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Erklären Sie die allelische Komplementation auf molekularer Ebene

Erklären Sie die allelische Komplementation auf molekularer Ebene



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Ich weiß, dass die allelische Komplementation ein Phänomen ist, bei dem zwei rezessive Allel mit Funktionsverlust ein funktionelles Genprodukt erzeugen, indem sie den Defekt des anderen kompensieren. Aber ich verstehe nicht, wie sie den Fehler des anderen kompensieren.


Wie Matej sagte, können Mutationen in zwei verschiedenen Genen (oder sogar einem Gen und einem nicht kodierenden regulatorischen Element) zu einer Komplementation führen und wie sie betonten, wurde der Komplementationstest entwickelt, um zu überprüfen, ob Mutationen auf verschiedenen Genen liegen oder nicht.

Molekulare Mechanismen, die zur Komplementation führen können (abgesehen von Matejs Beispiel):

  • Die Doppelmutation in zwei Enzymen in einem Stoffwechselweg, der den Stoffwechselfluss grundsätzlich nicht verändert. Nehmen wir an, der Pfad ist linear, d. h. keine Verzweigungen. Der Nettofluss würde durch das langsamste Enzym im Stoffwechselweg begrenzt. Wenn eine Mutation die Aktivität des geschwindigkeitsbegrenzenden Enzyms 1 erhöht, während eine andere Mutation die Aktivität von Enzym 2 reduziert, ändert sich der Nettofluss möglicherweise nicht.
  • Wirkt ein regulatorisches Gen durch eine Art molekularer Erkennung (Protein-DNA, Protein-RNA, RNA-DNA, RNA-RNA, Protein-Protein) auf ein anderes Gen ein, kann die Wirkung einer Mutation in der Erkennungsdomäne im Regulator durch eine weitere Mutation im Ziel ergänzt werden, so dass die Bindungsaffinität erhalten bleibt. Für z.B. eine miRNA, die eine mRNA reguliert. Wenn eine Mutation in miRNA, A→G, durch eine Mutation, U→C, im Target kompensiert wird, kann es sein, dass sich der molekulare Phänotyp nicht ändert. Diese Logik gilt auch für zwei Genprodukte, die als Heterodimer fungieren.

Verschiedene Mutationen im gleichen Gen können jedoch auch zu einem komplementationsähnlichen Effekt führen. Ich kann kein Beispiel nennen, aber es gibt eine theoretische Möglichkeit. Daher ist diese Antwort spekulativ. Hier kann es zwei Fälle geben:

  1. Zwei verschiedene Mutationen im selben Allel
  2. Zwei verschiedene Mutationen in zwei verschiedenen Allelen

Für Fall 1 können Sie sich eine Situation vorstellen, in der die Aktivität des Genprodukts von intramolekularen Wechselwirkungen (Sekundär- und Tertiärstrukturen) abhängt. Zwei Mutationen können die intramolekulare Wechselwirkung in ähnlicher Weise wie bei den oben diskutierten intermolekularen Wechselwirkungen aufrechterhalten.

Für Fall-2 können Sie sich ein Genprodukt vorstellen, das als Homodimer fungiert. Wenn die beiden Mutationen die intermolekularen Wechselwirkungen im Dimer erhalten, würde man eine Komplementierung sehen. Fall-2 kann auch in einer Situation beobachtet werden, in der die Mutationen in zwei verschiedenen funktionellen Domänen von zwei verschiedenen Allelen auftreten, so dass das Dimer schließlich noch in der Lage ist, seine Aktivität auszuführen.


Das Hauptprinzip ist, dass die Mutationen mit Funktionsverlust eingeschaltet sein müssen verschiedene Gene und rezessiv. Quelle

Ich würde nicht sagen, dass sie kompensieren gegenseitig. Wenn einer von ihnen in homozygoter Konformation wäre, würde ihre Wirkung vollständig gezeigt werden.

Auf molekularer Ebene ist es so, dass oft weniger als 50 % des Genprodukts benötigt werden, damit das Gen „funktioniert“, seine Funktion erfüllt. (mit anderen Worten, die Loss-of-Function-Mutation ist rezessiv und ein funktionelles Allel reicht aus, um seine Wirkung zu zeigen). Wenn das Individuum rezessiv homozygot für die Mutation im Gen ist, gibt es nicht genug funktionelles Produkt, um die Funktion zu erfüllen.

Manchmal können jedoch Mutationen in zwei verschiedenen Genen zu demselben phänotypischen Ergebnis führen (z. Wenn in einem dieser beiden Gene eine homozygote Konformation für eine Mutation vorliegt, wird das Färbemolekül nicht produziert und die Blüte ist farblos.

Wenn sich jedoch zwei Individuen aaBB und AAbb (beide farblos) paaren, haben die Nachkommen alle einen farbigen Phänotyp (AaBb), weil es einen Teil des Farbstoffvorläufers und einen Teil des Enzyms gibt, das aus dem Vorläufer ein Farbstoffmolekül bildet, daher wird es etwas Fleck. Dieses Ereignis wird Komplementation genannt.

Dies wurde in der Vergangenheit tatsächlich verwendet, um festzustellen, ob einige Personen mit rezessiven Merkmalen Mutationen in einem oder in zwei Genen aufwiesen.


Erklären Sie multiple Allele in Bezug auf die ABO-Blutgruppe beim Menschen

Ein Allel ist eine Variante oder alternative Form eines Gens, die an denselben Genorten gefunden wird. Menschen sind diploide Organismen mit zwei Allelen für ein bestimmtes Gen. In der Natur sind jedoch mehr als zwei Varianten möglich. Ein solches Beispiel sind multiple Allele in der menschlichen ABO-Blutgruppe. Die bekannten Blutgruppen sind A, B, O und AB, die durch ein einzelnes Gen „I“ bestimmt werden. mit drei Allelen. Die allelischen Formen werden als I A , I B und I 0 für A-, B- bzw. O-Antigen dargestellt. Es gibt 6 mögliche genotypische Kombinationen, die zu den vier Blutgruppen führen, die durch das Vorhandensein der beiden vererbten Allele bestimmt werden. dh nur in homozygotem Zustand exprimiert).
I A I A I A I o - Ergebnisse der Blutgruppe AI B I B I B I o - Ergebnisse der Blutgruppe BI A I B - Ergebnisse der Blutgruppe ABI o I o - Ergebnisse der Blutgruppe O


Alloantigene

Dhirendra N. Misra , . Thomas J. Gill III , in Encyclopedia of Immunology (Zweite Auflage), 1998

Wichtige Antigene des Histokompatibilitätskomplexes

Es gibt einen umfangreichen Allelismus von Genen innerhalb des MHC: Ihre Anzahl variiert von wenigen beim Miniaturschwein bis zu Hunderten bei der afrikanischen Zwergmaus. Die MHC-kodierten klassischen Moleküle der Klasse I (Klasse Ia) und Klasse II binden Peptide, die von endogenen oder exogenen Eigenproteinen sowie Nicht-Eigenproteinen von Viren, Bakterien, multizellulären Parasiten und vielen Arten von Tumoren abgeleitet sind. Sie präsentieren diese Peptide reifen CD8 + - bzw. CD4 + -Untergruppen von &agr;&bgr;-T-Zellen für die nachfolgende Erzeugung von spezifischen zytotoxischen/Suppressor- oder Helfer/Induktor-T-Zellen. Innerhalb einer Population sind die klassischen MHC-Moleküle hochgradig polymorph: Beim Menschen sind beispielsweise bisher mindestens 20 HLA-A-, 45 HLA-B- und 14 HLA-C-Klasse-I-Antigene bekannt. Ein ähnlicher Grad an Polymorphismus existiert für Klasse-II-Antigene.

Neben den klassischen MHC-Genen gibt es eine Vielzahl von MHC-Genen mit eingeschränktem Polymorphismus und eingeschränkter Gewebeverteilung ihrer Produkte. Die nichtklassischen Antigene (Klasse Ib) RT1.K und HLA-G sind die einzigen MHC-Antigene, die in Ratten- bzw. menschlichen Plazenta-Trophoblasten exprimiert werden. In der Maus sind die Qa-2-Moleküle Restriktionselemente für eine Vielzahl von nonamerischen Peptiden mit restriktivem Bindungsmotiv. Qa-1 bindet beispielsweise Peptide, die von Hitzeschockproteinen abgeleitet sind. Einige H2-T-Antigene präsentieren Peptide für γδ-T-Zellen, und das H2-M3-Antigen präsentiert Peptide von intrazellulären Pathogenen wie Listeria monocytogenes und aus allelischen Varianten eines mitochondrialen Enzyms, das spezifisch n-formyliertes Methionin, ein einzigartiger struktureller Bestandteil prokaryotischer mitochondrialer Proteine.

Vor kurzem wurde eine zweite MHC-Klasse-I-verwandte oligomorphe Genfamilie, MIC, beim Menschen (in der Nähe von HLA-B), Ziege, Schwein, Hund und Hamster nachgewiesen. Diese Familie scheint sich unabhängig von anderen Klasse-I-Genen entwickelt zu haben, da ihre Gensequenzen ziemlich unterschiedlich sind. Es sind keine Funktionen bekannt, aber ihre Struktur legt die Fähigkeit zur Antigenpräsentation nahe.

Es gibt auch Klasse-I-ähnliche Moleküle, die von Genen kodiert werden, die sich außerhalb des MHC und auf verschiedenen Chromosomen befinden. 1) Der neonatale Fc-Rezeptor (FcRn), der erstmals bei Ratten und in jüngerer Zeit bei Mäusen und Menschen nachgewiesen wurde, ist in den ersten Wochen nach der Geburt bei jungen Säugetieren am Erwerb einer passiven humoralen Immunität beteiligt. FcRn bindet Immunglobulin G (IgG) aus der aufgenommenen Muttermilch und transportiert es durch Transzytose durch Darmepithelzellen in den Blutkreislauf. 2) CD1 ist eine kleine Multigenfamilie, die bisher in mehreren Säugetieren einschließlich Maus, Ratte und Mensch nachgewiesen wurde. Diese Antigene zeigen keinen signifikanten Polymorphismus. CD1-Proteine ​​präsentieren Nichtpeptid-Lipid (Mykolsäure) oder Glykolipid-Antigene aus intrazellulären Mykobakterien wie Mycobacterium leprae und M. tuberkulose zu CD8 + αβ T, CD4 − CD8 − αβ T oder γδ T-Zellen oder T-Zellen innerhalb von Epithelschichten. 3) Zink α2-Glykoprotein, ein mit Zink präzipitierbares Protein aus menschlichem Plasma, ist ein weiteres oligomorphes MHC-unverknüpftes Protein der Klasse I. Es ist keine physiologische Rolle für dieses Protein bekannt.

Im Gegensatz zu den nichtklassischen Klasse-I-MHC-Genen wurden nur wenige nichtklassische Klasse-II-MHC-Gene beschrieben. Humanes HLA-DMA und HLA-DMB und die murinen Homologen Ma, Mb1 und Mb2 sind Beispiele. Die menschlichen Gene kodieren für ein Heterodimer, DMA/DMB, das kein Zelloberflächenmolekül ist, sondern im endosomalen Kompartiment mit Klasse-II-Antigenen assoziiert ist. Es gibt Hinweise darauf, dass es die Peptidpräsentation durch konventionelle Klasse-II-Moleküle unterstützt.


Erklären Sie die allelische Komplementation auf molekularer Ebene - Biologie

Heterosis wurde in vielen verschiedenen Systemen beobachtet und in einigen Fällen genutzt. Beispiele für Interspezies-Kreuzungen von Säugetieren, die heterotische Phänotypen produzieren, umfassen das Maultier, das aus einer Kreuzung zwischen einem männlichen Esel und einem weiblichen Pferd resultiert, und das Liger, das aus einer Kreuzung zwischen einem Löwen und einem Tiger resultiert. In beiden Fällen sind diese interspezifischen Hybriden größer und in gewisser Weise kräftiger als die Eltern. Viele interspezifische Hybriden leiden jedoch unter einer verringerten Lebensdauer und einer verminderten Fruchtbarkeit. Heterosis beim Menschen wurde, manchmal kontrovers, vorgeschlagen, mehrere Phänotypen zu beeinflussen, einschließlich Attraktivität [ 1 ], IQ [ 2 , 3 ] und Körpergröße [ 4 – 6 ]. In der Landwirtschaft gibt es zahlreiche Beispiele, in denen Heterosis genutzt wurde, um produktivere und einheitlichere Produkte einschließlich Vieh [ 7 – 11 ] und Nutzpflanzen zu schaffen (Übersicht in [ 12 – 19 ]). Heterosis kann auch durch den im Pflanzenreich üblichen Prozess der Polyploidisierung erfasst und fixiert werden (Übersicht in [13, 14, 20]). In diesem Fall sind Hybriden, die durch sexuelle Kombination von nicht reduzierten Gameten oder durch Hybridisierung gefolgt von einer Chromosomenverdoppelung gebildet werden, oft fruchtbar und wurden oft als neue Arten klassifiziert. Polyploide Individuen zeigen einen allgemeinen Trend zu einer Zunahme der Größe, und die Erfassung heterotischer genetischer Effekte kann ihre Fitness und Produktivität weiter verbessern.

Die beeindruckenden phänotypischen Manifestationen heterotischer Hybriden in Verbindung mit der wirtschaftlichen Bedeutung von Hybridstämmen haben zu umfangreichen Forschungen geführt, um ihre Grundlagen zu verstehen. Diese Forschung folgte dem sich entwickelnden Wissen über die Genomzusammensetzung und genetische und biochemische Mechanismen und wird durch technische Fortschritte ermöglicht, die neue Messungen von Phänotypen und molekularen Prozessen ermöglichen.

2. Wie wird Heterosis definiert?

Historische Darstellungen der Entwicklung des modernen Konzepts der Heterosis finden sich in mehreren ausgezeichneten Artikeln [ 15 , 21 – 23 ]. Die Dokumentation der Bedeutung von Inzucht und Leistung umfasste Beschreibungen von frühen Landwirten, die die schädlichen Auswirkungen der Inzucht sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren bemerkten und Maßnahmen ergriffen, um diese Auswirkungen zu minimieren. Collins [ 24 ] dokumentiert Aktivitäten primitiver Stämme, um Inzucht zu mildern und die Heterosis zu maximieren, indem Samen mehrerer Stämme in jeden Maishügel, den sie gepflanzt haben, eingebracht werden. Darwin [ 25 ] untersuchte experimentell die schädliche Wirkung der Paarung unter Verwandten und stützte die Idee, dass die genetische Vielfalt mit der Vitalität der Hybriden zusammenhängt. Die Maisforschung war wichtig für die Entwicklung einiger der frühen Ideen der Heterosis [ 26 – 29 ] und ist bis heute ein wichtiger experimenteller Organismus. Shull’s [ 30 ] Artikel 𠇍ie Zusammensetzung eines Maisfeldes” wird weithin angesehen, da sie bahnbrechende grundlegende Ideen für die Inzucht und Hybridisierung von Nutzpflanzen lieferte und in der jüngsten Ära für die Nukleierungsforschung wichtig war.

Das grundlegende Konzept der Heterosis, wie es sich Shull vorstellt, besteht darin, dass schädliche Allele in großen Populationen mit zufälliger Paarung bestehen bleiben. Inzucht aufgrund von Drift, Populationsisolation oder planmäßiger oder zufälliger blutsverwandter Paarung verringert die Vitalität von Individuen oder Populationen aufgrund der zunehmenden Homozygotie schädlicher Allele. Die Vitalität wird durch Kreuzung zwischen divergenten Typen wiederhergestellt, da rezessive schädliche Allele im Hybridzustand komplementiert werden. Diese Grundidee steht im Einklang mit vielen Beispielen für Heterosis zwischen Arten.

Heterosis wird auf individueller oder Populationsbasis als Unterschied in der Leistung des Hybrids relativ zum Durchschnitt der Inzuchteltern (als Mittelwert der Eltern bezeichnet) quantifiziert. Für die quantitative genetische Analyse ist die Abweichung der Hybride relativ zum mittleren Elternteil der relevante Wert. Im praktischen Kontext ist die Heterosis mit hohem Elternteil, die die Überlegenheit des Hybrids gegenüber dem besten Elternteil misst, die wichtige Metrik.

Das konzeptionelle Gegenteil von Heterosis ist die Inzuchtdepression [ 31 ]. Dies ist der Kraftverlust nach verwandten Paarungen. Heterosis wird oft als Maximierung der Heterozygotie angesehen, während Inzuchtdepression auf eine Verringerung der Heterozygotie zurückzuführen ist. Inzuchtdepression wird als Leistungsminderung im Verhältnis zur Verringerung der Heterozygotie gemessen. Inzuchtdepression ist in vielen Bereichen wichtig, einschließlich der Landwirtschaft, wie zum Beispiel bei der Erhaltung von Erbstücksorten, der Naturschutzbiologie und der menschlichen Gesundheit. Unter allen Umständen, in denen Paarungen in kleinen Populationen und/oder assortative Paarungen auftreten, besteht ein erhöhtes Risiko einer Verringerung der Vitalität und Homozygotie schädlicher Allele in genotypischen Kontexten, die ansonsten in Populationen selten sind.

Es ist wichtig zu betonen, dass Heterosis-Maßnahmen phänotypabhängig sind. Zum Beispiel können interspezifische Säugetierhybride eine erhöhte Größe, Vitalität und andere wünschenswerte Fitnessmerkmale aufweisen, sind jedoch oft sehr steril und haben daher eine verringerte Fruchtbarkeit. Flint-Garciaet al. [ 32 ] maßen 17 Merkmale von 267 Maishybriden und fanden heraus, dass das Ausmaß der Heterosis bei jedem Hybrid im Vergleich zu seinen Eltern merkmalsabhängig war und dass Hybriden nicht einfach als heterotisch oder nichtheterotisch klassifiziert werden konnten. Aus wissenschaftlicher Sicht weist dies darauf hin, dass die Suche nach Mechanismen der Heterosis in einem praktischen Kontext im biologischen Kontext spezifischer Merkmale durchgeführt werden muss.

3. Ein Fall für die Dominanzhypothese: Anfang des 20. Jahrhunderts bis heute

Nach der quantitativen genetischen Theorie kann Heterosis aus Dominanz, Überdominanz oder Epistase resultieren. Überdominanz ist eine intraallelische Interaktion, bei der das Vorhandensein mehrerer Allele zu einer höheren Leistung als Homozygotie für einen der Allelzustände führt. Wenn Überdominanz die vorherrschende Grundlage der Heterosis ist, führen Populationen und Zuchtstrategien, die die Heterozygotie maximieren, zur besten Leistung. Auf der anderen Seite, wenn Dominanz oder Epistase der primäre Mechanismus der Heterosis ist, werden natürliche oder sich fortpflanzende Populationen und daher Individuen auf günstige Allele fixiert und funktionieren genauso wie alle Hybriden. Diesem Problem wurde von Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts durch die Analyse von Varianzkomponenten begegnet (zusammengefasst in Hallauer et al. [ 33 ]).

Varianzzerlegungsstudien in Hybridmaispopulationen mit Paarungsdesigns wie dem North Carolina Design III führten zu signifikanten Schätzungen der überdominanten Genwirkung (zusammengefasst in [ 33 ]). Moll et al. [ 34 ] und Gardner und Lonnquist [ 35 ] erkannten, dass Varianzschätzungen durch Kopplung verfälscht werden können. Insbesondere wenn positive und negative Allele in der Abstoßungsphasen-Verknüpfung wären und die Genwirkung jedes Locus teilweise bis zur vollständigen Dominanz wäre, würden sich die Allele an den beiden Loci häufig voneinander trennen, was zu Schätzungen einer Überdominanz führte. In dem von Moll et al. [ 34 ] und Gardner und Lonnquist [ 35 ] wurde der durchschnittliche Dominanzgrad in der ersten Generation der Vermischung aus einer Populationskreuzung und dann nach inkrementeller Vermischung über mehrere Generationen geschätzt. Das Ergebnis dieser Studien war, dass die Schätzung des durchschnittlichen Dominanzgrades abnahm, was mit einer partiellen Dominanz —nicht einer Überdominanz— der meisten Loci übereinstimmt, die zur Heterosis in Verbindung mit einer Repulsionsphase-Kopplung beitragen.

