Seente geneetika

Seente geneetika 4. märts 2010Heidi Tamm

Tänane loeng

• Seente genoom

• Kromosoomid, karüotüübid

• Tuumad seenerakus

• Seen – kas isend või populatsioon?

• Paljunemisstrateegiad

• Geenide ülekandumise viisid

Termin “genoom”

• Winkler (1920):Haploidne kromosoomistik, mis juurdekuuluva tsütoplasmaga moodustab taksonoomilise üksuse aluse.

• Rieger et al. (1991):Elementaarne (monoploidne) kromosoomistik, mis koosneb liigiomasest arvust aheldusgruppidest ja nendes sisalduvatest geenidest.

Genoomi suurus

• E. coli 4.6 Mb• seened 2.3 - 3050 Mb

• lepatriinu 500 Mb

• inimene 3300 Mb

• kärnkonn 6800 Mb

1 pg DNA ≈ 1000 MbpGregory, 2004

750 Mb

Neottiella vivida

3050 Mb

Neottiella sp.

Polüploidsus

• Ploidsusaste 1x … 50x

• Kromosoomide arv 3 … 20

• Kromosoomide suurus 0.5–10 Mb

• CD kromosoomid suurusega 0.5–2.0 Mb. • meioosis ebapüsivad• võivad kanda funktsioneerivaid geene• tulnud genoomi HGT

kaudu

Nectria haematococca

1.6 Mb minikromosoom

Karüotüübi varieerumineKarüotüübi varieerumine

• kahelt eellaselt saadud kromosoomid ei ole alati kogu pikkuses homoloogilised.

• paaruvad kromosoomid võivad olla eri pikkusega ja anda ebavõrdseid rekombinatsioone.

• kromosoomide arv liituvates tuumades ei pea olema võrdne (aneuploidsus).

• kromosoomi pikkuse polümorfism on seentel tüüpiline.

Kottseene Leptosphaeria maculans (rapsi, kapsa parasiit) üks viljakeha annab palju erisuguse karüotüübiga järglasi: ühe viljakeha 15 eosel leiti 10 karüotüüpi

Isegi ühe seene järglaste hulgas on täheldatud erisuguseid karüotüüpe.

• Hüüfi tuum reeglina haploidne

• Monokarüootne – ühes rakus üks tuum

• Dikarüootne – ühes rakus kaks tuuma– homokarüootne – geneetiliselt identsed– heterokarüootne – geneetiliselt erinevad

Hüüfi rakus võib olla kaks genoomi (üks pärit ühelt, teine teiselt eellaselt), aga need paiknevad eraldi tuumades.

Eosest kasvavale isendile on iseloomulik hüüfi tipmine suunatud kasv.

Üks isend võikslakkamatult edasi kasvada ja levida

- olla igavene.

Tuuma genoom ja mitokondriaalne genoom (mtDNA)

on haploidsed. Hüüfi kasvades nad alluvad vahetult looduslikule valikule.

Geneetilisest aspektist moodustab

populatsiooni vabalt ristuvate ühe liigi isendite kogum.

Isend või populatsioon?

Isend on terviklik, enamasti jagamatu organism, mis on ainevahetuse poolest

keskkonnaga suhteliselt iseseisev.

Vegetatiivselt paljunevail organismidel on indiviide raske

eristada.

• Seen võib paljuneda nii suguliselt kui ka mittesuguliselt.

Suguline paljunemine Mittesuguline paljunemine Kandseened kandeosed (oiidid, klamüdospoorid) Kottseened kotteosed koniidid

klamüdospoorid pärmidel: punguvad rakud

Ikkesseened sügospoor aplanospoorid (koniidid, oiidid, klamüdospoorid)

Krohmseened --- ebasügospoorid, klamüdospoorid

Viburseened haploidsed zoospoorid diploidsed zoospoorid

mitoosmeioos

• Kromosoome ei pakita seentel tugevasti kokku, DNA moodustab mitootilisel jagunemisel ühtse homogeense massi, mis venitatakse hantlikujuliseks.

• Tuumamembraan katkeb kahe tütartuuma eemaldumisel alles viimasel hetkel - suletud mitoos

Erinevused seente ja teiste organismide mitoosis

Suletud mitoos

Tuuma jagunemine kottseene Neottiella vivida hüüfi rakus. Tütartuumade DNA on kogunemas poolustele, kuid tuumamembraan pole veel katkenud: a – fluorokroomiga DAPI värvitud tuum, fluorestsentsi intensiivsus on proportsionaalne DNA sisaldusega vastavas tuuma piirkonnas; b, c – sama tuuma analüüs – vertikaaltelg näitab fluorestsentsi intensiivsust. Värviribad markeerivad vertikaaltelje jaotusi.

