Żartobliwe pytanie z tytułu to owoc niedawnej rozmowy z doktorantem, który bada genetykę układu korzeniowego pomidora. Oczywiście żartów tłumaczyć się nie powinno, ale ten opiera się na serii dość niszowych ciekawostek, działających na wyobraźnię, choć raczej mało użytecznych. Stąd, w razie potrzeby, będę się bronił, że tłumaczę jedynie owe ciekawostki, a ewentualne zrozumienie żartu to efekt uboczny.

Niektórzy z czytelników zapewne wiedzą, że w dzisiejszych czasach dość często szczepi się pomidory szklarniowe. To znaczy: na podkładkę, czyli roślinę przyciętą do samego układu korzeniowego z drobnym fragmentem łodygi, zaszczepia się zraz, czyli nadziemną część innej rośliny. Jeśli procedura się uda, obie części zrastają się i stanową odtąd jeden organizm. To procedura kojarzona głównie z sadownictwem i drzewami owocowymi, ale funkcjonuje też w ogrodnictwie, szczególnie w intensywnej produkcji szklarniowej, w której pozwala na zwiększenie plonów i ograniczenie ryzyka związanego z patogenami glebowymi przez zastosowanie odporniejszych korzeni.

Od strony genetycznej, najbardziej mnie tu interesującej, chodzi o to, że dzięki szczepieniu można skorzystać jednocześnie z dwóch odmian, które drogą hodowli selektywnej wyspecjalizowano w różnych cechach. Jedna odmiana daje na przykład piękne, smaczne i liczne owoce, a druga bujne i odporne na choroby korzenie. Szczepiąc zaś jedną odmianę na drugą, możemy mieć i to, i to. Jednak dobrze zaznaczyć, że geny odpowiedzialne za obie grupy cech niekoniecznie się wykluczają. Teoretycznie można próbować tworzyć „super odmiany” o genach dających tak korzenie, jak i owoce w pełni odpowiadające naszym potrzebom. Takie odmiany nie wymagałyby szczepienia, które wykonuje się zazwyczaj ręcznie, co jest dość kosztowne. Hodowla selektywna jest jednak skomplikowana, szczególnie jeśli interesuje nas wiele cech naraz. Uszlachetnianie odmian trwa pokolenia. Nie może dziwić, że szczepienie jest szczególnie popularne wśród drzew i krzewów – ich pokolenia bywają bardzo długie!

Pokolenia mijają jednak u pomidorów dużo szybciej niż u drzew. Są to też mniejsze i krócej żyjące rośliny, więc ręczne szczepienie jest w ich przypadku odpowiednio bardziej uciążliwe i kosztowne. Stąd wśród hodowców jest pewien stopień zainteresowania wspomnianymi „super odmianami”, a co z tego wynika: są też pieniądze na badania, które pomogłyby w ich powstaniu. Dlatego właśnie wspomniany na początku doktorant zajmuje się tą tematyką. Próbuje on między innymi skonkretyzować pojęcie „bujności korzeni” [1], rozbić je na dobrze zdefiniowane, łatwe do zmierzenia cechy, a następnie zlokalizować i scharakteryzować geny, które za te cechy odpowiadają. Ułatwi to hodowcom wprowadzenie takich genów do odmian dających świetne plony.

Zasoby dostępne badaczom pomidorów są całkiem niezłe. Należy do nich wysokiej jakości genom referencyjny [2], którego pierwszą wersję opublikowano w roku 2012, a najnowszą w 2019. Zawiera on w prostej formie „tekstowej” sekwencje każdego z chromosomów, z których bez problemu można odczytać pozycje i sekwencje dowolnego genu, a porównując do nich własne dane, można identyfikować różne wersje (allele) tych genów i stawiać hipotezy na temat różnicy w ich funkcjonowaniu. Jednak poza tą „tekstową” istnieje jeszcze inna, starsza metoda przedstawiania genomów, która również przydaje się w tego typu badaniach. Chodzi o tak zwane mapy genetyczne.