Die Bedeutung von Dominanz gegenüber Überdominanz wurde weiter durch wiederkehrende Selektionsstudien untermauert, in denen Populationen in Kreuzungen miteinander oder mit einem Inzuchttester bewertet wurden. Untersuchungen von Russell et al. [ 36 ] bei Mais unterstützte Dominanz versus Überdominanz als primäre Grundlage der Heterosis. Eine Komponente ihrer Studie war der Vergleich der Reaktion auf die Auswahl von Populationen, die auf der Grundlage der Leistung einer Kreuzung mit einem Inzuchttester im Vergleich zu einem Populationstester ausgewählt wurden. Wenn Überdominanz der primäre Mechanismus der Heterosis ist, dann würde der Inzuchttester die Population stärker verbessern als der Populationstester, da in einer Inzucht Allele fixiert sind, während sie in einer Population eine mittlere Häufigkeit aufweisen. Das Ergebnis dieser Komponente der Studie war, dass der Inzucht- und der Populationstester die Leistung der Population in ähnlicher Weise verbesserten, was der Bedeutung von Dominanz im Vergleich zu Überdominanz entspricht. Ein zweiter Bestandteil der von Russell et al. [ 36 ] war die Analyse der Selektion in zwei Populationen basierend auf der Leistung der Populationskreuzung. Wenn Überdominanz die primäre Grundlage der Heterosis wäre, würden die Populationen aufgrund der Selektion divergieren und die Homozygotie alternativer Allele innerhalb der Populationen erhöhen, um die Heterozygotie und die Leistung der Populationskreuzung zu maximieren. Das Ergebnis wäre eine steigende Leistung des Populationskreuzes und eine abnehmende Leistung der Populationen per se . Wenn alternativ Dominanz (oder Epistase) der primäre Mechanismus der Heterosis wäre, würde die Häufigkeit des günstigen Allels in jeder Population und damit auch in der Populationskreuzung zunehmen, was zu einer erhöhten Leistung der Populationen und der Populationskreuzung führen würde. Das Ergebnis ihrer Studie ergab eine Leistungssteigerung in allen Bevölkerungsgruppen, was die Bedeutung von Dominanz gegenüber Überdominanz unterstreicht. Beachten Sie auch, dass das Ausmaß des Kopplungsungleichgewichts in diesen Materialien wahrscheinlich ziemlich niedrig war, wodurch die verwirrenden Effekte einer Pseudo-Überdominanz minimiert wurden.

Quantitative Trait-Locus-(QTL-)Kartierungsstudien in Mais stimmen auch mit Dominanz versus Überdominanz als der vorherrschenden Art der Genwirkung überein, die der Heterosis für die Produktivität zugrunde liegt.Anfängliche QTL-Studien zeigten viele QTL mit überdominanter Genwirkung in Populationen, die von heterotischen Maishybriden für Merkmale wie Ertrag und Pflanzenhöhe abgeleitet wurden [37, 38]. Die anschließende genetische Dissektion eines QTL mit geschätzter überdominanter Genwirkung zeigte jedoch, dass der ursprüngliche QTL in zwei verbundene QTLs in der Abstoßungsphase mit dominanter Genwirkung aufgetrennt werden konnte [39, 40] führte eine QTL-Kartierungsstudie mit 3 rekombinanten Inzuchtpopulationen unter Verwendung von a . durch North Carolina Design III-Ansatz. Die Ergebnisse dieser Studie stimmten mit früheren Studien an Mais überein. Eine überdominante Genwirkung wurde für die QTL-Kontrolle des Getreideertrags geschätzt, aber diese QTL wurden in zentromerischen Regionen mit hohem Kopplungsungleichgewicht (LD) gefunden und als Pseudoüberdominanz interpretiert. In Übereinstimmung mit vielen anderen Studien war der Grad der Heterosis merkmalsabhängig, mit der größten Heterosis für den Ertrag. Daher stimmen neuere QTL-Kartierungsstudien bei Mais im Allgemeinen auch mit einer Prävalenz von Dominanz überein, die heterotischen Merkmalen einschließlich Ertrag und Ertragskomponenten und Wachstumsmerkmalen wie Pflanzenhöhe zugrunde liegt.

Xiaoet al. [ 41 ] bewerteten Heterosis für zehn Merkmale per se unter Verwendung einer Testkreuzungsbewertung einer rekombinanten Inzuchtlinienpopulation, die aus einer interspezifischen Indica × japonica-Kreuzung in Reis abgeleitet wurde. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Dominanz die primäre Grundlage der Heterosis in dieser Kreuzung war, basierend auf Beweisen aus QTL, dem Fehlen signifikanter epistatischer digenischer Interaktionen und der relativ geringen Beziehung zwischen Marker-Heterozygotie und Leistung für die meisten Merkmale. Darüber hinaus übertrafen zwei Inzuchtlinien aus der Population die Leistung des Hybrids, was mit der Annahme übereinstimmt, dass es unter der Dominanzhypothese möglich ist, ein homozygotes Individuum zu produzieren, das alle günstigen Allele enthält, die die beobachtete Hybridleistung erzeugt haben.

Trotz der überwiegenden Belege für die Rolle der Dominanz bei der Heterosis für den Ertrag von Pflanzen, insbesondere im Zusammenhang mit einer Kopplung, die zu einer Pseudoüberdominanz führt, gibt es Beobachtungen, die nicht mit der Dominanzhypothese vereinbar sind. Eine wichtige Beobachtung ist, dass bei einigen Hybriden die Leistung des Hybrids größer ist als die Summe der Eltern. Bei vollständiger Dominanz entspräche die maximale Leistung des Hybrids der Summe der Eltern. Darüber hinaus gibt es, wie unten beschrieben, gut dokumentierte Beispiele für Überdominanz, und es gibt zunehmend Hinweise auf die Rolle der Epistase unter Verwendung neuer experimenteller und statistischer Ansätze.

4. Überdominanz: Begründung und Beispiele

Übermäßige Dominanz steht konzeptionell im Einklang mit der Idee, dass genetische Unähnlichkeit per se Vitalität stimuliert und in einem praktischen Kontext der optimale genetische Zustand für günstige Allele Heterozygotie versus Homozygotie ist. Überdominanz liefert eine Erklärung für Beispiele, in denen die Hybridleistung größer ist als die Summe der Eltern, was im Widerspruch zur Dominanzhypothese steht.

Schätzungen der überdominanten Genwirkung wurden nun im Allgemeinen wie oben beschrieben Pseudoüberdominanz zugeschrieben. Es wurden jedoch faszinierende Beispiele für Übermacht gemeldet. Ein biochemisches Beispiel für Überdominanz von Schwartz und Laughner [ 42 ] war intellektuell wichtig, um die anhaltende Debatte über die Grundlage der Heterosis zu befeuern. Diese Studie umfasste die Aktivität des Enzyms adh1 , das als Heterodimer fungiert. Ein Allel des Enzyms mit hoher Aktivität wurde mit einem Allel kombiniert, das Hitzetoleranz aufwies. Die Aktivität des resultierenden biallelischen Enzyms war der jeder monoallelischen Form unter spezifischen Stressbedingungen überlegen. Dieses Ergebnis bietet eine konzeptionelle Grundlage, um molekulare Mechanismen zu berücksichtigen, durch die intraallelische Wechselwirkungen eine erhöhte Leistungsfähigkeit und Stresstoleranz bieten würden.

Kriegeret al. [ 43 ] berichteten über ein Einzelgenmodell für Überdominanz basierend auf dem Entwicklungstiming. In dieser Studie führt die Heterozygotie für ein funktionelles Allel und ein Funktionsverlust-Allel am Single Flower Truss (SFT)-Locus in Tomaten zu einem überdominanten Fruchtertrag. Dieses Gen ist homolog zu Arabidopsis Flowering Locus T (FT), das an der Produktion des Blütenhormons Florigen beteiligt ist. Die überdominante Genwirkung für den Ertrag ist in diesem Beispiel das Ergebnis einer Verschiebung des Entwicklungsprogramms, so dass sich im Heterozygoten eine erhöhte Anzahl von blühenden Blütenständen im Vergleich zum Wildtyp-Homozygoten, der die Blütenstandsproduktion früher beendet, und dem mutierten Homozygoten, der begrenzt produziert, bilden kann Blütenstände und mehr vegetatives Wachstum. Im Gegensatz zum konkreten Beispiel einer intraallelischen Interaktion bei der adh1-Heterose basiert das SFT-Ergebnis auf einer dosisabhängigen molekularen Expression (möglicherweise additiv), die zu einem Gleichgewicht des Genprodukts führt, das sich in einem überdominanten Phänotyp manifestiert. Das SFT-Ergebnis ist auch überzeugend, da es wahrscheinlich mehrere Beispiele für intra- und interspezifische Hybride gibt, bei denen Funktionsverlust oder allelische Abwesenheit aufgrund von Anwesenheits-/Abwesenheitsvariation (PAV) in Hybriden mit einem funktionellen Allel kombiniert werden. Schließlich hebt dieses Beispiel die potenziellen Produktivitätsergebnisse der Feinabstimmung von Entwicklungsprogrammen hervor.

Semelet al. [ 44 ] untersuchten die Genwirkung für 35 Merkmale in Tomaten unter Verwendung einer Introgressionslinienpopulation , bei der jede Linie der Kulturtomate ( Solanum lycopersicum ) einen kleinen Beitrag aus dem Genom der Wildart Solanum pennellii enthielt . Die Introgressionslinien wurden mit einer kultivierten Linie gekreuzt, um Hybriden zu erzeugen. Die meisten reproduktiven Merkmale im Zusammenhang mit dem Samen- und Fruchtertrag zeigten eine Überdominanz, während die nicht reproduktiven Merkmale, die sich hauptsächlich auf morphologische Merkmale bezogen, dies nicht taten. Basierend auf der Tatsache, dass einige Merkmale eine Überdominanz zeigten, während andere dies nicht taten, argumentierten die Autoren, dass diese Studie eine echte Überdominanz im Gegensatz zu einer Pseudo-Überdominanz unterstütze. Um zu beurteilen, ob diese Interpretation richtig ist, sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Diese und andere hier nicht aufgeführte Beispiele belegen, dass Überdominanz bei Heterosis eine Rolle spielen kann. Die Mehrheit der bisherigen Studien, basierend auf der Reaktion auf die Selektion, der Aufteilung der genetischen Varianz und der QTL-Kartierung, stimmt jedoch mit einer geringeren Rolle für Überdominanz als für Dominanz überein.

5. Epistase: Neue Beweise für die Rolle der Epistase bei Heterosis

Die Rolle der Epistase bei der Heterosis bleibt unklar, obwohl neuere Experimente zunehmend Beweise für ihre Bedeutung liefern. Schätzungen der epistatischen Varianz in frühen Studien zur Heterosis waren durch die Experimentgröße und die Rechenkapazität begrenzt. Neuere Studien, die molekulare Marker und moderne, rechenintensive statistische Ansätze verwenden, haben die Fähigkeit, epistatische Wechselwirkungen zu erkennen, verbessert.

Die Generierungsmittelanalyse lieferte einige der ersten überzeugenden Beweise für die Rolle der Epistase in der Hybridleistung. Ein aktuelles Beispiel von Wolf und Hallauer [ 45 ] verwendet eine bedarfsbasierte Analyse, um die Rolle der Epistase bei der Heterosis zu unterstützen. Die Dreifach-Testkreuzungsanalyse vergleicht die relative Leistung segregierender Nachkommen, wenn sie mit beiden Elternteilen und mit dem F . gekreuzt wurden1 hybrid. Abweichung in der Leistung der F1 Testkreuzung aus dem Durchschnitt der elterlichen Testkreuzungen stimmt mit der epistatischen Genwirkung überein. Mit diesem Ansatz entdeckten die Autoren Epistase für mehrere Merkmale, einschließlich Ertrag, Ertragskomponenten und Zeitpunkt der Entwicklung bei den Nachkommen des heterotischen Hybrids B73 × Mo17.

Jüngste Studien an Mais, Reis und Arabidopsis basierend auf QTL-Mapping berichten über Epistase für verschiedene Merkmale. Kusterer et al. [ 46 ] verwendeten ein Triple-Testcross-Design im Kontext der QTL-Analyse in Arabidopsis, um die Bedeutung der Epistase für Biomassemerkmale zu charakterisieren. Diese Forschung wurde durch eine verwandte Studie zu nahezu isogenen Linien ergänzt [47, 48]. Neuere QTL-Mapping-Studien unterstützen die Rolle der Epistase bei Reis [ 49 – 51 ]. Die Art der Epistase variiert in diesen Studien, von primär additiver × additiver Epistase bis hin zu dominanten epistatischen Interaktionen, zumindest teilweise aufgrund experimenteller Materialien und Ansätze. Yuet al. [ 49 ] bewertete Inzucht F2-abgeleitetes F3 Familien aus der intraspezifischen Kreuzung Zhenshan97 × Minghui63 und berichteten über eine Dominanz von additiven × additiven Wechselwirkungen, die der Leistung für den Getreideertrag zugrunde liegen. Im Gegensatz dazu haben Li et al. [ 50 ] bewerteten Rückkreuzungs- (BC) und Testkreuzungshybride von Nachkommen eines interspezifischen Japonica-×-Indica-Hybrids und berichteten über überdominante epistatische Interaktionen. Huaet al. [ 51 ] bewertete ein “iimmortalisiertes F2” Population basierend auf sich kreuzenden rekombinanten Inzuchtlinien und berichtete über die wichtige Rolle bei dominanten × dominanten epistatischen Interaktionen. Bei der Interpretation und Zusammenfassung der Trends in diesen Studien zeigen (1) interspezifische Populationen, deren Eltern über einen längeren Zeitraum genetisch getrennt wurden, mehr Segregation und ein höheres Maß an epistatischer Genwirkung, (2) Versuchsdesigns, die Individuen mit mehr Heterozygotie verwenden (Testcross oder intermitierte RIL) ein höheres Maß an Dominanz erkennen und (3) die Interpretation von Überdominanz bleibt in den meisten Studien mit Pseudoüberdominanz verwechselt.

Es ist logisch, die potenzielle Relevanz im Zusammenhang mit metabolischen und physiologischen Pfaden zu betrachten. Ein physiologischer Stoffwechselweg, der speziell im Zusammenhang mit Heterosis untersucht wurde, ist der Metabolismus und die Signalübertragung von Gibberellinsäure (GA). Die Produktion von GA umfasst einen mehrstufigen Weg, und die Transduktion des GA-Signals umfasst ein komplexes Signalnetzwerk. Daher bietet dieser Stoffwechsel- und Signalweg reichlich Gelegenheit für die Expression der epistatischen Genwirkung. In Mais enthalten Inzuchten weniger endogenes GA und Vorläufer als entsprechende Hybride [ 52 ]. Die Anwendung von exogenem GA stimuliert das Wachstum von Inzuchten stärker als von Hybriden [53, 54], was mit der Hypothese übereinstimmt, dass die verringerte Effizienz von Inzuchten, GA zu produzieren, zu einer verringerten Biomasseakkumulation führt. Eine kürzlich durchgeführte Studie an Reis liefert eine ähnliche Unterstützung für die Rolle von GA bei der Heterosis für die Biomasseakkumulation [ 55 ]. Diese Studie lieferte metabolische und transkriptomische Beweise, um die Bedeutung der GA-Synthese und der Signalübertragung bei der Heterosis während der Entwicklung von Reiskeimlingen zu unterstützen.

Die Rolle der Epistase bei der Leistung heterotischer und nichtheterotischer Merkmale bleibt faszinierend und verblüffend. Konzeptionell ist klar, dass viele und unterschiedliche komplexe Wege interagieren, um Phänotypen bei Individuen zu erzeugen, was die Wahrscheinlichkeit unterstützt, dass genetische Epistase entdeckt werden sollte. Die genetische Epistase erfordert jedoch nicht nur interagierende molekulare Wege, sondern auch eine allelische Variation innerhalb interagierender Wege von ausreichender Größe, um eine signifikante statistische Interaktion bereitzustellen. Große QTL-Kartierungsstudien finden wenig Hinweise auf epistatische Interaktionen für spezifische Entwicklungs-, Architektur- und biochemische Merkmale [ 56 – 58 ], obwohl, wie zuvor beschrieben, die Heterosis bei hochkomplexen Merkmalen wie dem Kornertrag größer ist, Merkmale, für die quantitative genetische Studien unterstützen häufiger die Rolle der Epistase. In Fällen, in denen qualitative Mutationen in mehrere genetische Hintergründe eingeschleust wurden, gibt es zwingende Beweise dafür, dass die Expression stark vom Hintergrund abhängig ist. Daher ist es logisch, dass Gene mit geringerer Wirkung auf die gleiche Weise interagieren sollten. Die Wirkung einzelner Gene/QTL muss jedoch ausreichend groß sein, damit Wechselwirkungen im Rahmen spezifischer Versuchsanordnungen und Populationsgrößen nachweisbar sind. Das Verständnis der Rolle der Epistase bei der Heterosis und der Expression anderer Merkmale wird sich mit der Weiterentwicklung molekularer Werkzeuge und statistischer Ansätze weiter verbessern. Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass es noch viel mehr über epistatische Geninteraktionen zu lernen gibt, die der Heterosis zugrunde liegen.

Es ist wichtig zu erkennen, dass Schätzungen der Genwirkung auf einem logischen Rahmen von Genen, Allelen und allelischen Effekten basieren (z. B. Falconer und Mackay [59]) und Interpretationen nur im Kontext dieses Rahmens relevant sind. Im nächsten Abschnitt werde ich molekulare Mechanismen diskutieren, die mit diesem Rahmen in Einklang stehen. Es wurden jedoch Mechanismen der phänotypischen Variation aufgrund von ortsunabhängigen, genomweiten Mechanismen vorgeschlagen und später in diesem Artikel zusammengefasst. Beachten Sie, dass die phänotypische Variation aufgrund dieser Mechanismen immer noch im Kontext von genspezifischen Modellen in Varianzkomponentenstudien aufgrund von Einschränkungen im Modell unterteilt wird, aber tatsächlich aus einem allgemeineren Mechanismus resultieren kann.

6. Molekulare Evidenz im Einklang mit quantitativen genetischen Modellen

Das Konzept der Heterosis hat sich parallel zu Entdeckungen auf der molekularen Grundlage der Mutation, der Kontrolle von Transkription und Translation und der Entdeckung vererbbarer Allelzustände auf Chromatinbasis entwickelt. Quantitative genetische Modelle, die aktuellen Züchtungs- und Varianzpartitionierungsmodellen zugrunde liegen, basieren auf vererbbarer allelischer Variation, die konsistente Wirkungen innerhalb definierter genetischer und umweltbezogener Kontexte bietet. Ein frühes und immer noch vorherrschendes Modell alternativer allelischer Zustände ist das Vorhandensein jedes Gens in allen Individuen einer Spezies mit einer Reihe von Sequenzvarianten, die geringfügige bis extreme funktionelle Konsequenzen mit sich bringen könnten, einschließlich intermediärer bis vollständiger Funktionsverlust-Allele. Dieses Konzept steht im Einklang mit dem umfangreichen Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP), Indel und Transposon-Variationen, die innerhalb und in der Nähe von Genen beim Vergleich einzelner Genome innerhalb von Arten gefunden werden [ 60 – 65 ]. Die Entdeckung, dass Pflanzengenome einen großen Anteil repetitiver Transposons enthalten, erhöht die Möglichkeit für Transposons, die Expression benachbarter Gene zu beeinflussen, einschließlich der Veränderung der Expressionsniveaus, der Erzeugung einer ektopischen Genexpression und der Erzeugung allelischer Variation durch die Einführung von Fußabdrücken nach der Insertion und Exzision [ 66 ]. In letzter Zeit unterstützt die zunehmende Erkenntnis der Bedeutung der Präsenz-Absenz-Variation (PAV) und der Kopienzahlvariation (CNV) das Konzept von Pangenomen innerhalb von Arten, bei denen nicht alle Individuen einer Art eine Kopie aller Gene enthalten, die in der Art vorkommen [ 67 – 70 ]. Schließlich bieten vererbbare Epiallele [ 71 ] einen sequenzunabhängigen Mechanismus, um veränderte Expressionsniveaus zu erzeugen, die möglicherweise schneller zurückkehren können, um schnelle direkte oder natürliche evolutionäre Veränderungen zu unterstützen.

Alle diese Allel-erzeugenden Mechanismen —SNPs, Transposons, PAVs und Epiallele— stehen im Einklang mit der Hypothese, dass ortsspezifische intraallelische Interaktionen mit einem gewissen Grad an Dominanz für die Heterosis verantwortlich sind. SNPs können beispielsweise die Funktion reduzieren, indem sie die Aktivität oder Produktivität von Enzymen verändern oder die Effizienz der Transkriptionsfaktorbindung verringern. Ein Funktionsverlust könnte aus SNPs resultieren, die Nonsense-Allele produzieren oder Spleißverbindungen verändern, oder Transkriptverlust aufgrund des Fehlens einer Sequenz oder durch epigenetisches Silencing. Allele mit reduziertem oder vollständigem Funktionsverlust können in zufällig gepaarten hoch heterozygoten Populationen von Individuen akkumuliert werden. Bei Inzucht würde die Homozygotie von schädlichen Allelen zu einem Vitalitätsverlust (Inzuchtdepression) führen, der durch die Paarung genetisch nicht verwandter Individuen wiederhergestellt würde.

