Hibridinė jėga (heterozė) – apibrėžimas, priežastys ir pavyzdžiai

Sužinokite, kas yra hibridinė jėga (heterozė): aiškus apibrėžimas, priežastys ir įdomūs pavyzdžiai iš augalų bei gyvūnų, praktiniai paaiškinimai ir istorija.

Hibridinis gyvybingumas (arba hibridinė jėga) – tai geresnis hibridinių palikuonių aktyvumas, augimas, produktyvumas ar išgyvenamumas, palyginti su tėvų linijomis. Techninis terminas genetikoje yra heterozė. Heterozė dažnai matuojama kaip F1 palikuonių našumo padidėjimas palyginus su vidurkiu tarp tėvų (mid-parent heterosis) arba su geriausiu tėvu (best-parent heterosis).

Istorinė pastaba ir praktinis panaudojimas

Efektas buvo pastebėtas ir taikomas dar XVIII a. gyvulių selekcininkų praktikoje, o Charlesas Darvinas tyrinėjo heterozę augaluose. Ši savybė plačiai naudojama žemės ūkyje: hibridinės kukurūzų, ryžių, ryšio ar kitų pasėlių veislės dažnai duoda daug didesnį derlių, lyginant su atskiromis išvestinėmis linijomis. Gyvulių veisime kryžminimas taip pat naudojamas siekiant pagerinti sveikatą, augimą ir produktyvumą.

Kodėl atsiranda hibridinė jėga — pagrindinės hipotezės

Yra kelios tarpusavyje nesuderinamos arba papildančios hipotezės, kodėl F1 hibridai dažnai būna geresni už tėvus:

• Dominavimo (maskavimo) hipotezė – hibridizacija sujungia skirtingas geno formas (aleles), todėl recesyvinės žalingos alelės vienoje linijoje būna užmaskuotos dominantinėmis alelėmis iš kitos linijos. Dėl to sumažėja inbridingo sukeltos problemos.
• Overdominancijos hipotezė – tam tikrose lokusose heterozigotinis (dviejų skirtingų alelių) genotipas pats savaime yra geresnis už bet kurį homozigotą. Tai reiškia, kad heterozigotumas gali suteikti pranašumą tiesiogiai.
• Epistazė ir genų sąveikos – skirtingų linijų alelių sąveika gali pagerinti fiziologiją ar metabolizmą, todėl derinys duoda didesnį našumą nei bet kuri atskira linija.
• Genetinės variacijos padidėjimas – kryžminant sumažėja rizika, kad vienos eilės trūkumai sutaps, todėl populiacijos reakcija į aplinkos stresą gali būti mažiau pažeidžiama.

Pavyzdžiai

• Kukurūzai (Zea mays) – vienas žinomiausių heterozės pavyzdžių: XX a. pradžioje pradėjus sistemingai gaminti F1 hibridus, derlius šoktelėjo kelis kartus, kas pakeitė ūkininkavimą.
• Gyvulių kryžminimas – kryžminant skirtingas veisles (pvz., mėsos ir pieno krypties galvijus arba skirtingas kiaulių linijas) dažnai gaunamas palikuonių augimo pagreitis ir geresnė sveikata.
• Mulai – čia matome priešingą reiškinį: žirgo ir asilės kryžius dažnai būna fiziškai ištvermingas ir darbštus, tačiau mullai yra sterilesni. Nors jų individualus gyvybingumas ir ištvermė gali būti aukšta, dėl nevaisingumo jų biologinis tinkamumas (pagal evoliucinį apibrėžimą) yra mažas.

Kai heterozė neveikia ir atsiranda „outbreeding depression”

Nors heterozė dažnai pagerina palikuonių savybes, kai kuriais atvejais kryžminimas tarp labai skirtingų populiacijų arba rūšių duoda priešingą rezultatą:

• Genetinė nesuderinamumo rizika – skirtinguose populiacijų genetikos kontekstuose gali atsirasti Dobzhansky–Muller tipo nesuderinamumai (genų sąveikos, kurios veikia neigiamai), todėl hibridai būna silpnesni arba nevaisingi.
• Ekologinis ir elgsenos neatitikimas – net jei hibridai fiziškai stiprūs, jų elgsena ar ekologinės savybės gali netikti konkrečiai aplinkai ar poravimosi sistemai.
• Per didelė genetinė skirtis – labai tolimas kryžminimas gali sukelti sumažintą reprodukcinę sėkmę arba sumažinti palikuonių tinkamumą laukinėje gamtoje.