Jako cezurę nowoczesnej genetyki wskazuje się często rok 1900, kiedy na nowo odkryto wyniki pracy czeskiego zakonnika Gregora Mendla, które opublikował on w latach sześćdziesiątych dziewiętnastego wieku. Mendel pracował nad grochem, ale główne przełomy z początku dwudziestego wieku skupione były na muszkach owocowych, które były wyjątkowo wdzięcznym modelem badawczym. Jak wskazywałem wyżej – tak długość pokolenia, jak i rozmiar są w hodowli bardzo istotne, a muszki pod oboma względami wypadają świetnie. Do największych z ówczesnych przełomów należą wspomniane mapy genetyczne, z których pierwszą opublikował w 1913 roku Alfred Sturtevant [3], doktorant Thomasa Hunta Morgana. Skrótowo: Mendel zajmował się genami, których allele dziedziczyły się niezależnie. Genetycy z początku dwudziestego wieku wykazali zaś, że geny można podzielić na pewnego rodzaju grupy. Allele genów należących do różnych grup (odpowiadających chromosomom, co było podstawą teorii Morgana o dziedziczeniu) faktycznie dziedziczą się niezależnie, jak u Mendla. Za to geny należące do tej samej grupy są ze sobą w różnym stopniu sprzężone, to znaczy – rzadziej lub częściej – ich allele dziedziczone są razem. Da się też je ułożyć w odpowiedniej kolejności na osi, tak że mocniej sprzężone geny leżą blisko siebie, a słabiej sprzężone – daleko. Taka uporządkowana lista pozycji, wraz z „odległościami”, to właśnie mapa genetyczna. Odległości wyrażane są w jednostce nazywanej centymorganem i opisują prawdopodobieństwo, że między pozycjami zajdzie rekombinacja, czyli pochodzące od rodziców chromosomy wymienią się materiałem, niwelując „sprzężenie” genów. Na marginesie, „mapa genetyczna” to może nie do końca właściwa nazwa; lista przystanków wraz z odległościami to chyba nie tyle mapa, co itinerarium.

Mapy genetyczne mają już ponad sto lat, ale wciąż znajdują zastosowanie. Są szczególnie pomocne w identyfikacji pozycji związanych z różnicami w cechach ilościowych, na przykład w bujności korzeni, przynajmniej jeśli ktoś odpowiednio ją skonkretyzuję i zmierzy. Poza tym poziom sprzężenia genów, który przedstawiają takie mapy, jest bardzo istotny w hodowli uszlachetniającej. Hodowca musi się wszak liczyć z tym, że selekcjonując jakąś cechę, może przy okazji „przywlec” do nowej odmiany inne, blisko sprzężone geny, a ich oddzielenie będzie wymagało użycia większej populacji lub większej liczby pokoleń. Stąd wspomniany doktorant buduje odpowiednie mapy na potrzeby swoich badań nad korzeniami pomidora. Dzięki nowoczesnym technikom biologii molekularnej jego mapy zawierają tysiące pozycji. To z jednej strony dobrze, bo skutkuje wysoką rozdzielczością; pierwsza mapa Sturtevanta zawierała jedynie sześć genów na jednym z chromosomów muszki owocowej. Z drugiej strony, ułożenie tak wielu pozycji w poprawnej kolejności i odległości stanowi spore wyzwanie obliczeniowe, do którego rozwiązywania stosuje się dziś często warianty algorytmów opracowanych dla słynnego problemu komiwojażera, w którym chodzi o znalezienie najkrótszej trasy, odwiedzającej każde z danej listy miast.

Reasumując, genomy można przedstawić na dwa sposoby: nowszy, oparty o odczyt sekwencji, oraz starszy, oparty o mierzenie poziomu wzajemnego sprzężenia genów. Jak porównać ze sobą oba przedstawienia? Można to zrobić za pomocą wykresu jak poniższy, przedstawiający jeden z chromosomów gruszy pospolitej [4]:

Tego typu wykresy nazywa się zazwyczaj mapami Marey’go (Marey maps). Na osi poziomej mamy odległość fizyczną, czyli liczbę par zasad w sekwencji, a na osi pionowej mamy odległość genetyczną, opisującą prawdopodobieństwo rekombinacji. Każdy punkt to pozycja na chromosomie; można by je połączyć w linię, ale dziś się tego z reguły nie robi – punktów jest dość, by przebieg wykresu był czytelny. Tam, gdzie punkty układają się niemal poziomo, odległości genetyczne są bardzo niskie. Niemal nie zachodzi tam rekombinacja, czyli geny leżące blisko siebie na takim odcinku bardzo trudno będzie rozdzielić. W miejscach, gdzie wykres „rośnie”, dystans genetyczny jest większy, czyli łatwo zachodzi tam rekombinacja; tym łatwiej im szybszy ten wzrost.