Neue Allele treten im Zusammenhang mit chromosomalen Lokalisationen auf, und neuere Studien, die die Nichtlinearität der Häufigkeit von Rekombinationsereignissen über das Chromosom definieren [72], stimmen mit Beobachtungen von Pseudoüberdominanz überein. Die Akkumulation von Mutationen in zentromerischen Regionen mit eingeschränkter Rekombination führt zu quantitativen genetischen Schätzungen einer Überdominanz in Varianzanalysen und QTL-Studien aufgrund des hohen Grades an anhaltendem Kopplungsungleichgewicht in diesen Regionen. Das Potenzial von Regionen mit begrenzter Rekombination, schädliche Allele zu beherbergen, die selten die Möglichkeit zur Rekombination haben, ist die Grundlage des von Pflanzenzüchtern verwendeten Konzepts der heterotischen Muster, steht im Einklang mit der in genetisch isolierten natürlichen und künstlichen Populationen beobachteten Heterosis und bietet eine Grundlage für der Wert der Polyploidie zur Fixierung heterotischer Geninteraktionen durch die Kombination divergenter, aber verwandter Genome.

Von Pflanzenzüchtern verwendete heterotische Muster [ 73 ] bieten ein nützliches konzeptionelles Modell, um Heterosis in isolierten Populationen zu diskutieren. Züchter haben Zuchtlinien absichtlich in verschiedene Gruppen (Elternpools) unterteilt und die Vermischung zwischen Pools begrenzt, um die Leistung von Hybriden zwischen Eltern, die aus den Gruppen ausgewählt wurden, zu maximieren. Betrachten Sie zum Beispiel die Möglichkeit, dass eine Spezies mit 10 Chromosomen ein Loci-Paar auf jedem der 10 Chromosomen im Abstand von 1 Centimorgan in der Abstoßungsphase mit dominanter Genwirkung hat. Es wäre relativ einfach, basierend auf dem Phänotyp oder Genotyp, zwei Zuchtpools zu entwickeln, die für die komplementierenden Allelpaare an jeder dieser 10 Positionen fixiert würden, um die volle Leistung der Hybriden zwischen den Pools zu erzielen. Gameten, die Rekombinationsereignisse in jedem der Intervalle enthalten, wären jedoch erforderlich, um ein Individuum aus der Gründerpopulation mit günstigen Allelen an allen 20 Loci (10 Paare) zu erzeugen. In einer einzigen Generation würde diese Kombination mit einer Häufigkeit von 0,05 10 = 1 von 10 Billionen Individuen auftreten, mehr als das Fünffache der Anzahl der in den Vereinigten Staaten pro Jahr angebauten Maispflanzen. In Wirklichkeit ist die Situation viel komplexer mit mehreren Loci in der Abstoßungsphase in genomischen Regionen mit hoher und anhaltender LD, was es logisch macht, das Leistungspotenzial von Verknüpfungsblöcken zu erfassen, anstatt zu versuchen, außergewöhnlich seltene rekombinante Typen zu identifizieren, die Abstoßungsphase-Verknüpfungen auflösen . Dieses Konzept kann auf geographisch oder genetisch isolierte Populationen angewendet werden. Inzucht aufgrund von Drift würde zu einer Divergenz genomischer Blöcke in Regionen mit hoher LD führen, was zu einer verringerten Gesamtleistung führt. Nach vielen Generationen der Trennung würde bei der Kreuzung der Populationen aufgrund der Komplementation Heterosis beobachtet.

Obwohl die Dominanzhypothese von einigen als „kalte Sicht“ der Heterosis beschrieben wurde, steht sie im Einklang mit der Mehrheit und Vielfalt der Ergebnisse, die bei allen Arten beobachtet wurden, einschließlich der vorhersagbaren Vererbbarkeit für die Leistung, wenn Populationen einer Selektion unterzogen werden, Schätzungen der Genwirkung in kontrollierte Experimente und aktuelle Informationen über die molekularen Grundlagen des Allelismus. Dennoch ist es möglich, dass quantitative genetische Modelle, die Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden, nicht alle heute verstandenen molekularen Mechanismen angemessen erfassen, und es gibt zumindest anekdotische Berichte über spezifische Hybriden, die basierend auf klassischen quantitativen genetischen Modellen die Erwartungen übertreffen. Diese Beobachtungen spornen weiterhin die Erforschung molekularer Mechanismen an, möglicherweise genomweit und ortsunabhängig, die erforderlich sind, um zumindest einen Teil der Heterosis zu erklären.

7. Genomische Analyse von Heterosis

Der Phänotyp ist das Ergebnis der Interpretation genetischer Informationen durch die Prozesse der Transkription, Translation sowie des Stoffwechsels und der Entwicklung. Genomstudien haben daher das Transkriptom, Proteom, Metabolom und verwandte Kontrollmechanismen in Inzucht und Hybriden als Ansatz zur Bewertung der Beziehung zwischen beobachteten Phänotypen und zugrunde liegenden molekularen Signalwegen bewertet. Die einfachste Interpretation wäre eine direkte Beziehung zwischen molekularer Expression und beobachtetem Phänotyp, so dass zusätzliche Transkriptmengen einen intermediären Phänotyp erzeugen würden. Es ist wichtig anzumerken, dass der Zusammenhang zwischen molekularen Maßen und endgültigem Phänotyp wahrscheinlich nicht so klar sein wird, wie im oben zitierten Tomatenbeispiel für Überdominanz [ 43 ], bei dem die intermediäre transkriptionelle Expression am SFT-Locus zu einer Überdominanz für den Ertrag führte.

Transkriptomstudien messen die relative Gesamtmenge an Transkript pro Locus oder können den relativen Beitrag jedes Allels in Hybriden messen. Beide Arten von Informationen sind nützlich und ergänzen sich, aber es ist wichtig zu erkennen, dass es sich um unterschiedliche Transkriptionsmaße handelt und dass keiner von beiden Informationen über das Transkript eines einzelnen Gens pro Zelle liefert.Genomweite Studien des Transkriptoms bei Inzucht- und Hybrideltern zeigen, dass die Mehrheit der Gene additiv exprimiert wird [ 74 – 76 ] und ein kleinerer Anteil der Gene eine nicht-additive Expression zeigt, von denen ein sehr kleiner Prozentsatz eine Expression außerhalb zeigt die elterlichen Werte (transkriptionelle Überdominanz oder Epistase). Eine nicht-additive Genwirkung könnte aus genetischen und epigenetischen intraallelischen Interaktionen einschließlich Paramutation oder aus interallelischen Interaktionen (Epistasis) resultieren. Ein Beispiel für eine epistatische Wechselwirkung, die zu einer Expression über die elterlichen Werte hinaus führt, wäre die Komplementierung von Allelen in einem heterodimeren Transkriptionsfaktor, die zu einer transkriptionellen Aktivierung eines Weges in einem Hybrid führen würde, der in keinem Elternteil aufgrund des Fehlens einer Komponente transkriptionell aktiv ist. Es ist bemerkenswert, dass diese Art der epistatischen Interaktion in genomweiten Transkriptomstudien selten beobachtet wird.

Die Gesamttranskription an einem Locus ist ein kombinierter Beitrag von jedem Elternteil. Es ist möglich, dass ein additiver Expressionswert aus einem linearen Beitrag jedes elterlichen Allels im Hybrid relativ zu seiner Expression in der Inzucht (cis-Kontrolle) resultiert oder auf die Heterozygotie eines entfernten Kontrollfaktors zurückzuführen ist, der das Expressionsniveau moduliert (Trans-Kontrolle). Stupar und Springer [74] untersuchten den allelischen Beitrag zur Expression im Hybrid über mehrere Loci hinweg und stellten fest, dass die Mehrheit der Loci in cis kontrolliert wurde. Dies stimmt im Allgemeinen mit den Beobachtungen von Guo et al. [ 77 ], die die genomweite allelspezifische Expression in Maishybriden untersuchten und hauptsächlich intermediäre Beiträge von beiden Elternteilen mit einigen Loci fanden, die einen mütterlichen oder väterlichen Bias aufwiesen. In einer verwandten Studie haben Guo et al. [ 78 ] berichteten, dass die väterlich beeinflusste Expression unter dem Stress einer hohen Pflanzendichte höher und bei einem alten Hybrid höher war als bei einem neuen Hybrid, was auf eine potenziell wichtige Umweltkomponente für die beobachteten Expressionswerte hindeutet.

Additive Transkriptniveaus von Genen könnten auf verschiedene Weise zu einer nicht-additiven phänotypischen Leistung führen. Erstens kann die Anwesenheit eines einzigen günstigen Allels ausreichend sein, um eine Proteinfunktion bereitzustellen, die dem hohen Elternniveau äquivalent ist, selbst wenn beide exprimiert werden und das günstige Allel nur in der Hälfte der Menge vorhanden ist. Zweitens konnten additive Expressionsniveaus in dem Hybrid in Fällen eines Präsenz-Abwesenheit-allelischen Kontrasts im Elternteil beobachtet werden, wobei ein Elternteil keine Expression aufwies und der andere ein funktionelles Produkt exprimierte. Das Hybrid kann nur die Hälfte der Expression des das Gen enthaltenden Elternteils aufweisen, aber diese Expressionsmenge könnte ausreichend sein, um den Mangel aufgrund des Fehlens des Gens im anderen Elternteil zu kompensieren. Daher stimmen die beobachteten Ergebnisse mit quantitativen genetischen Beobachtungen auf der Grundlage des Phänotyps überein. Es ist bemerkenswert, dass der Hybrid im Allgemeinen eine vorhersagbare Kombination der Inzuchteltern ist und dass er keine genomweiten üppigen Transkriptionsniveaus aufweist, die nicht durch die elterlichen Expressionsniveaus vorhersagbar sind, wie von einigen Modellen vorgeschlagen [79].

Verschiedene Studien haben kleine RNA-Spiegel in Inzuchten und Hybriden gemessen, von denen einige einen starken Hinweis auf die Rolle kleiner RNAs bei der Heterosis geben [80, 81]. Eine kürzlich durchgeführte Studie an Mais mit Illumina-Sequenzierung und qPCR-Bestätigung zeigte, dass, wie bei der Gentranskription, kleine RNA-Spiegel im Allgemeinen im Hybrid mit Mengen addiert werden, die basierend auf der Inzucht vorhersagbar sind [ 82 ]. Es ist möglich, dass additive Wechselwirkungen zwischen verschiedenen kleinen RNAs, wie bei genetischen Transkriptionsfaktoren, zu einer nicht-additiven Expression der von ihnen kontrollierten Loci führen können, obwohl diese Art der Expression eine Minderheit ist. Ein interessanter Befund im Barber et al. [ 82 ] Studie war die Beobachtung, dass hybride Maispflanzen im Vergleich zu ihren Inzuchteltern, die alle die mop1-Mutation (ein Protein, das für die meisten 24nt Small RNA-Produktion notwendig ist) enthielten, gleich oder heterotischer waren als nicht mutierte Hybride. Dieses Ergebnis zeigt, dass diese spezifische Klasse kleiner RNAs für die heterotische phänotypische Expression in Maishybriden nicht erforderlich ist.

Die Proteomanalyse ist ein weiterer Ansatz, der verwendet wurde, um molekulare Komponenten der Heterosis zu charakterisieren. Die proteomische Analyse von Keimlingswurzeln von Mais [ 83 – 86 ] und Reis [ 87 ] zeigt, dass die nicht-additive Expression von Proteinen in Hybriden gegenüber Inzuchten häufiger vorkommt als nicht-additive Transkriptionsvariationen. Dahalet al. [ 88 ] verglichen zwei heterotische Maishybride mit einer nichtheterotischen Hybride. Sie fanden heraus, dass Proteine, die an Stressreaktion und Protein- und Kohlenstoffmetabolismus angereichert sind, in heterotischen Hybriden unterschiedlich exprimiert werden. Ihre Ergebnisse zeigten, dass der Grad der Heterosis mit der Häufigkeit von Proteinisoformen und/oder -modifikationen korreliert war.

Zusammenfassend liefern umfangreiche genomische Studien zwar Erkenntnisse, aber keine direkten Antworten auf die Grundlagen der Heterosis. Alle Modi der Genwirkung �itivität, Dominanz, Überdominanz und Epistase werden auf molekularer Ebene beobachtet, aber die Interpretation dieser molekularen Effekte auf den endgültigen Phänotyp bleibt komplex und weitgehend undefiniert. Insgesamt stimmen die Ergebnisse mit der Bedeutung spezifischer allelischer Varianten bei der Manifestation von Heterosis und mit der vorhersagbaren Vererbung molekularer Phänotypen überein. Es wurden jedoch einige Mechanismen vorgeschlagen, die unabhängig von allelischen Effekten sind und eher genomweite Antworten auf genomische Diversität sind. Diese möglichen Mechanismen werden im folgenden Abschnitt diskutiert.

8. Genomweite Modelle zur Erklärung von Heterosis

Die heterotische Expression von Phänotypen korreliert in vielen Fällen mit der genetischen Distanz [ 89 – 93 ]. Dies trifft zwar im Allgemeinen zu, am deutlichsten ist der Zusammenhang jedoch im Vergleich von Hybriden mit ähnlicher Anpassung, die nach Produktivität ausgewählt wurden (zusammengefasst von Melchinger [ 94 ]). Ein Beispiel wäre die Sammlung von öffentlichen und privaten, nicht PVP-Maisinzuchten, die in den USA veröffentlicht wurden und für die Aufführung in im Allgemeinen ähnlichen Kontexten ausgewählt wurden. Innerhalb dieser Gruppe wäre aufgrund der Züchtungsmethode, mit der die Linien entwickelt wurden, eine starke Korrelation zwischen genetischer Vielfalt und Leistung zu erwarten. Wenn die genetische Distanz größer wird und die Anpassungskomplexität eingeführt wird, geht die Beziehung zwischen Leistung und genetischer Vielfalt verloren. Daher ist die genetische Vielfalt an sich nicht die alleinige Grundlage für Heterosis. Im weiteren Sinne wäre nicht zu erwarten, dass andere Mechanismen, die Diversität erzeugen, wie Mutagenese, Heterosis erzeugen, die dem Grad der Divergenz entspricht. Nichtsdestotrotz wurde postuliert, dass das Genom Mechanismen besitzt, um Diversität zu erkennen und die Reaktion auf Diversität in heterotische Leistung übersetzt werden kann. Genomweite Mechanismen werden als Gen-/Allel-unabhängig angesehen. Beachten Sie, dass auf der Grundlage dieser Definition genomweite Mechanismen auch als merkmalsunabhängige Heterosis für alle Merkmale in ähnlichem Maße angesehen würden. Im Allgemeinen ist die Heterosis zwischen Hybriden nicht allgemein, sondern eher merkmalsspezifisch (zusammengefasst bei Kaeppler [ 95 ]).

Ein genomweiter Mechanismus, der als Grundlage der Heterosis vorgeschlagen wurde, sind Veränderungen der DNA-Methylierung oder allgemeiner des Chromatin-Zustands. Vererbbare epigenetische Variation ist ein gemeinsames Merkmal von Pflanzengenomen, wahrscheinlich häufiger als Sequenzvariation (Becker und Weigel [96]). Die Möglichkeit gerichteter oder zumindest häufigerer Veränderungen der DNA-Methylierung in Hybriden relativ zu ihren Inzucht-Vorläufern steht im Einklang mit der potentiellen Wachstumsstimulation auf der Grundlage der Diversität an sich. Dies entspricht auch allel- und locusspezifischen Beobachtungen von Paramutationen [ 97 – 99 ], bei denen die allelische Interaktion zu einer erblichen Veränderung des Expressionszustands führt, eine Beobachtung, die mit den Grundsätzen der quantitativen genetischen Theorie nicht vereinbar ist. Jüngste Studien zur genomweiten Methylierungsanalyse durch Sequenzierung von Inzuchten und Hybriden legen nahe, dass wiederholbare Methylierungsänderungen bei der Hybridisierung, die wahrscheinlich durch kleine RNAs gesteuert werden, etwas üblich sind [ 100 , 101 ], aber es bedarf weiterer Forschung, um die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Genexpression zu verstehen und Phänotyp.

Die sequenzbasierte Analyse der DNA-Methylierung liefert mehr Details als frühere Studien, die auf dem Gesamtanteil von 5-Methylcytosin im Genom basieren, aber Studien, die auf dem Anteil methylierter Cytosine basieren, liefern einige faszinierende Hinweise auf Umwelteinflüsse auf Methylierungsänderungen und potenzielle Unterschiede zwischen den Arten . Tsfartiset al. [ 102 ] berichteten von verringerten DNA-Methylierungswerten bei Hybriden im Vergleich zu Inzuchtmaispflanzen und fanden heraus, dass die Verringerungen mit Stress (Aussaatdichte) in Zusammenhang stehen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Veränderungen der Methylierung erblich sind. Kürzlich haben Vergeer et al. [ 103 ] berichteten, dass Inzucht bei Scabiosa mit einer erhöhten genomweiten DNA-Methylierung korreliert und bei Hybriden reduziert ist. Darüber hinaus berichten sie, dass die Anwendung eines Demethylierungsmittels, 5-Azacytidin, bei Inzuchten die Produktivität auf das Hybridniveau wiederherstellte. Obwohl 5-Azacytidin genomweite Wirkungen hat, ist nicht klar, ob die beobachtete Stimulierung der Vitalität ein ortsspezifischer Effekt ist, der möglicherweise mit der Blüte zusammenhängt. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu Shen et al. [ 101 ], die eine Zunahme der DNA-Methylierung bei Hybriden im Vergleich zu Inzucht-Vorläufern und eine verringerte Vitalität bei Hybriden berichteten, die mit einer Chemikalie behandelt wurden, die die Methylierung reduzierte. Im Allgemeinen gibt es bei Arten mit Inzuchtdepression wenig Beweise dafür, dass weder DNA-Methylierung oder Chromatin-Mutanten noch chemische Behandlungen zur Verringerung der DNA-Methylierung oder zur Veränderung der Histon-Modifikation die Vitalität stimulieren. In den meisten Fällen wird erwartet, dass die Vitalität bei diesen Mutanten und durch diese Behandlungen verringert wird.

Goff [ 104 ] schlug eine Modellrechnung der multigenen Heterosis vor, die auf Energieeffizienzgewinnen aufgrund der Proteinverarbeitung bei Hybriden im Vergleich zu Inzuchten basiert. Das Modell schlägt vor, dass die bei Hybriden, aber nicht bei Inzuchten verfügbare Allelauswahl Hybriden die Möglichkeit bietet, das günstige Allel bevorzugt zu erkennen und zu exprimieren. Durch die Minimierung der Expression von Allelen, die ein energieintensives Proteinrecycling erfordern, realisieren Hybride einen synergistischen Wachstumsvorteil, der während des frühen Wachstums zu realisieren beginnt und sich während des gesamten Lebenszyklus der Pflanze ansammelt. Diese Idee steht im Einklang mit der Idee, dass Diversität per se nicht die Grundlage von Heterosis ist, aber die Maximierung der “quality”-Allele in Hybriden zur Leistung beiträgt, unabhängig von der Funktion dieser Gene. Es steht im Gegensatz zu der Beobachtung, dass die Manifestation der Heterosis merkmalsabhängig ist. Genomweite Heterosismodelle sagen voraus, dass Vitalität für alle heterotischen Merkmale in ähnlicher Weise profitieren würde.

9. Polyploidie, Aneuploidie und Heterosis

Polyploidie bietet einen Mechanismus zum Einfangen heterotischer Genkombinationen. Darüber hinaus können die phänotypischen Konsequenzen der Genkopienzahl bei Polyploiden und Aneuploiden, sogar solchen, die einzelne Allele an allen Loci enthalten, Hinweise auf Mechanismen geben, die der Heterosis zugrunde liegen [13, 20, 105].

Allopolyploide werden durch die Vereinigung verschiedener Genome in einem einzigen Kern gebildet. Der Prozess der Allopolyploidisierung kann aus einer Hybridisierung gefolgt von einer somatischen Chromosomenverdoppelung oder, noch häufiger, einer Befruchtung von nicht reduzierten Gameten resultieren. Die allelische Komplementation an gemeinsamen Loci in den homöologen Genomen wird bei der Polyploidisierung fixiert, wodurch das heterotische Potenzial fixiert wird, das von den Komponentenspezies beigesteuert wird. Dieser Mechanismus der Erfassung heterotischer Leistung durch den Prozess der Polyploidisierung steht im Einklang mit den oben beschriebenen Dominanz/Überdominanz/Epistatischen Modellen. Darüber hinaus haben Polyploide zusätzliche Möglichkeiten für epistatische Interaktionen aufgrund einer potentiellen Segregation von interagierenden Loci, die durch die Komponentengenome beigesteuert wird, sowie einer unabhängigen Segregation von Allelvarianten an homöologen Loci.