Koonuste tipud tähistavad tütartuumade DNA kontsentreerumist poolustel.

Kottseene Peziza (liudik) hüüfi tuumad puhaskultuuris

C - tuuma DNA-sisaldus, mis vastab genoomi suurusele.

• Mittesugulist arengustaadiumi kottseentel nimetatakse anamorfiks ja sugulist teleomorfiks.

• Anamorfi staadium on seene leviku seisukohalt tõhusam, sest iga koniid võib anda alguse uuele isendile.

5000 mitootilist seeneliiki.

• Enamik teadaolevatest mitootilistest seentest on kottseened

• Kas nad on sugulise paljunemise võime kaotanud või pole neil seda olnudki?

Suguline paljunemine

tuumade liitumise ja meioosi korrapärane vaheldumine organismi elutsüklis.

Meioosis tekivad ja lahknevad uusi geenikombinatsioone sisaldavad tuumad.

Suguline paljunemine

• Monokarüootne hüüf peab leidma teise sama seeneliigi monokarüootse hüüfi.

• Sobivuse korral kasvavad hüüfid kokku ja moodustavad dikarüootsed hüüfid (ja uued viljakehad)

Suguline paljunemine

• Kaks haploidset tuuma liituvad spetsiaalses rakus, millest kujuneb eoskott, eoskand või sporangium.

• Kohe pärast tuumade liitumist jagunevad nad meiootiliselt.– Ei pruugi pärmide ja viburseente puhul– Ei toimu paraseksi korral

Heterokarüoosne kottseene viljakeha

Viljakeha Askogeensed hüüfid

Askogoon

Konks

Askuse emarakk

Askus

Kaks erinevat tuumapopulatsiooni

Pintselhalliku Penicillium chrysogenum genoom väga ebapüsiv, muutudes isegi laboris kasvamise ajal. Paljuneb mittesuguliselt.

Ometi võivad ta tuumad nii hüüfi eri harudes kui ka koniidides olla erisuguste genotüüpidega. Kuidas on see võimalik?

• Tegu on paraseksuaalsusega mille olemasolu on nüüdseks kindlaks tehtud juba paljudel seentel nagu näiteks

• Aspergillus nidulans, Schizophyllum commune, Verticillium albo-atrum, Saccharomyces cerevisiae jt.

• Homoloogiliste kromosoomide lähenemisel mitoosis võivad need kontakteeruda ja vallandada nii mitootilise (somaatilise) ristsiirde.

• Seda pintselhalliku liiki (P. chrysogenum) kasutatakse penitsilliini tootmiseks.

Somaatiline ristsiire laseb aretada uusi tüvesid ja võtta meditsiinis kasutusele

uusi penitsilliinipreparaate.

• Pintselhallik: hüüfi tuumade liitumisel tekkiv

geenivahetus (somaatiline ristsiire) ja tuumade taaslahknemine

(haploidiseerumine) leiavad aset sagedusega kord 200–1000 tuumajagunemise kohta.

Paraseksuaalne tsükkel

Pealtnäha kasvab vaid hüüfi tipp, viljakehasid ju ei moodustu. Tegelikult on suguline protsess siiski toimunud – „salaja“, hüüfi sees.

Meioosi I ja II jagunemine – tuumade liitumine ja haploidiseerumine hüüfi rakkudes – on ruumiliselt ja ajaliselt lahutatud.

• Somaatilise ristsiirde tagajärjed võivad ilmneda alles koniidide moodustumisel.

Tunnuste lahknemine järglastes (koniidides) ei allu sealjuures Mendeli lahknemise seadusele.

Näib, et seened „ei oska“ veel diploidsena mitootiliselt jagunedes säilitada kaht eraldi genoomi, nii nagu see on iseloomulik kõrgematele eukarüootidele.

Iga järgnev jagunemine suurendab uute rekombinatsioonide võimalikkust.

Kandseened oskavad hoiduda paraseksist.

Neil on erinevate tuumade jagunemine organiseeritud nii,

et nende homoloogilised tütarkromatiidid ei saa

omavahel kokku puutuda.

Suguliselt paljunevad kottseened moodustavad ka kaksiktuumseid hüüfe, kuid need pole nii pikaealised kui kandseentel.