Odejdźmy jednak od szczegółów technicznych i zajmijmy czymś bardziej powierzchownym. Kim był Marey, na którego część nazwano wykresy? Jakimś słynnym genetykiem? Otóż nie, Francuz Étienne-Jules Marey, bo to o niego chodzi, był wprawdzie naukowcem i człowiekiem wielu talentów, aktywnym badawczo w podobnym okresie, co Gregor Mendel, ale zajmował się przede wszystkim fotografią i fizjologią. Szczególnie interesował go ruch. Z genetyką nie miał nic wspólnego. Opublikował za to w roku 1878 dzieło traktujące o metodach wizualizacji danych („La méthode graphique dans les sciences expérimentales”), w którym omawiał między innymi poniższy diagram, przedstawiający rozkład jazdy pociągów między Paryżem a Lyonem:

Na osi pionowej zaznaczone są stacje, a na poziomej godziny. Każda linia reprezentuje jeden z pociągów. Gdy jest ona ukośna, pociąg jest w ruchu, a im szybciej się porusza, tym linia jest bardziej „stroma”. Kiedy linia jest pozioma, pociąg stoi na stacji. Opracowanie tej metody wizualizacji ruchu kolejowego Marey przypisuje człowiekowi nazwiskiem Ibry. W roku 1983, nieco ponad sto lat po ukazaniu się dzieła Marey’go, amerykański politolog i statystyk Edward Tufte wydał własną książkę, również traktującą o wizualizacji informacji („The Visual Display of Quantitative Information”). Powołuje się tam parokrotnie na Marey’go, opisując również wspomniany rozkład jazdy, który zresztą pojawił się na okładce.

Książka Tufte’a odniosła wielki sukces i ukazała się w samą porę, by zainspirować genetyka Aravindę Chakravartiego, zajmującego się genomem człowieka. W roku 1991, czyli na wczesnym etapie międzynarodowego projektu poznania ludzkiego genomu, zaproponował on zastosowanie diagramów wzorowanych na tym kolejowym, w celu zestawiania ze sobą map genetycznych z nowo poznawanymi pozycjami fizycznymi w sekwencjach chromosomów [5]. Sądzę, że podobieństwo w kształcie wykresów jest dość łatwo widoczne, choć koncepcyjnie nieco trudniej to uzasadnić jakąś analogią; Chakravarti nie tłumaczy się szczególnie z wciągania kolejnictwa w ludzką genomikę. Pozostaje też dla mnie zagadką, dlaczego tak Tufte, jak i Chakravarti woleli wiązać z tymi diagramami nazwisko Marey’go; wszak obaj panowie powtarzają za nim, że opracował je Ibry. W każdym razie tak metoda, jak i nazwa przyjęły się w środowisku badawczym zajmującym się genomami.

Oto więc, po długiej i krętej drodze, istota żartu z tytułu: doktorant projektuje swoiste itinerarium, stosując w tym celu analogię do szukania najkrótszej trasy dla wędrownego handlarza, a wszystko po to, by móc umieścić je w kolejowym rozkładzie jazdy i wskazać, o której godzinie przejeżdżać będą pociągi odpowiedzialne za bujność korzeni pomidora. Prawda, że taki opis działa na wyobraźnię?

 

[1] Spolszczam tak roboczo sformułowanie „root vigor”, które funkcjonuje wśród anglojęzycznych hodowców, ale jest dość luźno definiowane. Nie jestem pewny, jaki odpowiednik funkcjonuje wśród polskich hodowców.

[2] Pisałem o tym, jak powstają takie cuda w tekście „O wrzucaniu książek do niszczarki”.

[3] Sturtevant, A. H. (1913). The linear arrangement of six sex‐linked factors in Drosophila, as shown by their mode of association. w Journal of Experimental Zoology (T. 14, Issue 1, s. 43–59).

[4] Rycina pochodzi z: Linsmith, G. et al. (2019). Pseudo-chromosome–length genome assembly of a double haploid “Bartlett” pear (Pyrus communis L.). W GigaScience (T. 8, Issue 12). Wybrałem gruszę, bo to drzewo owocowe, co pasuje do tekstu. Poza tym widać u niej, podobnie jak u człowieka, ten charakterystyczny „schodkowy” (tudzież „stacjowy”) kształt wykresu, co niekoniecznie jest widoczne u innych gatunków.

[5] Chakravarti, A. (1991). A graphical representation of genetic and physical maps: The Marey map. W Genomics (T. 11, Issue 1, s. 219–222).

---

tagi: pomidor  genomika  gregor mendel 

	tomasz-kurowski
	12 sierpnia 2024 06:00

22     1042    12 zaloguj sie by polubić