Eine interessante Beobachtung bei Autopolyploiden der progressiven Heterosis [ 106 ]. Progressive Heterosis ist die Leistungssteigerung von Individuen mit zunehmender Wahrscheinlichkeit einer allelischen Diversität. Insbesondere ist das Leistungsniveau höher, wenn mehr als zwei Allele an einem Locus möglich sind, als wenn nur zwei Allele vorhanden sein können. Die Beobachtung einer progressiven Heterosis wurde alternativ als konsistent mit Pseudooverdominanz aufgrund einer Repulsion-Phase-Verknüpfung dominanter Allele [ 107 ] und als Argument gegen eine einfache Komplementation und für intraallelische Interaktionen höherer Ordnung interpretiert [ 12 ]. Bei diploiden Arten unterstützt der Großteil der aktuellen Beweise Komplementation (Dominanz) gegenüber intraallelischen Interaktionen (Überdominanz).

Eine faszinierende phänotypische Folge von Polyploidie und Aneuploidie ist der Leistungsunterschied aufgrund der Anzahl der genomischen Komplemente oder einer Variation der Dosis ganzer Chromosomen oder von Teilen von Chromosomen, und diese Folgen können Auswirkungen auf die Heterosis haben [12, 108, 109]. Diese Leistungsunterschiede können unabhängig von einer allelischen Diversität auftreten. Haploiden in Pflanzen fehlt es im Allgemeinen an Vitalität, und doppelte Haploide (Dihaploide) sind genauso kräftig wie sexuell abgeleitete Individuen derselben Ploidie, während sie vollständig homozygot sind. In Fällen, in denen polyploide Serien produziert wurden, sind Individuen mit höherer Ploidie oft kräftiger als Vorläufer mit niedrigerer Ploidie, obwohl die Fruchtbarkeit oft beeinträchtigt ist. Daher ist eine Leistungssteigerung für Merkmale wie den Futterertrag in Abwesenheit allelischer Diversität einfach durch die Erhöhung des DNA-Gehalts pro Zelle möglich. Andererseits verringert die Änderung der Dosierung von Chromosomen oder Chromosomensegmenten bei Aneuploiden häufig die Vitalität und Leistungsfähigkeit. Bei Aneuploiden führt eine Unter- und Überrepräsentation von Chromosomensegmenten in ähnlicher Weise zu einer verminderten Vitalität. Daher existieren eindeutig zwischen Organismen Wege, um die Gendosis zu erfassen [109], und die phänotypischen Folgen von Polyploidie und Aneuploidie ähneln der unterschiedlichen Leistung von Inzucht und Hybriden. Im Zusammenhang mit der dramatischen An-/Abwesenheits- und Kopienzahlvariation, die bei vielen Arten beobachtet wurde, ist es interessant, die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, dass die Dosiserfassung ein Allel-unabhängiger Mechanismus ist, der der Heterosis zugrunde liegt. Bedenken Sie beispielsweise, dass Inzuchten durch die Segregation von PAV/CNV-Allelen aufgrund der Segregation ein bestimmtes Maß an durchschnittlichem Dosisungleichgewicht im gesamten Genom ansammeln und zu einer Verringerung der Vitalität führen. Hybride, die zwischen Kreuzungen von Inzuchtlinien gebildet wurden, hätten eine durchschnittliche Genkopienzahl im gesamten Genom, die weniger abweichend wäre als die Wiederherstellung der Vitalität beider Inzuchteltern. Aus züchterischer Sicht würde, wenn ein Dosisungleichgewicht für die Leistung wichtig ist, eine auf der Leistung basierende Selektion dazu neigen, die CNV in Genomen zu minimieren, zumindest an Loci, die einer Dosisreaktion unterliegen.

10. Zusammenfassung und Integration

Es ist klar, dass noch viel über die Genomzusammensetzung und die Rolle von Transkriptions-, Translations- und posttranslationalen Mechanismen bei der Interpretation von Genen in den Phänotyp zu lernen ist. Obwohl es sicher ist, dass zukünftige Entdeckungen mehr über den Prozess der Heterosis erklären werden, bin ich der Meinung, dass ein neuer und unentdeckter molekularer Mechanismus nicht erforderlich ist, um die Heterosis letztendlich zu erklären. Heterosis ist am größten für hochkomplexe Merkmale, die aus mehreren Komponenten-Phänotypen bestehen. Eine Akkumulation der Effekte einer großen Anzahl von Genen mit kleinen Effekten und einer gewissen Dominanz im Zusammenhang mit der Rekombination über das Genom hinweg reicht aus, um die Heterosis zu erklären und steht im Einklang mit der gerichteten und natürlichen Evolution. Mechanistisch gesehen ist das unentdeckte Territorium die Vielzahl spezifischer Mechanismen, durch die sich der kumulative Einfluss einer Vielzahl von Allelvarianten manifestiert.

Diskussionen über Heterosis werden oft durch eine inkonsistente Trennung der absoluten Leistungsmessung (Ertrag, Produktivität usw.) gegenüber echten Heterosis-Messwerten, die die Abweichung der Leistung eines hybriden Individuums oder einer Hybridpopulation von seinem elterlichen Vorfahren ist, verwirrt. Es wurde gezeigt, dass die Leistung vieler Merkmale auf erwartete und wiederholbare Weise vererbt wird, was darauf hindeutet, dass die Leistung im Hybridzustand nicht das Ergebnis von Mechanismen sein kann, die sich nicht durch Selektion und Inzucht manifestieren. Quantitative genetische Modelle, die auf Dominanz und Epistase basieren, erklären Heterosis, beobachtete phänotypische Variation und stimmen mit Beobachtungen einer reduzierten Heterosis (Abweichung der Hybridleistung vom Mittelwert der Inzucht) überein, wenn die Leistung von Hybriden verbessert wird. Neuere Genomstudien, die zeigen, dass große Regionen des Genoms eine begrenzte Rekombination aufweisen, bieten einen Mechanismus für die Akkumulation schädlicher Mutationen, die nur in seltenen rekombinanten Gameten aufgelöst und beseitigt werden können. Die zunehmende Anzahl von Wegen, auf denen schädliche Allele produziert werden können, einschließlich SNPs, Transposon-Insertionen und -Signaturen, PAV und epiallelischer Variation, bietet neue Wege, um die Bildung von schädlichen Allelen zu erklären. Der Großteil der verfügbaren Daten stimmt in hohem Maße mit der Dominanz-(Komplementierungs-)Hypothese als primärer Grundlage der Heterosis überein. Darüber hinaus ist die Heterosis bei hochkomplexen Merkmalen wie dem Getreideertrag am größten, der von vielen interagierenden Entwicklungs-, Stoffwechsel- und Umweltreaktionswegen beeinflusst wird, was darauf hindeutet, dass eine große Anzahl von Genen, wahrscheinlich jedes mit kleinen Auswirkungen, kumulativ im Zusammenhang mit interagierende (epistatische) Wege zur Erklärung von Leistung und Heterosis. Verschiedene molekulare Mechanismen, die die DNA-Sequenz in den Phänotyp interpretieren, werden beteiligt sein, und die Forschung zur Charakterisierung von Signalwegen und grundlegenden molekularen Mechanismen wird wichtig sein, um Heterosis im Kontext verschiedener Phänotypen zu verstehen, die jeweils unabhängig voneinander Heterosis in spezifischen genetischen Kontexten zeigen.

Es gibt keinen fehlenden, genunabhängigen, vereinheitlichenden Mechanismus, um Heterosis zu erklären – Heterosis ist das Ergebnis der Vielfalt von Genen, Signalwegen und Prozessen, die bekannt sind und noch entdeckt werden müssen. Spezifische Beispiele mögen einen Mechanismus oder Prozess im Kontext eines spezifischen Merkmals und genetischen Kontexts hervorheben, aber diese Beispiele sind nur Beispiele und überschatten nicht die Tatsache, dass die vorhandene natürliche Variation die resultierende Anhäufung der Ergebnisse von Jahrtausenden von Mutationen und natürlichen und künstlichen ist Selektion manifestiert sich in den Organismen, die wir heute messen. Zu sagen, dass kein Vereinheitlichungsmechanismus fehlt, soll die Bedeutung der Grundlagenforschung nicht schmälern. Es soll vielmehr die Bedeutung diverser grundlegender Experimente hervorheben, um letztendlich biologisch und wirtschaftlich wichtige Phänomene wie Heterosis zu verstehen und darauf hinzuweisen, dass die endgültige Antwort auf die Grundlage der Heterosis die Anhäufung von Ergebnissen vieler und unterschiedlicher Studien sein wird und nicht eine singuläre , vereinheitlichende, neuartige Entdeckung.


Kurse in Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie

Diese Seite wurde am 6. Februar 2003 um 11:46 Uhr erstellt.

Wintersemester 2003 (6. Januar - 25. April)

Die früher als Biologie bekannte Abteilung gliederte sich in zwei separate Abteilungen, EEB (Ökologie und Evolutionsbiologie) und MCDB (Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie). Das Interdepartementale Programm Biologie (BIOLOGY) wird gemeinsam vom Lehrstuhl für Ökologie und Evolutionsbiologie (EEB) und dem Lehrstuhl für Molekular-, Zell- und Entwicklungsbiologie (MCDB) verwaltet.

Ab dem Herbstsemester 2002 gab es einige Änderungen in der Auflistung der Kurse. Unter dem Thema BIOLOGIE sind Kurse auf 100- und 220-Niveau aufgeführt, ebenso wie einige der Schwerpunktkurse wie Genetik, Biochemie und Evolution. Kurse der Mittel- und Oberstufe werden je nach Kursthema unter EEB oder MCDB aufgeführt. Die Studierenden müssen unter den drei Fächern nachsehen, ob ein Kurs angeboten wird oder nicht.

Diejenigen Studenten, die sich für unabhängige Forschung (300 oder 400) anmelden möchten, werden sich entweder in MCDB 300 oder 400 oder EEB 300 oder 400 einschreiben, basierend auf der Abteilungszugehörigkeit ihres Fakultätssponsors.

MCDB 300 (BIOLOGIE 300). Bachelorforschung.

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MCDB 300 ist in erster Linie für Junioren, einschließlich Honours-Studenten, gedacht, die unabhängige Forschung betreiben oder auf mittlerem Niveau in einem Bereich der biologischen Wissenschaft studieren möchten. Studierende können das Forschungsprojekt von einem geeigneten Fakultätsmitglied des Fachbereichs Biologie leiten und begleitende Lektüre betreuen. Das Projekt kann in Form einer Untersuchung neuer Probleme im Feld oder Labor, einer detaillierten Untersuchung von Primärquellen (eine Literaturrecherche), der Entwicklung neuer Verfahren oder Programme, der Gestaltung eines Unterrichtsexperiments usw. erfolgen. Eine Abschlussarbeit ist erforderlich und muss vom Forschungsberater genehmigt werden.

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Dieser Kurs vermittelt den Studierenden Laborerfahrung zu grundlegenden genetischen Prinzipien. Die Studierenden analysieren Vererbungsmuster, Geninteraktion, Verknüpfungsbeziehung und genetische Kartierung unbekannter Mutanten von Drosophila durch eine Reihe genetischer Kreuzungen. Durch den Einsatz molekularer Techniken wie Polymerase-Kettenreaktion (PCR) und Gelelektrophorese werden Mutationen in Caenorhabditis elegans chromosomal kartiert. Die Experimente in der mikrobiellen Genetik umfassen Kartierung durch Konjugation in E. coli, Rekombinationsanalyse durch Transduktion mit Bakterien und Phagen und Komplementationstests an "his"-Mutanten von Hefe. Experimente in der Humanpopulationsgenetik umfassen die Berechnung der Allelfrequenzen der PTC-Verkostung in der Klasse. Die Schüler werden auch DNA-Fingerabdrücke eines VNTR-Locus mit ihren eigenen Plattenepithelzellen durchführen. Eine Computerübung zur Bioinformatik ist enthalten. Jede Woche ist eine einstündige Vorlesung und ein dreistündiges Labor vorgesehen, zusätzlich werden 3-4 Stunden pro Woche zu unregelmäßigen Zeiten erwartet. Von den Studierenden wird erwartet, dass sie einen formellen Laborbericht schreiben und alle Ergebnisse und Analysen in einem gebundenen Laborheft vollständig und genau aufzeichnen. Während des Semesters gibt es zwei Tests. Die Schüler müssen ein Laborhandbuch erwerben.

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Voraussetzung für diesen Kurs sind BIOLOGY 208 oder MCDB 307 oder die Erlaubnis des Dozenten.

Dieser Kurs bietet den Studierenden die Möglichkeit, die Entwicklung einer Reihe von lebenden Wirbeltier- und Wirbellosenembryonen, insbesondere Seeigel-, Amphibien- und Hühnerembryonen, aus erster Hand zu studieren. Neben der Beobachtung der normalen Embryogenese führen die Studierenden mehrere der experimentellen Analysen durch, die zu einem grundlegenden Verständnis von Entwicklungsprozessen beigetragen haben.

Die Übungen konzentrieren sich auf Befruchtung, Entwicklungsmorphologie, Induktion, Bestimmung und Differenzierung verschiedener Gewebe, Metamorphose und Regeneration. Die Studierenden führen „in vitro“-Kultivierung embryonaler Gewebe, chemische und chirurgische Manipulation von Embryonen durch. Zusätzlich zu einer Stunde Vorlesung und einer geplanten dreistündigen Laborsitzung pro Woche wird von den Studierenden erwartet, dass sie jede Woche etwa drei zusätzliche Stunden im Labor verbringen. Die Noten basieren auf drei Labortests, einer Hausarbeit und einer Labornotizenbewertung. Für eine vollständige und genaue Aufzeichnung der Beobachtungen und experimentellen Ergebnisse ist die Führung eines Labornotizbuchs erforderlich. Es gibt ein erforderliches Laborhandbuch.

Lehrbuch: Muster und Experimente in der Entwicklungsbiologie von Leland G. Johnson.

MCDB 321 (BIOLOGIE 321). Einführende Vorlesungen zur Pflanzenphysiologie.

Abschnitt 001.

Dozent(en): Jianming Li ([email protected])

Voraussetzungen und Verbreitung: BIOLOGY 162 Hochschulphysik empfohlen. (3). (Exkl.). (BS). Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

Kurs-Homepage: Keine Homepage hinterlegt.

Dieser Kurs richtet sich an Studenten, die neugierig sind, wie Pflanzen die Dinge tun, die sie in ihrem täglichen Leben tun. Das Hauptziel des Kurses ist es, den Studierenden einen Überblick über molekulare und physiologische Prozesse in Pflanzen und deren Einfluss durch Umweltfaktoren zu geben. Zu den Hauptthemen gehören Pflanzen- und Zellarchitektur, Pflanzenwasserbeziehungen und mineralische Ernährung, Photosynthese und Zellatmung, Pflanzenwachstum und -entwicklung, Pflanzenhormone und deren Signalübertragung, Pflanzenabwehr und Stressphysiologie. Das Kursmaterial wird in Form einer Vorlesung präsentiert, Diskussionen und Fragen sind jedoch ausdrücklich erwünscht. Im Rahmen des Kurses werden drei eineinhalbstündige Tests durchgeführt. Die Schüler müssen das zugewiesene Lehrbuch kaufen.

MCDB 400 (BIOLOGIE 400). Erweiterte Forschung.

Ausbilder:

Voraussetzungen & Verteilung: 12 Credits Biologie, 3,0 Durchschnitt in Naturwissenschaften und Erlaubnis eines Fakultätsmitglieds in Biologie. (1-3). (Exkl.). (BS). (UNABHÄNGIG). Kann für maximal 9 Kreditpunkte wiederholt werden. Fortsetzungskurs. Die Y-Note kann am Ende des ersten Semesters gemeldet werden, um die laufende Arbeit anzuzeigen. Am Ende der zweiten Amtszeit von MCDB 400 wird die Endnote für die Wahlen beider Amtszeiten bekannt gegeben.

Kurs-Homepage: Keine Homepage hinterlegt.

Für diejenigen, die sich mit origineller Forschung auf fortgeschrittenem Niveau beschäftigen. Diese Kursnummer wird am häufigsten von Senior Honours-Studenten gewählt, die MCDB 300 abgeschlossen haben und ihre Forschung abschließen und ihre Abschlussarbeit schreiben. Ein Abschlusspapier ist erforderlich. (Weitere Informationen finden Sie in der Beschreibung von MCDB 300.)

MCDB 413 (BIOLOGIE 413). Labor für Molekularbiologie der Pflanzen.

Abschnitt 001.

Dozent(en): Eran Pichersky ([email protected])

Voraussetzungen und Vertrieb: BIOLOGY 310 oder 311 oder BIOLCHEM 415 und BIOLOGY 305. (3). (Exkl.). (BS). Erfüllt eine Biologielaboranforderung. Laborgebühr (70 USD) erforderlich. Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

Laborgebühr: Laborgebühr (70 USD) erforderlich.

Kurs-Homepage: Keine Homepage hinterlegt.

Hierbei handelt es sich um ein Projektlabor, in dem die Studierenden lernen, Pflanzengene und Genprodukte mit den neuesten Techniken der Molekularbiologie zu identifizieren und zu analysieren. Der Schwerpunkt liegt auf Genen, die für einzigartige Pflanzenmerkmale kodieren. Die Studierenden werden zunächst Gene aus DNA-Bibliotheken verschiedener Pflanzenarten isolieren. Anschließend analysieren sie die Sequenz der Gene, die sie durch DNA-Sequenzierung isoliert haben, und charakterisieren ihre Kopienzahl und ihr Expressionsniveau durch verschiedene Techniken wie Southern-Blots, Northern-Blots usw. Die Gene werden dann manipuliert, um die Genprodukte herzustellen (dh , Proteine) in einem bakteriellen System.

MCDB 428 (BIOLOGIE 428). Zellen-Biologie.

Abschnitt 001 – DIE ZWISCHENPRÜFUNGEN WERDEN DIENSTAG, 4. FEB. UND 18. MÄRZ, 18-20 UHR ABGEHALTEN.

Dozent(en): James Bardwell ([email protected]), Kenneth M. Cadigan ([email protected])

Voraussetzungen und Verbreitung: BIOLOGY 305 und BIOLOGY 310 oder 311 oder BIOLCHEM 415. Studenten mit Credits für MCDB 320 müssen die Erlaubnis des Dozenten einholen. (4). (Exkl.). (BS). Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

MCDB 428 soll den Studierenden einen umfassenden Überblick über die Biologie von Eukaryonten und Prokaryonten auf zellulärer und molekularer Ebene geben. Dieser Kurs richtet sich an Studierende der Oberstufe und im Aufbaustudium. Die Informationen werden auf einem Niveau präsentiert, das von den Schülern verlangt, Informationen aus ihren anderen Biologie-, Chemie- und Biochemiekursen zu integrieren. Themen sind: Zellstruktur und -funktion Zellmembranen intrazelluläre Organellen und Zytoskelett inter- und intrazelluläre Signalgebung Zellentwicklung und Zellzyklus. Von den Studierenden wird erwartet, dass sie die im Unterricht präsentierten wissenschaftlichen Daten integrieren sowie Grundlagenforschung aus der aktuellen wissenschaftlichen Literatur lesen und interpretieren. Die Noten basieren auf vier Prüfungen und dem Diskussionsteil. Lehrbuch: Molekularbiologie der Zelle von Alberts et al. Girlande Wissenschaft.

Bei Fragen zum Kurs wenden Sie sich bitte an [email protected] oder [email protected]

MCDB 429 (BIOLOGIE 429). Labor für Zell- und Molekularbiologie.

Abschnitt 001.

Ausbilder: Kenneth J Balazovich ([email protected])

Voraussetzungen und Verteilung: MCDB 427 oder 428 oder gleichzeitige Einschreibung in MCDB 428. Keine Gutschrift für diejenigen, die BIOLCHEM 416 oder 516 abgeschlossen haben oder eingeschrieben sind. (3). (Exkl.). (BS). Erfüllt eine Biologielaboranforderung. Laborgebühr (70 USD) erforderlich. Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

Laborgebühr: Laborgebühr (70 USD) erforderlich.