Kandseened võlgnevad oma genoomi suurema stabiilsuse pandla olemasolule, mis tagab kaksiktuumade eraldatuse jagunemise ajal.

Pandla raku moodustumine: A. Dikarüoosne hüüf, nool näitab hüüfi tipu kasvu suunda.

B. Pannal kasvab taha poole, tuumad jagunevad sünkroonselt.C. Valmis pannal.

Kõik seened, kes moodustavad pandlaid, on kandseened.

Kõik kandseened ei moodusta pandlaid.

varases evolutsioonis

pandlad esinevad kõikides suuremates kandseente klaadides.

• Paraseks, võimaldades rekombinatsioone erisuguse karüotüübiga tuumade vahel, võib pidada tõelise sugulise paljunemise (meioosi ja viljastumise) eelkäijaks.

• On hüpotees, et paraseks on evolutsiooniliselt vanem meioosist – üks evolutsiooni vaheetapp mittesuguliselt sugulisele paljunemisele.

Populatsioonigeneetika seadused

ei kehti mittesuguliselt paljunevate seente puhul.

Isendi genoomi asemel on mõttekam rääkida tema

tuumagenoomidest, erinevatesttuumapopulatsioonidest.

• Seente sugulist paljunemist võib pidada paljudel juhtudel vastuseks hädaolukorrale (temperatuuri, valguse või niiskusolude ebasoodsatele muutustele).

• Meioos - alternatiiv mitootilisele jagunemisele.

Leviku tagamine ja genofondi säilitamine.

Suguline paljunemine

• Homotallism – viljastumine identse genotüübiga hüüfiga

• Heterotallism – viljastumine geneetiliselt erineva hüüfiga

Arvatakse, et seentel tähendab homotallism taandarengut: sugulise paljunemisega seotud

geenid on evolutsioonis kaotsi läinud

• Paljud liuakujulise viljakehaga kottseened on kaotanud „tõelise sugulise paljunemise“.

• Perekond Peziza on üks algelisemaid liudseente seas. Mõnd selle perekonna liiki iseloomustab homotallism, teisi heterotallism.

Evolutsioonis pole haruldane, et seen kaotab sugulise paljunemise võime:

pöördub tagasi justkui primitiivsema vormi poole.

Kaks võimalust geeniülekandeks

1. naabrilt naabrile (HGT) “horisontaalne põlvnemine”

2. eellaselt järglasele (VGT) “vertikaalselt ”

põlvkonnast põlvkonda

Geenide ülekandumise teed seentel

A. Tuumagenoomide vahel

B. mtGenoomide vahel

C. Rakusiseselt mtDNA ja tuuma DNA vahel

A.Tuumagenoomide vaheline geenivahetus:

a. meioos ristsiire homoloogiliste kromosoomide vahel – VHT Neurospora crassa.

b. mitootiline geenivahetus – HGT Penicillium chrysogenum- paraseksuaalses tsüklis.

Geneetilise informatsiooni

ülekandumiseks ühest bakterirakust teise on

3 võimalust:

1. Transformatsioon – doonori DNA molekul satub

retsipientrakku väliskeskkonnast

(vatsas: bakter – seen).

Näide: Seenel Orpinomyces joyonii tselluloosi lagundamisel tähtsat rolli omav geen (celA) on pärit

bakterilt Fibrobacter succinogenes.

See võimaldab seenel elada uues toitekeskkonnas,

herbivoorsete imetajate vatsas.

2. Transduktsioon – bakteri DNA kandub ühest

rakust teise bakteriofaagide abil

(ühe seene plasmiid – teise seene mtDNAsse).

3. Konjugatsioon eeldab rakkudevahelist kontakti.

Bakteri DNA vahetu ülekanne doonorist retsipienti

(ühe seene mtDNAst –

teise seene mtDNAsse; seene mtDNAst - taime mtDNAsse).

Seeneriigis ilmnevaid arengusuundi

HGT → VGT

mitoosilt → sügootsele meioosile

mittesuguliselt → paraseksuaalsele → sugulisele paljunemisele

mitootilistelt rekombinatsioonidelt → ristsiirdele

haploidsetelt → dikarüoosetele → diploidsetele organismidele

s.o. üksteisele homoloogsete kromosoomikomplektide areng, mis tagab VGT

• Seente genoom

• Kromosoomid, karüotüübid

• Tuumad seenerakus

• Seen – kas isend või populatsioon?

• Paljunemisstrateegiad

• Geenide ülekandumise viisid