Taikymas praktikoje ir etinės/genetinės problemos

Pramoninio žemės ūkio selekcijoje hibridizacija yra pagrindinis įrankis: kruopščiai valdomi hibridinimo procesai, hibridinių linijų kūrimas ir heterotiškų grupių nustatymas leidžia nuolat gauti aukšto našumo hibridus. Tačiau yra ir iššūkių:

• Hibridinės veislės dažnai negali būti atkurti namų sąlygomis be specialių technologijų (pvz., hibridinių sėklų gamyba), todėl ūkininkai turi pirkti naujas sėklas.
• Aplinkosaugos požiūriu svarbu subalansuoti genetinę įvairovę: per daug intensyvus naudojimas kelių hibridinių linijų gali mažinti bendrą rūšių genetinę įvairovę.
• Konservacijoje kryžminimas gali būti naudingas (genetinė pagalba arba „genetic rescue”), bet turi būti labai atsargiai planuojamas, kad nebūtų sukeltas outbreeding depression ar sunaikinta vietinė genetinė įvairovė.

Matavimo ir tyrimų metodai

Heterozė matuojama palyginant F1 palikuonių fenotipą su tėvų vidurkiu arba geriausiu tėvu. Genetiniai tyrimai naudoja molekulinius žymenis, genominius duomenis ir kryžminimo eksperimentus, kad atskirtų dominuojančios maskavimo, overdominancijos ar epistazės indėlį. Šiuolaikiniai genomikos metodai leidžia identifikuoti genučius ar regionus, susijusius su hibridine jėga.

Apibendrinant: hibridinė jėga yra svarbus biologinis reiškinys su dideliu praktiniu panaudojimu žemės ūkyje ir veislininkystėje, bet jos pritaikymas reikalauja supratimo apie genetinius mechanizmus ir galimas neigiamas pasekmes, ypač kai kryžminamos labai skirtingos populiacijos.

Genetinės teorijos

Kai populiacija yra maža arba inbredinė, ji praranda genetinę įvairovę. Genetinė įvairovė mažėja dėl sumažėjusio tinkamumo. Inbredinės padermės paprastai būna homozigotinės dėl recesyvinių alelių. Recesyviniai aleliai būna silpnai žalingi. Kita vertus, heterozė arba hibridinis gyvybingumas - tai išvestinių padermių polinkis viršyti abiejų inbredinių tėvų tinkamumą.

XX a. pradžioje, po to, kai Mendelio dėsniai tapo suprantami ir priimtini, buvo pasiūlyti du paaiškinimai.

• Dominavimo hipotezė. Nepageidaujamus vieno iš tėvų recesyvinius alelius slopina kito tėvo dominantiniai aleliai. Inbredinės veislės praranda genetinę įvairovę, nes tampa homozigotinės daugelyje lokusų.
• Dominuojančios padėties hipotezė. Tam tikri alelių deriniai, kuriuos galima gauti sukryžminus dvi inbredines padermes, yra naudingi heterozigotams. Tokie atvejai, kaip serpantinė ląstelių anemija, pasireiškia viename genų lokuse, o perdėta dominantė aiškinama tuo, kad tai vyksta daugelyje lokusų.

Genetinis heterozės pagrindas . Dominavimo hipotezė. A scenarijus. Homozigotinio individo mažiau genų yra nepakankamai išreikšti. Genų raiška palikuonyse yra lygi tinkamiausio tėvo raiškai. Viršdominancijos hipotezė. B scenarijus. Heterozigotinio palikuonio tam tikrų genų perteklinė raiška. (Apskritimo dydis rodo A geno raiškos lygį)

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra hibridinis vijoklis?

K: Kas atsitinka, kai įprastoje populiacijoje įvyksta inbrydingo procesas?

K: Kas yra priešinga giminingam kryžminimui?

K: Kaip seniai gyvūnų veisėjai žino apie kryžminimo poveikį?

K: Ką Darvinas išsamiai ištyrė su augalais?

Klausimas: Ar hibridinis gyvybingumas visada taikomas, kai du tėvai yra iš labai skirtingų populiacijų?

Klausimas: Kodėl mulai, nors ir yra ištvermingi gyvūnai, yra žemesnio tinkamumo?

Paieška pagal raidę