Dieser Laborkurs umfasst ein breites Spektrum gängiger Methoden und Theorien, die für die Konzentrationen in der Zell- und Molekularbiologie wesentlich sind. Die wöchentliche einstündige Vorlesung dient der Einführung in Methodik und Techniken, die im Labor anzutreffen sind. Zwei vierstündige wöchentliche Laborsitzungen werden in einem projektbasierten Format organisiert. Die Projekte umfassen verschiedene Arten der Mikroskopie, Isolierung von Zellorganellen, Gelelektrophorese, Western Bottting, Säulenchromatographie und Gewebekultur sowie molekularbiologische Methoden wie Plasmidkonstruktion, Transfektion, Polymerasekettenreaktion und Southern Blotting. Die Noten basieren auf drei Prüfungen, Labortests und einem einsemestrigen Stipendienprojekt, das einzeln oder in einer selbstorganisierten Gruppe abgeschlossen werden kann. Dieser Kurs kann verwendet werden, um die Anforderungen für die Zell- und Molekularbiologie-Konzentration und die Biologie-Konzentration zu erfüllen.

Lehrbuch:
Labor-DNA-Wissenschaft (Bloom et al.) Obligatorisch.
Molekularbiologie der Zelle (Alberts et al.) Vorgeschlagen.

MCDB 430 (BIOLOGIE 430). Molekularbiologie der Pflanzen.

Abschnitt 001.

Dozent(en): Eran Pichersky ([email protected])

Voraussetzungen und Vertrieb: BIOLOGY 305 und 310 oder 311 oder BIOLCHEM 415. (3). (Exkl.). (BS). Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

Kurs-Homepage: Keine Homepage hinterlegt.

Das Thema dieses Kurses sind bedeutende Fortschritte beim Verständnis molekularer Prozesse in Pflanzen und der Beitrag molekularbiologischer Techniken zu diesen Fortschritten. Der Kurs richtet sich an fortgeschrittene Studierende und Studienanfänger. Der Kurs beginnt mit einem Überblick über die grundlegenden Techniken der Pflanzenmolekularbiologie wie Klonen und Sequenzieren von DNA, Transformation und Analyse der Genexpression. Anschließend werden wir ausgewählte Themen im Detail untersuchen, darunter Genomstruktur und Evolution von Genen, Proteinen und biochemischen Stoffwechselwegen, Photorezeption, Photosynthese und Atmung sowie die Synthese von Folgeprodukten. Wir werden Forschungspublikationen in der Klasse lesen und diskutieren. Die Schülerleistungen werden auf der Grundlage von Präsentationen und Mitarbeit in der Klasse sowie zwei Prüfungen zum Mitnehmen bewertet.

MCDB 435 (BIOLOGIE 435). Intrazellulärer Handel.

Abschnitt 001.

Dozent(en): Jesse C Hay ([email protected])

Voraussetzungen und Verteilung: BIOLOGY 305, BIOLOGY 310, 311 oder BIOLCHEM 415 und MCDB 428. (3). (Exkl.). (BS). Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

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Dies ist ein fortgeschrittener, diskussionsorientierter Kurs, der die neuesten Forschungsergebnisse auf dem Gebiet des intrazellulären Traffics abdeckt. Zu den behandelten Themen gehören molekulare Grundlagen der Sekretion, Vesikeltransport, Protein-Targeting, molekulare Motoren und Organellen-Biogenese. Den Studierenden werden Vorlesungen präsentiert, die ihnen genügend Hintergrundwissen vermitteln, um spezifische Fragen und Wissenslücken zu intrazellulären Transportmechanismen zu verstehen. Der Großteil der Unterrichtszeit wird jedoch mit der Diskussion aktueller Forschungsarbeiten aus der Primärliteratur verbracht. Der Schwerpunkt liegt auf der kritischen Bewertung der experimentellen Ansätze dieser Studien, der Interpretation der Daten und der Schlussfolgerungen.

Dieser Kurs richtet sich an Studierende mit ernsthaftem Interesse an zellbiologischer Forschung. Es richtet sich an fortgeschrittene, graduiertenschulpflichtige Studierende sowie an Studierende im ersten und zweiten Studienjahr. Es gibt zwei Unterrichtseinheiten von 1,5 Stunden pro Woche. Den Schülern werden Aufgabenstellungen zugewiesen, um sicherzustellen, dass sie die Lektüre vor dem Unterricht durchgeführt und ausreichend über die damit verbundenen Probleme nachgedacht haben. Der Kurs erfordert auch die Teilnahme an Diskussionen. Darüber hinaus muss jeder Schüler der Klasse mindestens eine Forschungsarbeit vorlegen, die behandelten Fragen, Techniken, Fallstricke usw.

MCDB 526 (BIOLOGIE 526) / CHEM 526. Chemische Biologie II.

Abschnitt 100.

Dozent(en): E Neil G Marsh ([email protected])

Voraussetzungen und Verteilung: MCDB 525. Vorherige oder gleichzeitige Einschreibung in CHEM 402 oder gleichwertig. (3). (Exkl.). (BS). Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

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MCDB 589 (BIOLOGIE 589). Mechanismen der mikrobiellen Evolution.

Abschnitt 001.

Dozent(en): Julian P Adams ([email protected])

Voraussetzungen und Verbreitung: BIOLOGY 305. (3). (Exkl.). (BS). Darf nicht für Kredit wiederholt werden.

Kurs-Homepage: Keine Homepage hinterlegt.

Zu den behandelten Themen gehören die Natur mikrobieller Populationen, Laborpopulationen, Mutator-Loci in klonalen Populationen und Koevolution.

Kurslisten für Graduiertenkollegs für MCDB.

Diese Seite wurde am 6. Februar 2003 um 11:46 Uhr erstellt.

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7: Evolutionsmuster werden durch Veränderungen auf molekularer Ebene aufgedeckt

Organismen können verwendet werden, um vergangene evolutionäre Ereignisse zu datieren.

Im Allgemeinen, welche Arten von Sequenzen erwartet werden, um die

langsamste evolutionäre Veränderung?

A. Synonyme Veränderungen in Aminosäure-kodierenden Regionen von Exons

B. Nichtsynonyme Veränderungen in Aminosäure-kodierenden Regionen von Exons

17.18 Die molekulare Uhr basiert auf der Annahme von a

Das schnelle Wachstum der in DNA-Datenbanken verfügbaren Sequenzdaten war eine Quelle für Einblicke in die Evolution

Prozesse. Sequenzen des gesamten Genoms liefern auch

neue Informationen darüber, wie sich Genome entwickeln und die

konstante Änderungsrate der Protein- oder DNA-Sequenz.

(a) Zusammenhang zwischen der Geschwindigkeit der Aminosäuresubstitution und der Zeit

seit Divergenz, teilweise basierend auf Aminosäuresequenzen von Hämoglobin aus den acht Spezies, die in Teil b gezeigt sind. Die konstante Rate von

Evolution in Protein- und DNA-Sequenzen wurde als molekulare

Uhr bis dato vergangene evolutionäre Ereignisse. (b) Phylogenie von acht Arten

und ihre ungefähren Zeiten der Divergenz, basierend auf dem Fossilienbestand.

Populations- und Evolutionsgenetik

17.19 Humane Globin-Gene bilden eine Multigenfamilie

die sich durch aufeinanderfolgende Genduplikationen entwickelt hat.

Prozesse, die Größe, Komplexität und Organisation prägen

Genduplikation Auch neue Gene haben sich entwickelt durch

die Duplikation ganzer Gene und ihre anschließende Divergenz. Dieser Prozess erzeugt Multigenfamilien – Sätze von Genen

die in der Reihenfolge ähnlich sind, aber unterschiedliche Produkte codieren. Zum

Der Mensch besitzt beispielsweise 13 verschiedene Gene auf den Chromosomen 11 und 16, die globinähnliche Moleküle kodieren, die

nehmen am Sauerstofftransport teil (Abbildung 17.19). All diese Gene

haben eine ähnliche Struktur, mit drei Exons, die durch zwei getrennt sind

Introns, und es wird angenommen, dass sie sich durch wiederholte

Duplikation und Divergenz von einem einzelnen Globin-Gen bei einem entfernten Vorfahren. Es wird angenommen, dass dieses angestammte Gen das meiste war

ähnlich dem heutigen Myoglobin-Gen und erstmals dupliziert

ein ␣/␤-Globin-Vorläufergen und das Myoglobin . zu produzieren

Gen. Das ␣/␤-Gen durchlief dann eine weitere Duplikation zu

führen zu einem primordialen -Globin-Gen und einem primordialen ␤-Globin-Gen. Nachfolgende Duplikationen führten zu multiplem ␣-Globin

und -Globin-Gene. In ähnlicher Weise enthalten Wirbeltiere vier Cluster

von Hox-Genen, wobei jeder Cluster 9 bis 11 Gene umfasst. Hox

Gene spielen eine wichtige Rolle bei der Entwicklung.

Einige Genfamilien umfassen Gene, die in angeordnet sind

Tandem auf demselben Chromosom, andere sind verteilt

zwischen verschiedenen Chromosomen. Genduplikation tritt häufig in eukaryotischen Genomen auf, zum Beispiel etwa

5% des menschlichen Genoms bestehen aus duplizierten Segmenten.

Genduplikation liefert einen Mechanismus für die Addition

neuer Gene mit neuen Funktionen, nachdem ein Gen dupliziert wurde,

Es gibt zwei Kopien der Sequenz, von denen eine kostenlos verfügbar ist

ändern und möglicherweise eine neue Funktion übernehmen. Das Extra

Kopie des Gens kann beispielsweise zu einem anderen Zeitpunkt der Entwicklung aktiv werden oder in einem anderen Gewebe exprimiert werden

oder sogar divergieren und ein Protein mit unterschiedlichen Aminosäuren kodieren

Säuren. Das häufigste Schicksal der Genduplikation ist jedoch

dass eine Kopie eine Mutation erwirbt, die sie funktionsunfähig macht.

Es entsteht ein Pseudogen. Pseudogene sind weit verbreitet

in Genomen komplexer Eukaryoten ist das menschliche Genom

schätzungsweise bis zu 20.000 Pseudogene enthalten.

Gesamtgenom-Duplikation Neben der Duplikation einzelner Gene können auch ganze Genome einiger Organismen

haben sich offenbar in der Vergangenheit verdoppelt. Ein Vergleich des Genoms der Hefe Saccharomyces cerevisiae

mit den Genomen anderer Pilze zeigt, dass S. cerevisiae oder

Einer seiner unmittelbaren Vorfahren durchlief ein ganzes Genom

Duplikation, wodurch zwei Kopien jedes Gens erzeugt werden. Viele von

die Kopien erhielten anschließend neue Funktionen andere

erworbene Mutationen, die die ursprüngliche Funktion zerstörten und

dann in zufällige DNA-Sequenzen zerlegt. Ganzes Genom

Vervielfältigung kann durch Polyploidie erfolgen.

Horizontaler Gentransfer Die meisten Organismen erwerben ihre

Genome durch vertikale Übertragung – Übertragung durch

die Reproduktion genetischer Informationen von den Eltern an die Nachkommen. Die meisten phylogenetischen Bäume gehen von einer vertikalen Transmission aus

von genetischen Informationen. Erkenntnisse aus DNA-Sequenzstudien

zeigen, dass DNA-Sequenzen manchmal durch horizontalen Gentransfer ausgetauscht werden, bei dem DNA zwischen

verschiedene Arten. Dieser Prozess ist besonders verbreitet bei

Bakterien, und es gibt eine Reihe von dokumentierten Fällen in

welche Gene von Bakterien auf Eukaryoten übertragen werden. Die

Das Ausmaß des horizontalen Gentransfers zwischen eukaryotischen Organismen ist umstritten, mit wenigen gut dokumentierten Fällen. Horizontaler Gentransfer kann phylogenetische Beziehungen verschleiern


Heterosis: Viele Gene, viele Mechanismen – Schluss mit der Suche nach einer unentdeckten vereinigenden Theorie

Heterosis ist die Zunahme der Vitalität, die bei Nachkommen von Paarungen verschiedener Individuen verschiedener Arten, isolierter Populationen oder ausgewählter Stämme innerhalb von Arten oder Populationen beobachtet wird. Heterosis hat einen immensen wirtschaftlichen Wert in der Landwirtschaft und hat wichtige Auswirkungen auf die Fitness und Fruchtbarkeit von Individuen in natürlichen Populationen. Genetische Modelle, die auf der Komplementierung schädlicher Allele basieren, insbesondere im Zusammenhang mit Kopplung und Epistase, stimmen mit vielen beobachteten Manifestationen von Heterosis überein. Die Suche nach den der Heterosis zugrunde liegenden Genen und Allelen sowie nach breiteren, allelunabhängigen, genomweiten Mechanismen umfasste viele Arten und Systeme. Gemeinsame Themen in diesen Studien weisen darauf hin, dass Sequenzdiversität notwendig, aber nicht ausreichend ist, um heterotische Phänotypen zu erzeugen, und dass die molekularen Wege, die Heterosis erzeugen, Chromatinmodifikation, Transkriptionskontrolle, Translation und Proteinverarbeitung sowie Wechselwirkungen zwischen und innerhalb von Entwicklungs- und biochemischen Wegen umfassen. Zusammengenommen gibt es viele und unterschiedliche molekulare Mechanismen, die die DNA in den Phänotyp übersetzen, und es ist die Kombination all dieser Mechanismen über viele Gene hinweg, die Heterosis in komplexen Merkmalen erzeugen.

1. Einleitung

Heterosis wurde in vielen verschiedenen Systemen beobachtet und in einigen Fällen genutzt. Beispiele für Interspezies-Kreuzungen von Säugetieren, die heterotische Phänotypen produzieren, umfassen das Maultier, das aus einer Kreuzung zwischen einem männlichen Esel und einem weiblichen Pferd resultiert, und das Liger, das aus einer Kreuzung zwischen einem Löwen und einem Tiger resultiert. In beiden Fällen sind diese interspezifischen Hybriden größer und in gewisser Weise kräftiger als die Eltern. Viele interspezifische Hybriden leiden jedoch unter einer verringerten Lebensdauer und einer verminderten Fruchtbarkeit. Heterosis beim Menschen wurde, manchmal kontrovers, vorgeschlagen, mehrere Phänotypen zu beeinflussen, einschließlich Attraktivität [1], IQ [2, 3] und Körpergröße [4–6]. In der Landwirtschaft gibt es zahlreiche Beispiele, in denen Heterosis genutzt wurde, um produktivere und einheitlichere Produkte einschließlich Vieh [7–11] und Nutzpflanzen zu schaffen (Übersicht in [12–19]). Heterosis kann auch durch den im Pflanzenreich üblichen Prozess der Polyploidisierung erfasst und fixiert werden (Übersicht in [13, 14, 20]). In diesem Fall sind Hybriden, die durch sexuelle Kombination von nicht reduzierten Gameten oder durch Hybridisierung gefolgt von einer Chromosomenverdoppelung gebildet werden, oft fruchtbar und wurden oft als neue Arten klassifiziert. Polyploide Individuen zeigen einen allgemeinen Trend zu einer Zunahme der Größe, und die Erfassung heterotischer genetischer Effekte kann ihre Fitness und Produktivität weiter verbessern.

Die beeindruckenden phänotypischen Manifestationen heterotischer Hybriden in Verbindung mit der wirtschaftlichen Bedeutung von Hybridstämmen haben zu umfangreichen Forschungen geführt, um ihre Grundlagen zu verstehen. Diese Forschung folgte dem sich entwickelnden Wissen über die Genomzusammensetzung und genetische und biochemische Mechanismen und wird durch technische Fortschritte ermöglicht, die neue Messungen von Phänotypen und molekularen Prozessen ermöglichen.

2. Wie wird Heterosis definiert?

Historische Darstellungen der Entwicklung des modernen Konzepts der Heterosis finden sich in mehreren ausgezeichneten Artikeln [15, 21–23]. Die Dokumentation der Bedeutung von Inzucht und Leistung umfasste Beschreibungen von frühen Landwirten, die die schädlichen Auswirkungen der Inzucht sowohl bei Pflanzen als auch bei Tieren bemerkten und Maßnahmen ergriffen, um diese Auswirkungen zu minimieren. Collins [24] dokumentiert Aktivitäten primitiver Stämme, um Inzucht zu mildern und die Heterosis zu maximieren, indem Samen mehrerer Stämme in jeden Maishügel, den sie gepflanzt haben, platziert werden. Darwin [25] untersuchte experimentell die schädliche Wirkung der Paarung unter Verwandten und stützte die Idee, dass die genetische Vielfalt mit der Hybridkraft zusammenhängt. Die Maisforschung war wichtig für die Entwicklung einiger der frühen Ideen der Heterosis [26–29] und ist bis heute ein wichtiger experimenteller Organismus. Shulls [30] Artikel „Die Zusammensetzung eines Maisfeldes“ wird weithin angesehen, da er bahnbrechende Grundideen für Inzucht und Hybridisierung bei Nutzpflanzen lieferte und in der neueren Ära für die Nukleierungsforschung wichtig war.

Das grundlegende Konzept der Heterosis, wie es sich Shull vorstellt, besteht darin, dass schädliche Allele in großen Populationen mit zufälliger Paarung bestehen bleiben. Inzucht aufgrund von Drift, Populationsisolation oder planmäßiger oder zufälliger blutsverwandter Paarung verringert die Vitalität von Individuen oder Populationen aufgrund der zunehmenden Homozygotie schädlicher Allele. Die Vitalität wird durch Kreuzung zwischen divergenten Typen wiederhergestellt, da rezessive schädliche Allele im Hybridzustand komplementiert werden. Diese Grundidee steht im Einklang mit vielen Beispielen für Heterosis zwischen Arten.

Heterosis wird auf individueller oder Populationsbasis als Unterschied in der Leistung des Hybrids relativ zum Durchschnitt der Inzuchteltern (als Mittelwert der Eltern bezeichnet) quantifiziert. Für die quantitative genetische Analyse ist die Abweichung der Hybride relativ zum mittleren Elternteil der relevante Wert. Im praktischen Kontext ist die Heterosis mit hohem Elternteil, die die Überlegenheit des Hybrids gegenüber dem besten Elternteil misst, die wichtige Metrik.

Das konzeptionelle Gegenteil von Heterosis ist die Inzuchtdepression [31]. Dies ist der Kraftverlust nach verwandten Paarungen. Heterosis wird oft als Maximierung der Heterozygotie angesehen, während Inzuchtdepression auf eine Verringerung der Heterozygotie zurückzuführen ist. Inzuchtdepression wird als Leistungsminderung im Verhältnis zur Verringerung der Heterozygotie gemessen. Inzuchtdepression ist in vielen Bereichen wichtig, einschließlich der Landwirtschaft, wie zum Beispiel bei der Erhaltung von Erbstücksorten, der Naturschutzbiologie und der menschlichen Gesundheit. Unter allen Umständen, in denen Paarungen in kleinen Populationen und/oder assortative Paarungen auftreten, besteht ein erhöhtes Risiko einer Verringerung der Vitalität und Homozygotie schädlicher Allele in genotypischen Kontexten, die ansonsten in Populationen selten sind.

Es ist wichtig zu betonen, dass Heterosis-Maßnahmen phänotypabhängig sind. Zum Beispiel können interspezifische Säugetierhybride eine erhöhte Größe, Vitalität und andere wünschenswerte Fitnessmerkmale aufweisen, sind jedoch oft sehr steril und haben daher eine verringerte Fruchtbarkeit. Flint-Garciaet al. [32] maßen 17 Merkmale von 267 Maishybriden und fanden heraus, dass das Ausmaß der Heterosis in jedem Hybrid im Vergleich zu seinen Eltern merkmalsabhängig war und dass Hybriden nicht einfach als heterotisch oder nichtheterotisch klassifiziert werden konnten. Aus wissenschaftlicher Sicht weist dies darauf hin, dass die Suche nach Mechanismen der Heterosis in einem praktischen Kontext im biologischen Kontext spezifischer Merkmale durchgeführt werden muss.

3. Ein Fall für die Dominanzhypothese: Anfang des 20. Jahrhunderts bis heute

Nach der quantitativen genetischen Theorie kann Heterosis aus Dominanz, Überdominanz oder Epistase resultieren. Überdominanz ist eine intraallelische Interaktion, bei der das Vorhandensein mehrerer Allele zu einer höheren Leistung als Homozygotie für einen der Allelzustände führt. Wenn Überdominanz die vorherrschende Grundlage der Heterosis ist, führen Populationen und Zuchtstrategien, die die Heterozygotie maximieren, zur besten Leistung. Auf der anderen Seite, wenn Dominanz oder Epistase der primäre Mechanismus der Heterosis ist, werden natürliche oder sich fortpflanzende Populationen und daher Individuen auf günstige Allele fixiert und funktionieren genauso wie alle Hybriden. Diesem Problem wurde von Anfang bis Mitte des 20. Jahrhunderts durch die Analyse von Varianzkomponenten begegnet (zusammengefasst in Hallauer et al. [33]).

