei familii de gene, genele duplicate pot fi menținute în genom.

Una din ipotezele recente sugerează că duplicarea genică poate genera o divizare a pattern-ului de expresie a genei ancestrale în așa fel încât fiecare copie reține un subset distinct de secvențe reglatoare ancestrale. Această ipoteză de duplicare-degenerare-complementație (DDC) poate fi testată cu o pereche de gene, de exemplu genele WER și GL1 de la Arabidopsis. Ipoteza DDC postulează că ancestorul genelor WER și GL1 avea promotori separați, unul specificând expresia rădăcinii, iar celălalt expresia tulpinii. În urma evenimentului de duplicare, fiecare din cele două copii genice a conservat câte un element promotor funcțional, celălalt a acumulat mutații și și-a pierdut funcția.

Analiza secvenței elementelor reglatoare ne poate spune dacă duplicația genică și divergența furnizează o alternativă evolutivă simplă pentru modificarea și proliferarea elementelor cis-reglatoare. Este posibil ca diferite gene să fie constrânse sau predispuse – prin structură, funcție sau poziție genomică – să dobândească noi funcții prin duplicare, în timp ce altele sunt mai susceptibile să se diversifice prin modificarea elementelor reglatoare.

Testarea modelului DDC pe genele WER și GL1 necesită o filogenie genică mai aprofundată decât cea disponibilă în prezent. Genele WER și GL1 sunt doar două din cele peste 100 de gene ale familiei R2R3-MYB de la Arabidopsis. Gena WER a fost clonată recent, de aceea nu a fost încă studiată comparativ cu GL1. Numărul diferențelor dintre cele două gene sugerează că duplicarea s-a petrecut devreme în evoluția lor, deși vârsta lor relativă nu se poate stabili decât prin căutarea genelor ortoloage față de WER și GL1 în alte grupe majore de plante.

Diferențierea elementelor reglatoare previne pierderea copiilor genice deoarece fiecare copie va dobândi o subfuncție complementară comparativ cu gena ancestrală. Acest proces de evoluție divergentă a copiilor genice în cadrul unor taxoni înrudiți poate contribui la izolarea speciilor.

Dacă redundanța funcțională a noilor gene duplicate nu conferă avantaj evolutiv, atunci expresia lor se poate pierde prin intervenția factorilor epigenetici, prin mutații sau deleții .

nou sintetizați, în timp ce alte regiuni genomice suferă metilarea citozinei. La vechiul hexaploid Brassica oleracea a fost reconstruită așezarea genelor ancestrale pentru trei cromozomi duplicați prin comparație cu ordinea relativă a genelor la A. thaliana. Considerând că fiecare cromozom de la B. oleracea avea un set complet de gene în momentul în care a survenit poliploidizarea, se poate stabili care a fost pierderea, respectiv câștigul de gene.

Speciația

Studiile evoluționiste privind speciația au la bază două abordări: genetica divergenței populațiilor și cartarea genică a diferențelor caracteristice dintre specii. Aceste abordări furnizează date complementare referitoare la procesul evolutiv și la diferențele funcționale care apar pe parcursul speciației.

Genetica divergenței populațiilor compară genealogia alelelor mai multor loci genici la specii diferite. Se constată că polimorfismul alelic predomină în fazele timpurii ale speciației, în timp ce în fazele târzii sunt mai frecvente polimorfismele specifice de specie. Între aceste două extreme, polimorfismele la nivel de nucleotidă au o mare valoare informativă ca stadii intermediare în speciație, când o serie de loci genici au avut alele comune, în timp ce alți loci au avut alele private. Aceste diferențe între loci se pot datora efectelor selective ale diferențelor funcționale, variației randomice între loci sau fluxului ocazional de gene între specii.

Cel mai bun exemplu de analiză genetică a divergenței populațiilor este oferit de unele specii de Drosophila. D. simulans este o specie cu largă răspîndire geografică și polimorfă din punct de vedere genetic, în timp ce D. mauritiana și D. sechellia sunt specii cu areal limitat la o serie de insule (specii endemice). Kliman și colaboratorii au studiat polimorfismele nucleotidice la 14 loci genici nucleari și au constatat că D. simulans și D. mauritiana sunt înalt polimorfice, având numeroase polimorfisme comune, moștenite probabil de la ancestorul lor comun, în timp ce D. sechellia are nivele reduse de polimorfism și a acumulat mutații deletorii datorită derivei genetice și relaxării selecției (fenomen întâlnit în populațiile mici).

Deși genetica divergenței populațiilor este în mod evident aplicabilă la plante, nu există încă studii în această direcție. Date nepublicate referitoare la Arabidopsis lyrata și A. halleri arată că o serie de loci genici au alele comune, alții au alele particulare, dovadă că aceste două specii se află într-un stadiu intermediar de divergență.

Cartarea genică a diferențelor dintre specii cu importanță ecologică s-a realizat la Mimulus lewisii și la Mimulus cardinalis, două plante congenerice din vestul Americii de Nord. Mecanismele de izolare a speciilor include caracteristici florale care influențează modul în care se realizează polenizarea. Albinele preferă specia Mimulus lewisii care are flori mari cu conținut redus de antociani și pigmenți carotenoizi. Specia Mimulus cardinalis realizează polenizarea cu ajutorul păsărilor colibri care preferă florile bogate în nectar și cu concentrații mari de antociani. Schemske și Bradshaw au evidențiat faptul că un singur locus genic controlează concentrația de carotenoizi și reduce atragerea albinelor la 80%. Astfel, plantele homozigote pentru producerea în cantitate mare a nectarului atrag de două ori mai multe păsări polenizatoare comparativ cu cele care produc puțin nectar. Deși în acest caz izolarea și diferențierea speciilor se datorează unor gene majore, în alte cazuri situația este diferită.

Genele răspunzătoare de recunoașterea gameților joacă un rol fundamental în speciație. De exemplu, lizina din sperma unor specii de pești demonstrează o diversificare selectivă clară între specii simpatrice strâns înrudite. Lizina se leagă specific de receptorul vitelin pentru lizină. Evoluția rapidă a amino-acizilor aflați în poziții cheie din molecula de lizină poate rezulta din selecția pozitivă pentru legarea la receptor.

Se pune întrebarea dacă la plante există o situație asemănătoare? Competiția interspecifică a granulelor de polen reprezintă o barieră reproductivă față de hibridizare atât la Helianthus, cât și la Iris. Recent, Mayfield și colaboratorii au sugerat că familia genelor ce codifică pentru oleozinele produse de polen este implicată în speciația plantelor.

Concluzii

Datele furnizate de genetica moleculară sub aspect evolutiv și funcțional vor continua să îmbunătățească nivelul de cunoaștere și înțelegere a biologiei vegetale. Genetica comparativă are ca rezultat mult mai mult decât o listă de gene colineare – ea poate identifica elemente reglatoare, secvențe intergenice conservate și modificările în compoziția de amino-acizi responsabile de evoluția adaptativă. Metodele analitice puse la punct la Drosophila și la om pot fi aplicate cu succes și la plante.