Varianzzerlegungsstudien in Hybridmaispopulationen mit Paarungsdesigns wie dem North Carolina Design III führten zu signifikanten Schätzungen der überdominanten Genwirkung (zusammengefasst in [33]). Moll et al. [34] und Gardner und Lonnquist [35] erkannten, dass Varianzschätzungen durch Kopplung verfälscht werden können. Insbesondere wenn positive und negative Allele in der Abstoßungsphasen-Verknüpfung wären und die Genwirkung jedes Locus teilweise bis zur vollständigen Dominanz wäre, würden sich die Allele an den beiden Loci häufig voneinander trennen, was zu Schätzungen einer Überdominanz führte. In dem von Moll et al. [34] und Gardner und Lonnquist [35] wurde der durchschnittliche Dominanzgrad in der ersten Generation der Vermischung aus einer Populationskreuzung und dann nach inkrementeller Vermischung über mehrere Generationen geschätzt. Das Ergebnis dieser Studien war, dass die Schätzung des durchschnittlichen Dominanzgrades abnahm, was mit einer partiellen Dominanz – nicht einer Überdominanz – der meisten Loci übereinstimmt, die zur Heterosis in Verbindung mit der Repulsion-Phase-Kopplung beitragen.

Die Bedeutung von Dominanz gegenüber Überdominanz wurde weiter durch wiederkehrende Selektionsstudien untermauert, in denen Populationen in Kreuzungen miteinander oder mit einem Inzuchttester bewertet wurden. Untersuchungen von Russell et al. [36] bei Mais unterstützte Dominanz versus Überdominanz als primäre Grundlage der Heterosis. Eine Komponente ihrer Studie war der Vergleich der Reaktion auf die Auswahl von Populationen, die auf der Grundlage der Leistung einer Kreuzung mit einem Inzuchttester im Vergleich zu einem Populationstester ausgewählt wurden. Wenn Überdominanz der primäre Mechanismus der Heterosis ist, dann würde der Inzuchttester die Population stärker verbessern als der Populationstester, da in einer Inzucht Allele fixiert sind, während sie in einer Population eine mittlere Häufigkeit aufweisen. Das Ergebnis dieser Komponente der Studie war, dass der Inzucht- und der Populationstester die Leistung der Population in ähnlicher Weise verbesserten, was der Bedeutung von Dominanz im Vergleich zu Überdominanz entspricht. Ein zweiter Bestandteil der von Russell et al. [36] Studie war die Analyse der Selektion in zwei Populationen basierend auf der Leistung der Populationskreuzung. Wenn Überdominanz die primäre Grundlage der Heterosis wäre, würden die Populationen aufgrund der Selektion divergieren und die Homozygotie alternativer Allele innerhalb der Populationen erhöhen, um die Heterozygotie und die Leistung der Populationskreuzung zu maximieren. Das Ergebnis wäre eine steigende Leistung des Populationskreuzes und eine abnehmende Leistung der Populationen an sich. Wenn alternativ Dominanz (oder Epistase) der primäre Mechanismus der Heterosis wäre, würde die Häufigkeit des günstigen Allels in jeder Population und damit auch in der Populationskreuzung zunehmen, was zu einer erhöhten Leistung der Populationen und der Populationskreuzung führen würde. Das Ergebnis ihrer Studie ergab eine Leistungssteigerung in allen Bevölkerungsgruppen, was die Bedeutung von Dominanz gegenüber Überdominanz unterstreicht. Beachten Sie auch, dass das Ausmaß des Kopplungsungleichgewichts in diesen Materialien wahrscheinlich ziemlich niedrig war, wodurch die verwirrenden Effekte einer Pseudo-Überdominanz minimiert wurden.

Quantitative Trait-Locus-(QTL-)Kartierungsstudien in Mais stimmen auch mit Dominanz versus Überdominanz als der vorherrschenden Art der Genwirkung überein, die der Heterosis für die Produktivität zugrunde liegt. Anfängliche QTL-Studien zeigten viele QTL mit überdominanter Genwirkung in Populationen, die von heterotischen Maishybriden für Merkmale wie Ertrag und Pflanzenhöhe abgeleitet wurden [37, 38]. Die anschließende genetische Sektion eines QTL mit geschätzter überdominanter Genwirkung zeigte jedoch, dass der ursprüngliche QTL in zwei verbundene QTLs in der Abstoßungsphase mit dominanter Genwirkung aufgeteilt werden konnte [39, 40] führte eine QTL-Kartierungsstudie mit 3 rekombinanten Inzuchtpopulationen unter Verwendung von a . durch North Carolina Design III-Ansatz. Die Ergebnisse dieser Studie stimmten mit früheren Studien an Mais überein. Eine überdominante Genwirkung wurde für die QTL-Kontrolle des Getreideertrags geschätzt, aber diese QTL wurden in zentromerischen Regionen mit hohem Kopplungsungleichgewicht (LD) gefunden und als Pseudoüberdominanz interpretiert. In Übereinstimmung mit vielen anderen Studien war der Grad der Heterosis merkmalsabhängig, mit der größten Heterosis für den Ertrag. Daher stimmen neuere QTL-Kartierungsstudien bei Mais im Allgemeinen auch mit einer Prävalenz von Dominanz überein, die heterotischen Merkmalen einschließlich Ertrag und Ertragskomponenten und Wachstumsmerkmalen wie Pflanzenhöhe zugrunde liegt.

Xiaoet al. [41] werteten Heterosis für zehn Merkmale aus an sich unter Verwendung einer Testkreuzungsbewertung einer rekombinanten Inzuchtlinienpopulation, die aus einer interspezifischen indica × japonika in Reis kreuzen. Die Autoren kamen zu dem Schluss, dass die Dominanz die primäre Grundlage der Heterosis in dieser Kreuzung war, basierend auf Beweisen aus QTL, dem Fehlen signifikanter epistatischer digenischer Interaktionen und der relativ geringen Beziehung zwischen Marker-Heterozygotie und Leistung für die meisten Merkmale. Darüber hinaus übertrafen zwei Inzuchtlinien aus der Population die Leistung des Hybrids, was mit der Annahme übereinstimmt, dass es unter der Dominanzhypothese möglich ist, ein homozygotes Individuum zu produzieren, das alle günstigen Allele enthält, die die beobachtete Hybridleistung erzeugt haben.

Trotz der überwiegenden Belege für die Rolle der Dominanz bei der Heterosis für den Ertrag von Pflanzen, insbesondere im Zusammenhang mit einer Kopplung, die zu einer Pseudoüberdominanz führt, gibt es Beobachtungen, die nicht mit der Dominanzhypothese vereinbar sind. Eine wichtige Beobachtung ist, dass bei einigen Hybriden die Leistung des Hybrids größer ist als die Summe der Eltern. Bei vollständiger Dominanz entspräche die maximale Leistung des Hybrids der Summe der Eltern. Darüber hinaus gibt es, wie unten beschrieben, gut dokumentierte Beispiele für Überdominanz, und es gibt zunehmend Hinweise auf die Rolle der Epistase unter Verwendung neuer experimenteller und statistischer Ansätze.

4. Überdominanz: Begründung und Beispiele

Überdominanz steht konzeptionell im Einklang mit der Vorstellung, dass genetische Unähnlichkeit an sich stimuliert die Vitalität und in einem praktischen Kontext ist der optimale genetische Zustand für günstige Allele Heterozygotie versus Homozygotie. Überdominanz liefert eine Erklärung für Beispiele, in denen die Hybridleistung größer ist als die Summe der Eltern, was im Widerspruch zur Dominanzhypothese steht.

Schätzungen der überdominanten Genwirkung wurden nun im Allgemeinen wie oben beschrieben Pseudoüberdominanz zugeschrieben. Es wurden jedoch faszinierende Beispiele für Übermacht gemeldet. Ein biochemisches Beispiel für Überdominanz von Schwartz und Laughner [42] war intellektuell wichtig, um die anhaltende Debatte über die Grundlage der Heterosis zu befeuern. Diese Studie umfasste die Aktivität des Enzyms adh1, das als Heterodimer fungiert. Ein Allel des Enzyms mit hoher Aktivität wurde mit einem Allel kombiniert, das Hitzetoleranz aufwies. Die Aktivität des resultierenden biallelischen Enzyms war der jeder monoallelischen Form unter spezifischen Stressbedingungen überlegen. Dieses Ergebnis bietet eine konzeptionelle Grundlage, um molekulare Mechanismen zu berücksichtigen, durch die intraallelische Wechselwirkungen eine erhöhte Leistungsfähigkeit und Stresstoleranz bieten würden.

Kriegeret al. [43] berichteten über ein Einzelgenmodell für Überdominanz basierend auf dem Entwicklungstiming. In dieser Studie wurde die Heterozygotie für ein funktionelles Allel und ein Funktionsverlust-Allel am Einzelblüten-Traversen (SFT) Locus in Tomaten führt zu einem übermächtigen Fruchtertrag. Dieses Gen ist homolog zu Arabidopsis-Blütenort T (FT), das an der Produktion des Blütenhormons Florigen beteiligt ist. Die überdominante Genwirkung für den Ertrag ist in diesem Beispiel das Ergebnis einer Verschiebung des Entwicklungsprogramms, so dass sich im Heterozygoten eine erhöhte Anzahl von blühenden Blütenständen im Vergleich zum Wildtyp-Homozygoten, der die Blütenstandsproduktion früher beendet, und dem mutierten Homozygoten, der begrenzt produziert, bilden kann Blütenstände und mehr vegetatives Wachstum. Im Gegensatz zum konkreten Beispiel einer intraallelischen Interaktion bei adh1 Heterosis, die SFT Das Ergebnis basiert auf einer dosisabhängigen molekularen Expression (möglicherweise additiv), die zu einem Gleichgewicht des Genprodukts führt, das sich in einem überdominanten Phänotyp manifestiert. Die SFT Das Ergebnis ist ebenfalls überzeugend, da es wahrscheinlich mehrere Beispiele für intra- und interspezifische Hybride gibt, bei denen Funktionsverlust oder allelische Abwesenheit aufgrund von Anwesenheits-/Abwesenheitsvariation (PAV) in Hybriden mit einem funktionellen Allel kombiniert werden. Schließlich hebt dieses Beispiel die potenziellen Produktivitätsergebnisse der Feinabstimmung von Entwicklungsprogrammen hervor.

Semelet al. [44] bewerteten die Genwirkung für 35 Merkmale in Tomaten unter Verwendung einer Introgressionslinien-Population, in der jede Linie der kultivierten Tomate (Solanum lycopersicum) Elternteil enthielt einen kleinen Beitrag aus dem Genom der Wildart Solanum pennellii. Die Introgressionslinien wurden mit einer kultivierten Linie gekreuzt, um Hybriden zu erzeugen. Die meisten reproduktiven Merkmale im Zusammenhang mit dem Samen- und Fruchtertrag zeigten eine Überdominanz, während die nicht reproduktiven Merkmale, die sich hauptsächlich auf morphologische Merkmale bezogen, dies nicht taten. Basierend auf der Tatsache, dass einige Merkmale eine Überdominanz zeigten, während andere dies nicht taten, argumentierten die Autoren, dass diese Studie eine echte Überdominanz im Gegensatz zu einer Pseudo-Überdominanz unterstütze. Um zu beurteilen, ob diese Interpretation richtig ist, sind weitere Untersuchungen erforderlich.

Diese und andere hier nicht aufgeführte Beispiele belegen, dass Überdominanz bei Heterosis eine Rolle spielen kann. Die Mehrheit der bisherigen Studien, basierend auf der Reaktion auf die Selektion, der Aufteilung der genetischen Varianz und der QTL-Kartierung, stimmt jedoch mit einer geringeren Rolle für Überdominanz als für Dominanz überein.

5. Epistase: Neue Beweise für die Rolle der Epistase bei Heterosis

Die Rolle der Epistase bei der Heterosis bleibt unklar, obwohl neuere Experimente zunehmend Beweise für ihre Bedeutung liefern. Schätzungen der epistatischen Varianz in frühen Studien zur Heterosis waren durch die Experimentgröße und die Rechenkapazität begrenzt. Neuere Studien, die molekulare Marker und moderne, rechenintensive statistische Ansätze verwenden, haben die Fähigkeit, epistatische Wechselwirkungen zu erkennen, verbessert.

Die Generierungsmittelanalyse lieferte einige der ersten überzeugenden Beweise für die Rolle der Epistase in der Hybridleistung. Ein aktuelles Beispiel von Wolf und Hallauer [45] verwendet eine bedarfsbasierte Analyse, um die Rolle der Epistase bei Heterosis zu unterstützen. Die Dreifach-Testkreuzungsanalyse vergleicht die relative Leistung segregierender Nachkommen, wenn sie mit beiden Elternteilen und mit dem F . gekreuzt wurden1 hybrid. Abweichung in der Leistung der F1 Testkreuzung aus dem Durchschnitt der elterlichen Testkreuzungen stimmt mit der epistatischen Genwirkung überein. Mit diesem Ansatz entdeckten die Autoren Epistase für mehrere Merkmale, einschließlich Ertrag, Ertragskomponenten und Zeitpunkt der Entwicklung bei den Nachkommen des heterotischen Hybrids B73 × Mo17.

Aktuelle Studien in Mais, Reis und Arabidopsis basierend auf dem QTL-Mapping-Bericht Epistase für verschiedene Merkmale. Kusterer et al. [46] verwendeten ein Triple-Testcross-Design im Kontext der QTL-Analyse in Arabidopsis, um die Bedeutung der Epistase für Biomassemerkmale zu charakterisieren. Diese Forschung wurde durch eine verwandte Studie zu nahezu isogenen Linien ergänzt [47, 48]. Neuere QTL-Mapping-Studien unterstützen die Rolle der Epistase bei Reis [49–51]. Die Art der Epistase variiert in diesen Studien, von primär additiver × additiver Epistase bis hin zu dominanten epistatischen Interaktionen, zumindest teilweise aufgrund experimenteller Materialien und Ansätze. Yuet al. [49] evaluierte Inzucht F2-abgeleitetes F3 Familien aus der intraspezifischen Kreuzung Zhenshan97 × Minghui63 und berichteten über eine Dominanz von additiven × additiven Wechselwirkungen, die der Leistung für den Getreideertrag zugrunde liegen. Im Gegensatz dazu haben Li et al.[50] bewerteten Rückkreuzungs- (BC) und Testkreuzungshybride aus Nachkommen eines interspezifischen japonika × indica hybride und berichtete überdominante epistatische Wechselwirkungen. Huaet al. [51] untersuchten ein „immortalisiertes F2” Population basierend auf sich kreuzenden rekombinanten Inzuchtlinien und berichtete über die wichtige Rolle bei dominant × dominanten epistatischen Interaktionen. Bei der Interpretation und Zusammenfassung der Trends in diesen Studien zeigen (1) interspezifische Populationen, deren Eltern über einen längeren Zeitraum genetisch getrennt wurden, mehr Segregation und ein höheres Maß an epistatischer Genwirkung, (2) Versuchsdesigns, die Individuen mit mehr Heterozygotie verwenden (Testcross oder intermitierte RIL) ein höheres Maß an Dominanz erkennen und (3) die Interpretation von Überdominanz bleibt in den meisten Studien mit Pseudoüberdominanz verwechselt.

Es ist logisch, die potenzielle Relevanz im Zusammenhang mit metabolischen und physiologischen Pfaden zu betrachten. Ein physiologischer Stoffwechselweg, der speziell im Zusammenhang mit Heterosis untersucht wurde, ist der Metabolismus und die Signalübertragung von Gibberellinsäure (GA). Die Produktion von GA umfasst einen mehrstufigen Weg, und die Transduktion des GA-Signals umfasst ein komplexes Signalnetzwerk. Daher bietet dieser Stoffwechsel- und Signalweg reichlich Gelegenheit für die Expression der epistatischen Genwirkung. In Mais enthalten Inzuchten weniger endogenes GA und Vorläufer als entsprechende Hybride [52]. Die Anwendung von exogenem GA stimuliert das Wachstum von Inzuchten stärker als von Hybriden [53, 54], was mit der Hypothese übereinstimmt, dass die verringerte Effizienz von Inzuchten, GA zu produzieren, zu einer verringerten Biomasseakkumulation führt. Eine kürzlich durchgeführte Studie an Reis liefert eine ähnliche Unterstützung für die Rolle von GA bei der Heterosis für die Biomasseakkumulation [55]. Diese Studie lieferte metabolische und transkriptomische Beweise, um die Bedeutung der GA-Synthese und der Signalübertragung bei der Heterosis während der Entwicklung von Reiskeimlingen zu unterstützen.

Die Rolle der Epistase bei der Leistung heterotischer und nichtheterotischer Merkmale bleibt faszinierend und verblüffend. Konzeptionell ist klar, dass viele und unterschiedliche komplexe Wege interagieren, um Phänotypen bei Individuen zu erzeugen, was die Wahrscheinlichkeit unterstützt, dass genetische Epistase entdeckt werden sollte. Die genetische Epistase erfordert jedoch nicht nur interagierende molekulare Wege, sondern auch eine allelische Variation innerhalb interagierender Wege von ausreichender Größe, um eine signifikante statistische Interaktion bereitzustellen. Große QTL-Kartierungsstudien finden wenig Hinweise auf epistatische Interaktionen für spezifische Entwicklungs-, Architektur- und biochemische Merkmale [56–58] obwohl, wie zuvor beschrieben, die Heterosis bei hochkomplexen Merkmalen wie dem Kornertrag größer ist, Merkmale, für die quantitative genetische Studien häufiger unterstützen die Rolle der Epistase. In Fällen, in denen qualitative Mutationen in mehrere genetische Hintergründe eingeschleust wurden, gibt es zwingende Beweise dafür, dass die Expression stark vom Hintergrund abhängig ist. Daher ist es logisch, dass Gene mit geringerer Wirkung auf die gleiche Weise interagieren sollten. Die Wirkung einzelner Gene/QTL muss jedoch ausreichend groß sein, damit Wechselwirkungen im Rahmen spezifischer Versuchsanordnungen und Populationsgrößen nachweisbar sind. Das Verständnis der Rolle der Epistase bei der Heterosis und der Expression anderer Merkmale wird sich mit der Weiterentwicklung molekularer Werkzeuge und statistischer Ansätze weiter verbessern. Aktuelle Erkenntnisse deuten darauf hin, dass es noch viel mehr über epistatische Geninteraktionen zu lernen gibt, die der Heterosis zugrunde liegen.

Es ist wichtig zu erkennen, dass Schätzungen der Genwirkung auf einem logischen Rahmen von Genen, Allelen und allelischen Effekten basieren (z. B. Falconer und Mackay [59]) und Interpretationen nur im Kontext dieses Rahmens relevant sind. Im nächsten Abschnitt werde ich molekulare Mechanismen diskutieren, die mit diesem Rahmen in Einklang stehen. Es wurden jedoch Mechanismen der phänotypischen Variation aufgrund von ortsunabhängigen, genomweiten Mechanismen vorgeschlagen und später in diesem Artikel zusammengefasst. Beachten Sie, dass die phänotypische Variation aufgrund dieser Mechanismen immer noch im Kontext von genspezifischen Modellen in Varianzkomponentenstudien aufgrund von Einschränkungen im Modell unterteilt wird, aber tatsächlich aus einem allgemeineren Mechanismus resultieren kann.

6. Molekulare Evidenz im Einklang mit quantitativen genetischen Modellen

Das Konzept der Heterosis hat sich parallel zu Entdeckungen auf der molekularen Grundlage der Mutation, der Kontrolle von Transkription und Translation und der Entdeckung vererbbarer Allelzustände auf Chromatinbasis entwickelt. Quantitative genetische Modelle, die aktuellen Züchtungs- und Varianzpartitionierungsmodellen zugrunde liegen, basieren auf vererbbarer allelischer Variation, die konsistente Wirkungen innerhalb definierter genetischer und umweltbezogener Kontexte bietet. Ein frühes und immer noch vorherrschendes Modell alternativer allelischer Zustände ist das Vorhandensein jedes Gens in allen Individuen einer Spezies mit einer Reihe von Sequenzvarianten, die geringfügige bis extreme funktionelle Konsequenzen mit sich bringen könnten, einschließlich intermediärer bis vollständiger Funktionsverlust-Allele. Dieses Konzept steht im Einklang mit dem umfangreichen Einzelnukleotid-Polymorphismus (SNP), Indel und Transposon-Variationen, die innerhalb und in der Nähe von Genen beim Vergleich einzelner Genome innerhalb von Arten gefunden werden [60–65]. Die Entdeckung, dass Pflanzengenome einen großen Anteil an repetitiven Transposons enthalten, erhöht die Möglichkeit für Transposons, die Expression benachbarter Gene zu beeinflussen, einschließlich der Veränderung des Expressionsniveaus, der Erzeugung einer ektopischen Genexpression und der Erzeugung allelischer Variation durch die Einführung von Fußabdrücken nach der Insertion und Exzision [66]. In letzter Zeit unterstützt die zunehmende Erkenntnis der Bedeutung der Präsenz-Absenz-Variation (PAV) und der Kopienzahlvariation (CNV) das Konzept von Pangenomen innerhalb von Arten, bei denen nicht alle Individuen einer Art eine Kopie aller Gene enthalten, die in der Art vorkommen [67–70]. Schließlich bieten vererbbare Epiallele [71] einen sequenzunabhängigen Mechanismus, um veränderte Expressionsniveaus zu erzeugen, die möglicherweise schneller zurückkehren können, um schnelle direkte oder natürliche evolutionäre Veränderungen zu unterstützen.

Alle diese Allel-erzeugenden Mechanismen – SNPs, Transposons, PAVs und Epiallele – stimmen mit der Hypothese überein, dass ortsspezifische intraallelische Interaktionen mit einem gewissen Grad an Dominanz für die Heterosis verantwortlich sind. SNPs können beispielsweise die Funktion reduzieren, indem sie die Aktivität oder Produktivität von Enzymen verändern oder die Effizienz der Transkriptionsfaktorbindung verringern. Ein Funktionsverlust könnte aus SNPs resultieren, die Nonsense-Allele produzieren oder Spleißverbindungen verändern, oder Transkriptverlust aufgrund des Fehlens einer Sequenz oder durch epigenetisches Silencing. Allele mit reduziertem oder vollständigem Funktionsverlust können in zufällig gepaarten hoch heterozygoten Populationen von Individuen akkumuliert werden. Bei Inzucht würde die Homozygotie von schädlichen Allelen zu einem Vitalitätsverlust (Inzuchtdepression) führen, der durch die Paarung genetisch nicht verwandter Individuen wiederhergestellt würde.

Neue Allele treten im Zusammenhang mit chromosomalen Lokalisationen auf, und neuere Studien, die die Nichtlinearität der Häufigkeit von Rekombinationsereignissen über das Chromosom definieren [72], stimmen mit Beobachtungen von Pseudoüberdominanz überein. Die Akkumulation von Mutationen in zentromerischen Regionen mit eingeschränkter Rekombination führt zu quantitativen genetischen Schätzungen einer Überdominanz in Varianzanalysen und QTL-Studien aufgrund des hohen Grades an anhaltendem Kopplungsungleichgewicht in diesen Regionen. Das Potenzial von Regionen mit begrenzter Rekombination, schädliche Allele zu beherbergen, die selten die Möglichkeit zur Rekombination haben, ist die Grundlage des von Pflanzenzüchtern verwendeten Konzepts der heterotischen Muster, steht im Einklang mit der in genetisch isolierten natürlichen und künstlichen Populationen beobachteten Heterosis und bietet eine Grundlage für der Wert der Polyploidie zur Fixierung heterotischer Geninteraktionen durch die Kombination divergenter, aber verwandter Genome.

Von Pflanzenzüchtern verwendete heterotische Muster [73] bieten ein nützliches konzeptionelles Modell, um Heterosis in isolierten Populationen zu diskutieren. Züchter haben Zuchtlinien absichtlich in verschiedene Gruppen (Elternpools) unterteilt und die Vermischung zwischen Pools begrenzt, um die Leistung von Hybriden zwischen Eltern, die aus den Gruppen ausgewählt wurden, zu maximieren. Betrachten Sie zum Beispiel die Möglichkeit, dass eine Spezies mit 10 Chromosomen ein Loci-Paar auf jedem der 10 Chromosomen im Abstand von 1 Centimorgan in der Abstoßungsphase mit dominanter Genwirkung hat. Es wäre relativ einfach, basierend auf dem Phänotyp oder Genotyp, zwei Zuchtpools zu entwickeln, die für die komplementierenden Allelpaare an jeder dieser 10 Positionen fixiert würden, um die volle Leistung der Hybriden zwischen den Pools zu erzielen. Gameten, die Rekombinationsereignisse in jedem der Intervalle enthalten, wären jedoch erforderlich, um ein Individuum aus der Gründerpopulation mit günstigen Allelen an allen 20 Loci (10 Paare) zu erzeugen. In einer einzigen Generation würde diese Kombination mit einer Häufigkeit von auftreten

in 10 Billionen Individuen, mehr als das Fünffache der in den Vereinigten Staaten pro Jahr angebauten Maispflanzen. In Wirklichkeit ist die Situation viel komplexer mit mehreren Loci in der Abstoßungsphase in genomischen Regionen mit hoher und anhaltender LD, was es logisch macht, das Leistungspotenzial von Verknüpfungsblöcken zu erfassen, anstatt zu versuchen, außergewöhnlich seltene rekombinante Typen zu identifizieren, die Abstoßungsphase-Verknüpfungen auflösen . Dieses Konzept kann auf geographisch oder genetisch isolierte Populationen angewendet werden. Inzucht aufgrund von Drift würde zu einer Divergenz genomischer Blöcke in Regionen mit hoher LD führen, was zu einer verringerten Gesamtleistung führt. Nach vielen Generationen der Trennung würde bei der Kreuzung der Populationen aufgrund der Komplementation Heterosis beobachtet.

Obwohl die Dominanzhypothese von einigen als die „alte Sichtweise“ der Heterosis beschrieben wurde, stimmt sie mit der Mehrheit und Vielfalt der Ergebnisse überein, die bei verschiedenen Arten beobachtet wurden, einschließlich der vorhersagbaren Vererbbarkeit für die Leistung, wenn Populationen einer Selektion unterzogen werden, Schätzungen der Genwirkung in kontrollierten Experimenten und neuere Informationen über die molekularen Grundlagen des Allelismus. Dennoch ist es möglich, dass quantitative genetische Modelle, die Anfang des 20. Jahrhunderts entwickelt wurden, nicht alle heute verstandenen molekularen Mechanismen angemessen erfassen, und es gibt zumindest anekdotische Berichte über spezifische Hybriden, die basierend auf klassischen quantitativen genetischen Modellen die Erwartungen übertreffen. Diese Beobachtungen spornen weiterhin die Erforschung molekularer Mechanismen an, möglicherweise genomweit und ortsunabhängig, die erforderlich sind, um zumindest einen Teil der Heterosis zu erklären.

7. Genomische Analyse von Heterosis

Der Phänotyp ist das Ergebnis der Interpretation genetischer Informationen durch die Prozesse der Transkription, Translation sowie des Stoffwechsels und der Entwicklung. Genomstudien haben daher das Transkriptom, Proteom, Metabolom und verwandte Kontrollmechanismen in Inzucht und Hybriden als Ansatz zur Bewertung der Beziehung zwischen beobachteten Phänotypen und zugrunde liegenden molekularen Signalwegen bewertet. Die einfachste Interpretation wäre eine direkte Beziehung zwischen molekularer Expression und beobachtetem Phänotyp, so dass zusätzliche Transkriptmengen einen intermediären Phänotyp erzeugen würden. Es ist wichtig anzumerken, dass der Zusammenhang zwischen molekularen Maßen und endgültigem Phänotyp wahrscheinlich nicht so klar sein wird, wie in dem oben zitierten Tomatenbeispiel für Überdominanz [43], bei dem die intermediäre transkriptionelle Expression am SFT Locus führte zu einer Überdominanz für den Ertrag.

Transkriptomstudien messen die relative Gesamtmenge an Transkript pro Locus oder können den relativen Beitrag jedes Allels in Hybriden messen. Beide Arten von Informationen sind nützlich und ergänzen sich, aber es ist wichtig zu erkennen, dass es sich um unterschiedliche Transkriptionsmaße handelt und dass keiner von beiden Informationen über das Transkript eines einzelnen Gens pro Zelle liefert. Genomweite Studien des Transkriptoms bei Inzucht- versus Hybrideltern zeigen, dass die Mehrheit der Gene additiv exprimiert wird [74–76], und ein kleinerer Anteil der Gene zeigt eine nicht-additive Expression, von denen ein sehr kleiner Prozentsatz eine Expression außerhalb der Eltern zeigt Werte (transkriptionelle Überdominanz oder Epistase). Eine nicht-additive Genwirkung könnte aus genetischen und epigenetischen intraallelischen Interaktionen einschließlich Paramutation oder aus interallelischen Interaktionen (Epistasis) resultieren. Ein Beispiel für eine epistatische Wechselwirkung, die zu einer Expression über die elterlichen Werte hinaus führt, wäre die Komplementierung von Allelen in einem heterodimeren Transkriptionsfaktor, die zu einer transkriptionellen Aktivierung eines Weges in einem Hybrid führen würde, der in keinem Elternteil aufgrund des Fehlens einer Komponente transkriptionell aktiv ist. Es ist bemerkenswert, dass diese Art der epistatischen Interaktion in genomweiten Transkriptomstudien selten beobachtet wird.

Die Gesamttranskription an einem Locus ist ein kombinierter Beitrag von jedem Elternteil. Es ist möglich, dass sich ein additiver Expressionswert aus einem linearen Beitrag jedes Elternallels im Hybrid relativ zu seiner Expression in der Inzucht ergibt (cis Kontrolle) oder könnte auf die Heterozygote eines entfernten Kontrollfaktors zurückzuführen sein, der das Expressionsniveau moduliert (trans Steuerung). Stupar und Springer [74] untersuchten den allelischen Beitrag zur Expression im Hybrid über mehrere Loci hinweg und stellten fest, dass die Mehrheit der Loci in kontrolliert wurde cis. Dies stimmt im Allgemeinen mit den Beobachtungen von Guo et al. [77], die die genomweite allelspezifische Expression in Maishybriden untersuchten und hauptsächlich intermediäre Beiträge beider Eltern fanden, wobei einige Loci mütterliche oder väterliche Voreingenommenheit zeigten. In einer verwandten Studie haben Guo et al. [78] berichteten, dass die väterlich beeinflusste Expression unter dem Stress einer hohen Pflanzendichte höher und in einem alten Hybrid höher war als in einem neuen Hybrid, was auf eine potenziell wichtige Umweltkomponente für die beobachteten Expressionswerte hindeutet.

Additive Transkriptniveaus von Genen könnten auf verschiedene Weise zu einer nicht-additiven phänotypischen Leistung führen. Erstens kann die Anwesenheit eines einzigen günstigen Allels ausreichend sein, um eine Proteinfunktion bereitzustellen, die dem hohen Elternniveau äquivalent ist, selbst wenn beide exprimiert werden und das günstige Allel nur in der Hälfte der Menge vorhanden ist. Zweitens konnten additive Expressionsniveaus in dem Hybrid in Fällen eines Präsenz-Abwesenheit-allelischen Kontrasts im Elternteil beobachtet werden, wobei ein Elternteil keine Expression aufwies und der andere ein funktionelles Produkt exprimierte. Das Hybrid kann nur die Hälfte der Expression des das Gen enthaltenden Elternteils aufweisen, aber diese Expressionsmenge könnte ausreichend sein, um den Mangel aufgrund des Fehlens des Gens im anderen Elternteil zu kompensieren. Daher stimmen die beobachteten Ergebnisse mit quantitativen genetischen Beobachtungen auf der Grundlage des Phänotyps überein. Es ist bemerkenswert, dass der Hybrid im Allgemeinen eine vorhersagbare Kombination der Inzuchteltern ist und dass er keine genomweiten üppigen Transkriptionsniveaus aufweist, die nicht durch die elterlichen Expressionsniveaus vorhersagbar sind, wie von einigen Modellen vorgeschlagen [79].

Verschiedene Studien haben kleine RNA-Spiegel in Inzuchten und Hybriden gemessen, von denen einige einen starken Hinweis auf die Rolle kleiner RNAs bei der Heterosis geben [80, 81]. Eine kürzlich durchgeführte Studie an Mais mit Illumina-Sequenzierung und qPCR-Bestätigung zeigte, dass, wie bei der Gentranskription, kleine RNA-Spiegel im Allgemeinen im Hybrid mit Mengen addiert werden, die basierend auf der Inzucht vorhersagbar sind [82]. Es ist möglich, dass additive Wechselwirkungen zwischen verschiedenen kleinen RNAs, wie bei genetischen Transkriptionsfaktoren, zu einer nicht-additiven Expression der von ihnen kontrollierten Loci führen können, obwohl diese Art der Expression eine Minderheit ist. Ein interessanter Befund im Barber et al. [82] Studie war die Beobachtung, dass hybride Maispflanzen im Vergleich zu ihren Inzuchteltern, die alle die mop1 Mutation (ein Protein, das für die Produktion der meisten 24nt small RNA notwendig ist) waren gleich oder heterotischer als nicht mutierte Hybride. Dieses Ergebnis zeigt, dass diese spezifische Klasse kleiner RNAs für die heterotische phänotypische Expression in Maishybriden nicht erforderlich ist.

Die Proteomanalyse ist ein weiterer Ansatz, der verwendet wurde, um molekulare Komponenten der Heterosis zu charakterisieren. Die proteomische Analyse von Keimlingswurzeln von Mais [83–86] und Reis [87] zeigt, dass die nicht-additive Expression von Proteinen in Hybriden gegenüber Inzuchten häufiger vorkommt als nicht-additive transkriptionelle Variationen. Dahalet al. [88] verglichen zwei heterotische Maishybride mit einer nichtheterotischen Hybride. Sie fanden heraus, dass Proteine, die an Stressreaktion und Protein- und Kohlenstoffmetabolismus angereichert sind, in heterotischen Hybriden unterschiedlich exprimiert werden. Ihre Ergebnisse zeigten, dass der Grad der Heterosis mit der Häufigkeit von Proteinisoformen und/oder -modifikationen korreliert war.

Zusammenfassend liefern umfangreiche genomische Studien zwar Erkenntnisse, aber keine direkten Antworten auf die Grundlagen der Heterosis. Alle Arten der Genwirkung – Additivität, Dominanz, Überdominanz und Epistase – werden auf molekularer Ebene beobachtet, aber die Interpretation dieser molekularen Effekte auf den endgültigen Phänotyp bleibt komplex und weitgehend undefiniert. Insgesamt stimmen die Ergebnisse mit der Bedeutung spezifischer allelischer Varianten bei der Manifestation von Heterosis und mit der vorhersagbaren Vererbung molekularer Phänotypen überein. Es wurden jedoch einige Mechanismen vorgeschlagen, die unabhängig von allelischen Effekten sind und eher genomweite Antworten auf genomische Diversität sind. Diese möglichen Mechanismen werden im folgenden Abschnitt diskutiert.

8. Genomweite Modelle zur Erklärung von Heterosis

Die heterotische Expression von Phänotypen ist in vielen Fällen mit der genetischen Distanz korreliert [89–93]. Dies trifft zwar im Allgemeinen zu, am deutlichsten ist der Zusammenhang jedoch im Vergleich von Hybriden mit ähnlicher Anpassung, die nach Produktivität ausgewählt wurden (zusammengefasst von Melchinger [94]). Ein Beispiel wäre die Sammlung von öffentlichen und privaten, nicht PVP-Maisinzuchten, die in den USA veröffentlicht wurden und für die Aufführung in im Allgemeinen ähnlichen Kontexten ausgewählt wurden. Innerhalb dieser Gruppe wäre aufgrund der Züchtungsmethode, mit der die Linien entwickelt wurden, eine starke Korrelation zwischen genetischer Vielfalt und Leistung zu erwarten. Wenn die genetische Distanz größer wird und die Anpassungskomplexität eingeführt wird, geht die Beziehung zwischen Leistung und genetischer Vielfalt verloren. Daher genetische Vielfalt an sich ist nicht die alleinige Grundlage für Heterosis. Im weiteren Sinne wäre nicht zu erwarten, dass andere Mechanismen, die Diversität erzeugen, wie Mutagenese, Heterosis erzeugen, die dem Grad der Divergenz entspricht. Nichtsdestotrotz wurde postuliert, dass das Genom Mechanismen besitzt, um Diversität zu erkennen und die Reaktion auf Diversität in heterotische Leistung übersetzt werden kann. Genomweite Mechanismen werden als Gen-/Allel-unabhängig angesehen. Beachten Sie, dass auf der Grundlage dieser Definition genomweite Mechanismen auch als merkmalsunabhängige Heterosis für alle Merkmale in ähnlichem Maße angesehen würden. Im Allgemeinen ist die Heterosis zwischen Hybriden nicht allgemein, sondern eher merkmalsspezifisch (zusammengefasst bei Kaeppler [95]).

Ein genomweiter Mechanismus, der als Grundlage der Heterosis vorgeschlagen wurde, sind Veränderungen der DNA-Methylierung oder allgemeiner des Chromatin-Zustands. Vererbbare epigenetische Variation ist ein gemeinsames Merkmal von Pflanzengenomen, wahrscheinlich häufiger als Sequenzvariation (Becker und Weigel [96]). Die Möglichkeit gezielter oder zumindest häufigerer Veränderungen der DNA-Methylierung bei Hybriden im Vergleich zu ihren Inzucht-Vorläufern steht im Einklang mit der potentiellen Wachstumsstimulation auf Basis der Diversität an sich. Dies entspricht auch allel- und locusspezifischen Beobachtungen von Paramutationen [97–99], bei denen die allelische Interaktion zu einer erblichen Änderung des Expressionszustands führt, eine Beobachtung, die mit den Grundsätzen der quantitativen genetischen Theorie nicht vereinbar ist.Jüngste Studien zur genomweiten Methylierungsanalyse durch Sequenzierung von Inzuchten und Hybriden deuten darauf hin, dass wiederholbare Methylierungsänderungen bei der Hybridisierung, die wahrscheinlich durch kleine RNAs gesteuert werden, etwas üblich sind [100, 101], aber es bedarf weiterer Forschung, um die Auswirkungen dieser Änderungen auf die Genexpression zu verstehen und Phänotyp.

Die sequenzbasierte Analyse der DNA-Methylierung liefert mehr Details als frühere Studien, die auf dem Gesamtanteil von 5-Methylcytosin im Genom basieren, aber Studien, die auf dem Anteil methylierter Cytosine basieren, liefern einige faszinierende Hinweise auf Umwelteinflüsse auf Methylierungsänderungen und potenzielle Unterschiede zwischen den Arten . Tsfartiset al. [102] berichteten von verringerten DNA-Methylierungswerten bei Hybriden im Vergleich zu Inzuchtmaispflanzen und fanden heraus, dass die Verringerungen mit Stress (Pflanzungsdichte) in Zusammenhang stehen. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass Veränderungen der Methylierung erblich sind. Kürzlich haben Vergeer et al. [103] berichteten, dass Inzucht in Skabiose korreliert mit einer erhöhten genomweiten DNA-Methylierung und in Hybriden ist die Methylierung reduziert. Darüber hinaus berichten sie, dass die Anwendung eines Demethylierungsmittels, 5-Azacytidin, bei Inzuchten die Produktivität auf das Hybridniveau wiederherstellte. Obwohl 5-Azacytidin genomweite Wirkungen hat, ist nicht klar, ob die beobachtete Stimulierung der Vitalität ein ortsspezifischer Effekt ist, der möglicherweise mit der Blüte zusammenhängt. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu Shen et al. [101], die eine Zunahme der DNA-Methylierung bei Hybriden im Vergleich zu Inzucht-Vorläufern und eine verringerte Vitalität bei Hybriden berichteten, die mit einer Chemikalie behandelt wurden, die die Methylierung reduzierte. Im Allgemeinen gibt es bei Arten mit Inzuchtdepression wenig Beweise dafür, dass weder DNA-Methylierung oder Chromatin-Mutanten noch chemische Behandlungen zur Verringerung der DNA-Methylierung oder zur Veränderung der Histon-Modifikation die Vitalität stimulieren. In den meisten Fällen wird erwartet, dass die Vitalität bei diesen Mutanten und durch diese Behandlungen verringert wird.

Goff [104] schlug eine Modellrechnung der multigenen Heterosis vor, die auf Energieeffizienzgewinnen aufgrund der Proteinverarbeitung bei Hybriden im Vergleich zu Inzuchten basiert. Das Modell schlägt vor, dass die bei Hybriden, aber nicht bei Inzuchten verfügbare Allelauswahl Hybriden die Möglichkeit bietet, das günstige Allel bevorzugt zu erkennen und zu exprimieren. Durch die Minimierung der Expression von Allelen, die ein energieintensives Proteinrecycling erfordern, realisieren Hybride einen synergistischen Wachstumsvorteil, der während des frühen Wachstums zu realisieren beginnt und sich während des gesamten Lebenszyklus der Pflanze ansammelt. Diese Idee steht im Einklang mit der Idee, dass Vielfalt an sich ist nicht die Grundlage der Heterosis, aber die Maximierung von „Qualitäts“-Allelen in Hybriden trägt zur Leistung unabhängig von der Funktion dieser Gene bei. Es steht im Gegensatz zu der Beobachtung, dass die Manifestation der Heterosis merkmalsabhängig ist. Genomweite Heterosismodelle sagen voraus, dass Vitalität für alle heterotischen Merkmale in ähnlicher Weise profitieren würde.

9. Polyploidie, Aneuploidie und Heterosis

Polyploidie bietet einen Mechanismus zum Einfangen heterotischer Genkombinationen. Darüber hinaus können die phänotypischen Konsequenzen der Genkopienzahl bei Polyploiden und Aneuploiden, sogar solchen, die einzelne Allele an allen Loci enthalten, Hinweise auf Mechanismen geben, die der Heterosis zugrunde liegen [13, 20, 105].

Allopolyploide werden durch die Vereinigung verschiedener Genome in einem einzigen Kern gebildet. Der Prozess der Allopolyploidisierung kann aus einer Hybridisierung gefolgt von einer somatischen Chromosomenverdoppelung oder, noch häufiger, einer Befruchtung von nicht reduzierten Gameten resultieren. Die allelische Komplementation an gemeinsamen Loci in den homöologen Genomen wird bei der Polyploidisierung fixiert, wodurch das heterotische Potenzial fixiert wird, das von den Komponentenspezies beigesteuert wird. Dieser Mechanismus der Erfassung heterotischer Leistung durch den Prozess der Polyploidisierung steht im Einklang mit den oben beschriebenen Dominanz/Überdominanz/Epistatischen Modellen. Darüber hinaus haben Polyploide zusätzliche Möglichkeiten für epistatische Interaktionen aufgrund einer potentiellen Segregation von interagierenden Loci, die durch die Komponentengenome beigesteuert wird, sowie einer unabhängigen Segregation von Allelvarianten an homöologen Loci.

Eine interessante Beobachtung bei Autopolyploiden der progressiven Heterosis [106]. Progressive Heterosis ist die Leistungssteigerung von Individuen mit zunehmender Wahrscheinlichkeit einer allelischen Diversität. Insbesondere ist das Leistungsniveau höher, wenn mehr als zwei Allele an einem Locus möglich sind, als wenn nur zwei Allele vorhanden sein können. Die Beobachtung einer progressiven Heterosis wurde alternativ als konsistent mit Pseudooverdominanz aufgrund einer Repulsion-Phase-Verknüpfung dominanter Allele interpretiert [107] und als Argument gegen eine einfache Komplementation und für intraallelische Interaktionen höherer Ordnung [12]. Bei diploiden Arten unterstützt der Großteil der aktuellen Beweise Komplementation (Dominanz) gegenüber intraallelischen Interaktionen (Überdominanz).

Eine faszinierende phänotypische Folge von Polyploidie und Aneuploidie ist der Leistungsunterschied aufgrund der Anzahl der genomischen Komplemente oder der Dosisvariation ganzer Chromosomen oder von Teilen von Chromosomen, und diese Konsequenzen können Auswirkungen auf die Heterosis haben [12, 108, 109]. Diese Leistungsunterschiede können unabhängig von einer allelischen Diversität auftreten. Haploiden in Pflanzen fehlt es im Allgemeinen an Vitalität, und doppelte Haploide (Dihaploide) sind genauso kräftig wie sexuell abgeleitete Individuen derselben Ploidie, während sie vollständig homozygot sind. In Fällen, in denen polyploide Serien produziert wurden, sind Individuen mit höherer Ploidie oft kräftiger als Vorläufer mit niedrigerer Ploidie, obwohl die Fruchtbarkeit oft beeinträchtigt ist. Daher ist eine Leistungssteigerung für Merkmale wie den Futterertrag in Abwesenheit allelischer Diversität einfach durch die Erhöhung des DNA-Gehalts pro Zelle möglich. Andererseits verringert die Änderung der Dosierung von Chromosomen oder Chromosomensegmenten bei Aneuploiden häufig die Vitalität und Leistungsfähigkeit. Bei Aneuploiden führt eine Unter- und Überrepräsentation von Chromosomensegmenten in ähnlicher Weise zu einer verminderten Vitalität. Daher existieren eindeutig über Organismen hinweg Wege, um die Gendosis zu erfassen [109], und die phänotypischen Folgen von Polyploidie und Aneuploidie ähneln der unterschiedlichen Leistung von Inzucht und Hybriden. Im Zusammenhang mit der dramatischen An-/Abwesenheits- und Kopienzahlvariation, die bei vielen Arten beobachtet wurde, ist es interessant, die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, dass die Dosiserfassung ein Allel-unabhängiger Mechanismus ist, der der Heterosis zugrunde liegt. Bedenken Sie beispielsweise, dass Inzuchten durch die Segregation von PAV/CNV-Allelen aufgrund der Segregation ein bestimmtes Maß an durchschnittlichem Dosisungleichgewicht im gesamten Genom ansammeln und zu einer Verringerung der Vitalität führen. Hybride, die zwischen Kreuzungen von Inzuchtlinien gebildet wurden, hätten eine durchschnittliche Genkopienzahl im gesamten Genom, die weniger abweichend wäre als die Wiederherstellung der Vitalität beider Inzuchteltern. Aus züchterischer Sicht würde, wenn ein Dosisungleichgewicht für die Leistung wichtig ist, eine auf der Leistung basierende Selektion dazu neigen, die CNV in Genomen zu minimieren, zumindest an Loci, die einer Dosisreaktion unterliegen.

10. Zusammenfassung und Integration

Es ist klar, dass noch viel über die Genomzusammensetzung und die Rolle von Transkriptions-, Translations- und posttranslationalen Mechanismen bei der Interpretation von Genen in den Phänotyp zu lernen ist. Obwohl es sicher ist, dass zukünftige Entdeckungen mehr über den Prozess der Heterosis erklären werden, bin ich der Meinung, dass ein neuer und unentdeckter molekularer Mechanismus nicht erforderlich ist, um die Heterosis letztendlich zu erklären. Heterosis ist am größten für hochkomplexe Merkmale, die aus mehreren Komponenten-Phänotypen bestehen. Eine Akkumulation der Effekte einer großen Anzahl von Genen mit kleinen Effekten und einer gewissen Dominanz im Zusammenhang mit der Rekombination über das Genom hinweg reicht aus, um die Heterosis zu erklären und steht im Einklang mit der gerichteten und natürlichen Evolution. Mechanistisch gesehen ist das unentdeckte Territorium die Vielzahl spezifischer Mechanismen, durch die sich der kumulative Einfluss einer Vielzahl von Allelvarianten manifestiert.

Diskussionen über Heterosis werden oft durch eine inkonsistente Trennung der absoluten Leistungsmessung (Ertrag, Produktivität usw.) gegenüber echten Heterosis-Messwerten, die die Abweichung der Leistung eines hybriden Individuums oder einer Hybridpopulation von seinem elterlichen Vorfahren ist, verwirrt. Es wurde gezeigt, dass die Leistung vieler Merkmale auf erwartete und wiederholbare Weise vererbt wird, was darauf hindeutet, dass die Leistung im Hybridzustand nicht das Ergebnis von Mechanismen sein kann, die sich nicht durch Selektion und Inzucht manifestieren. Quantitative genetische Modelle, die auf Dominanz und Epistase basieren, erklären Heterosis, beobachtete phänotypische Variation und stimmen mit Beobachtungen einer reduzierten Heterosis (Abweichung der Hybridleistung vom Mittelwert der Inzucht) überein, wenn die Leistung von Hybriden verbessert wird. Neuere Genomstudien, die zeigen, dass große Regionen des Genoms eine begrenzte Rekombination aufweisen, bieten einen Mechanismus für die Akkumulation schädlicher Mutationen, die nur in seltenen rekombinanten Gameten aufgelöst und beseitigt werden können. Die zunehmende Anzahl von Wegen, auf denen schädliche Allele produziert werden können, einschließlich SNPs, Transposon-Insertionen und -Signaturen, PAV und epiallelischer Variation, bietet neue Wege, um die Bildung von schädlichen Allelen zu erklären. Der Großteil der verfügbaren Daten stimmt in hohem Maße mit der Dominanz-(Komplementierungs-)Hypothese als primärer Grundlage der Heterosis überein. Darüber hinaus ist die Heterosis bei hochkomplexen Merkmalen wie dem Getreideertrag am größten, der von vielen interagierenden Entwicklungs-, Stoffwechsel- und Umweltreaktionswegen beeinflusst wird, was darauf hindeutet, dass eine große Anzahl von Genen, wahrscheinlich jedes mit kleinen Auswirkungen, kumulativ im Zusammenhang mit interagierende (epistatische) Wege zur Erklärung von Leistung und Heterosis. Verschiedene molekulare Mechanismen, die die DNA-Sequenz in den Phänotyp interpretieren, werden beteiligt sein, und die Forschung zur Charakterisierung von Signalwegen und grundlegenden molekularen Mechanismen wird wichtig sein, um Heterosis im Kontext verschiedener Phänotypen zu verstehen, die jeweils unabhängig voneinander Heterosis in spezifischen genetischen Kontexten zeigen.

Es gibt keinen fehlenden, genunabhängigen, vereinigenden Mechanismus, um Heterosis zu erklären – Heterosis ist das Ergebnis der Vielfalt von Genen, Signalwegen und Prozessen, die bekannt sind und noch entdeckt werden müssen. Spezifische Beispiele mögen einen Mechanismus oder Prozess im Kontext eines spezifischen Merkmals und genetischen Kontexts hervorheben, aber diese Beispiele sind nur Beispiele und überschatten nicht die Tatsache, dass die vorhandene natürliche Variation die resultierende Anhäufung der Ergebnisse von Jahrtausenden von Mutationen und natürlichen und künstlichen ist Selektion manifestiert sich in den Organismen, die wir heute messen. Zu sagen, dass kein Vereinheitlichungsmechanismus fehlt, soll die Bedeutung der Grundlagenforschung nicht schmälern. Es soll vielmehr die Bedeutung diverser grundlegender Experimente hervorheben, um letztendlich biologisch und wirtschaftlich wichtige Phänomene wie Heterosis zu verstehen und darauf hinzuweisen, dass die endgültige Antwort auf die Grundlage der Heterosis die Anhäufung von Ergebnissen vieler und unterschiedlicher Studien sein wird und nicht eine singuläre , vereinheitlichende, neuartige Entdeckung.

Danksagung

Die Autoren danken dem DOE Great Lakes Bioenergy Research Center (DOE BER Office of Science DE-FC02-07ER64494) und dem National Institute of Food and Agriculture, United States Department of Agriculture Project WIS01330.

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AUTORENBEITRÄGE

JV plante und gestaltete die Forschung DML, MN und LK führten die Mehrheit der Experimente durch SK stellte das Pex-RD-Set DML bereit und JV schrieb das Manuskript RV las das Manuskript Korrektur und lieferte die wesentliche Forschungsumgebung, die SA, HS und KS durch Kartierung beisteuerten , Klonen und Charakterisieren Rpi-chc1 die allelischen Varianten RS, AL und AAH trugen dazu bei, Avrchc1 und ihre differentiellen Erkennungsspezifitäten durch . zu identifizieren Rpi-chc1 allelische Varianten.


Abstrakt

Das Urothelkarzinom der Blase umfasst zwei seit langem bekannte Krankheitsentitäten mit unterschiedlichen molekularen Merkmalen und klinischen Ergebnissen. Niedriggradige nicht-muskelinvasive Tumoren treten häufig wieder auf, entwickeln sich jedoch selten zu einer Muskelinvasion, während muskelinvasive Tumoren normalerweise diagnostiziert werden de novo und metastasieren häufig. Jüngste genomweite Expressions- und Sequenzierungsstudien identifizieren Gene und Signalwege, die die Hauptursachen für Urothelkrebs sind, und zeigen ein komplexeres Bild mit mehreren molekularen Unterklassen, die konventionelle Grad- und Stadieneinteilungen durchqueren. Dieses verbesserte Verständnis molekularer Merkmale, Krankheitspathogenese und Heterogenität bietet neue Möglichkeiten für die prognostische Anwendung, das Krankheitsmonitoring und die personalisierte Therapie.


Beziehung zwischen Genotyp und biochemischem Phänotyp

Abbildung 1. Abbildung 1. Vorhergesagte Phenylalanin-Hydroxylase (PAH)-Aktivität im Verhältnis zum Kehrwert des Serum-Phenylalanin-Spiegels vor der Behandlung bei Patienten mit Phenylketonurie.

Zur Berechnung jeder Kurve wurde eine Regressionsanalyse der kleinsten Quadrate verwendet, dargestellt mit der Gleichung für die Linie und dem Korrelationskoeffizienten. Einige Symbole stehen für mehr als einen Patienten.

Zum Vergleich wurden die Serum-Phenylalanin-Spiegel und die Phenylalanin-Toleranz vor der Behandlung bei den dänischen Patienten im Alter von fünf Jahren und die Serum-Phenylalanin-Spiegel vor der Behandlung und nach oraler Proteinbelastung bei den deutschen und anderen Patienten im Alter von sechs Monaten ausgewählt, da diese Werte waren die am besten definierten biochemischen Indizes und waren auch die wichtigsten Variablen, die zur Klassifizierung klinischer Phänotypen verwendet wurden. Für 95 der 104 Patienten, deren Genotypen bestimmt wurden, lagen vollständige Daten zu den Serum-Phenylalanin-Spiegeln vor der Behandlung vor. Da die hepatische Hydroxylierung der primäre Stoffwechselweg von Phenylalanin beim Menschen ist 34 , 35 würde erwartet, dass der Serum-Phenylalaninspiegel den normalen Spiegel übersteigt, wenn der Spiegel der Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität abnimmt. Somit wäre unter Sättigungsbedingungen die vorhergesagte Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität umgekehrt proportional zum Serum-Phenylalanin-Spiegel vor der Behandlung. Die umgekehrte Transformation der Werte für die Serum-Phenylalanin-Spiegel vor der Behandlung erlaubte die Verwendung einer einfachen Korrelationsanalyse, um die Assoziation zwischen dem vorhergesagten Spiegel der Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität und dem Serum-Phenylalanin-Spiegel vor der Behandlung zu bestimmen. Darüber hinaus könnte eine einfache lineare Regressionsanalyse verwendet werden, um die Beziehung zwischen diesen beiden Variablen zu definieren. Die Ergebnisse dieser Analysen sind in Abbildung 1 dargestellt. Obwohl die Korrelation bei den dänischen Patienten stärker war (r = 0,91, P<0,001), war sie auch bei den deutschen Patienten stark (r = 0,74, P<0,001) ( Abb. 1 ). Die Steigungen der Regressionslinien dieser beiden Gruppen unterschieden sich geringfügig, was möglicherweise geringfügige Unterschiede in den Methoden widerspiegelt, die zur Messung der Serum-Phenylalanin-Spiegel vor der Behandlung verwendet wurden, oder in den Bedingungen, unter denen die Proben entnommen wurden. Die y-Achsenabschnitte der Regressionslinien unterschieden sich nicht signifikant zwischen den Gruppen, was darauf hindeutet, dass die Phenylalanin-Serumspiegel in Abwesenheit einer hepatischen Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität durch die kombinierten Einflüsse konkurrierender Stoffwechselwege für Phenylalanin bestimmt werden. Variationen dieser Wege der Phenylalanin-Aufnahme oder des Metabolismus können auch zur Variation der Serum-Phenylalanin-Spiegel und der Phenylalanin-Toleranz vor der Behandlung bei Patienten mit vorhergesagten Spiegeln der Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität unter 15 Prozent beitragen, da diese Aktivität nicht mehr die dominante Determinante ihrer Serum-Phenylalanin-Spiegel war .

Ein Streitpunkt unter Phenylketonurie-Kliniken war der richtige Zeitpunkt für die Bestimmung der Phenylalanin-Serumspiegel vor Beginn der Behandlung. Wir untersuchten daher die Beziehung zwischen dem vorhergesagten Spiegel der Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität und dem Kehrwert des Serum-Phenylalanin-Spiegels vor der Behandlung in der dänischen und der deutschen Gruppe, indem wir die Patienten danach unterteilten, ob sie während oder nach den ersten 14 Tagen der Neugeborenenperiode getestet wurden . Die Beziehung war in diesen beiden Untergruppen nicht signifikant unterschiedlich (Daten nicht gezeigt), was darauf hindeutet, dass sie in beiden gleich gültig war. Obwohl die Identifizierung und Behandlung von Patienten mit Phenylketonurie am besten in den ersten 14 Tagen nach der Geburt durchgeführt wird, ist jeder Phenylalanin-Serumwert vor der Behandlung potenziell nützlich zur Unterstützung der Diagnose und Prognose, unabhängig vom Alter des Patienten zum Zeitpunkt der Untersuchung.

Figur 2. Abbildung 2. Vorhergesagte Phenylalanin-Hydroxylase (PAH)-Aktivität in Bezug auf die Phenylalanin-Toleranz bei dänischen Patienten im Alter von fünf Jahren und in Bezug auf den Kehrwert des Serum-Phenylalanin-Spiegels, der bei deutschen Patienten 72 Stunden nach der letzten oralen Proteindosis nach sechs Monaten bestimmt wurde des Alters.

Siehe Methoden für Details zur Bestimmung der Phenylalanintoleranz und Proteinbeladungstests. Einige Symbole stehen für mehr als einen Patienten.

Die Phenylalanintoleranz wurde auch verwendet, um die Phänotypen von Patienten mit Phenylketonurie zu bestimmen. Die Beziehung zwischen der vorhergesagten Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität und der Phenylalanin-Toleranz im Alter von fünf Jahren bei 48 dänischen Patienten ist in Abbildung 2 dargestellt. Es gab eine starke Korrelation zwischen diesen beiden Variablen (r = 0,84, P < 0,001), was darauf hindeutet, dass der Phenylalanin-Toleranztest für Diagnose, Behandlung und Prognose informativ ist. Ein weiteres klinisches diagnostisches Verfahren zur Klassifizierung von Patienten mit Phenylketonurie ist der orale Proteinbelastungstest. Obwohl eine signifikant inverse Beziehung zwischen dem vorhergesagten Spiegel der Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität und dem Serum-Phenylalanin-Spiegel, gemessen 48, 60 und 72 Stunden nach der Belastung, bestand, war die Korrelation nach 72 Stunden am stärksten (r = 0,84, P < 0,001) ( Abb. 2). Da die Korrelationen zwischen vorhergesagter Phenylalanin-Hydroxylase-Aktivität und Phenylalanin-Toleranz im Alter von fünf Jahren bzw. Serum-Phenylalanin-Spiegeln nach oraler Proteinbelastung im Alter von sechs Monaten gleichwertig waren, können beide Tests als diagnostisches Hilfsmittel dienen.


Genomweite Transkriptanalyse von Maishybriden: Allelische additive Genexpression und Ertragsheterose

Heterosis oder Hybridenkraft wird in der Pflanzenzüchtung seit vielen Jahrzehnten umfassend genutzt, aber die molekularen Mechanismen, die diesem Phänomen zugrunde liegen, sind noch unbekannt. In dieser Studie haben wir ein genomweites Transkript-Profiling angewendet, um ein globales Bild davon zu erhalten, wie ein großer Teil der Gene im unreifen Ohrgewebe einer Reihe von 16 Maishybriden mit unterschiedlichem Heterosisgrad exprimiert wird. Zu den wichtigsten Beobachtungen gehören: (1) der Anteil allelischer additiv exprimierter Gene ist positiv mit Hybridertrag und Heterosis assoziiert (2) der Anteil der Gene, die eine Tendenz zum Expressionsniveau des väterlichen Elternteils aufweisen, ist negativ mit Hybridertrag und Heterosis korreliert und (3) es gibt keine Korrelation zwischen der Über- oder Unterexpression bestimmter Gene in Maishybriden mit Ertrag oder Heterosis. Die Beziehung der Expressionsmuster mit der Hybridleistung wird durch die Analyse eines genetisch verbesserten modernen Hybrids (Pioneer ® hybrid 3394) gegenüber einem weniger verbesserten älteren Hybrid (Pioneer ® hybrid 3306), der bei unterschiedlichem Pflanzendichtestress gezüchtet wurde, untermauert. Der Anteil an allelischen additiv exprimierten Genen ist positiv mit modernen ertragreichen Hybrid-, Heterosis- und ertragreichen Umgebungen verbunden, während das Gegenteil für die väterlich voreingenommene Genexpression gilt. Die dynamischen Veränderungen der Genexpression in Hybriden, die auf Genotyp und Umgebung reagieren, können aus einer unterschiedlichen Regulation der beiden Elternallele resultieren. Unsere Ergebnisse legen nahe, dass die differenzielle Allelregulation eine wichtige Rolle bei der Hybridausbeute oder Heterosis spielen kann und bieten neue Einblicke in das molekulare Verständnis der zugrunde liegenden Mechanismen der Heterosis.

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