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Tiergen in Pflanzen


Normalerweise werden nur Mikroben, insbesondere Bakterien, verwendet, um Gene anderer Spezies für verschiedene Funktionen zu exprimieren. Es ist jedoch möglich, zu versuchen, ein tierisches Gen in einer Pflanze zu exprimieren. Bakterien wie Bacillus thuringiensis wird in vielen Pflanzen wie Baumwolle verwendet, um sie zu BT-Baumwolle mit insektiziden Eigenschaften zu modifizieren. Kann man ein tierisches Gen verwenden, um diese Eigenschaften in die Pflanze zu bekommen?


Vor einigen Jahren führten Pflanzenwissenschaftler ein Protein (Afa3) in Tomaten aus Winterflunder ein, einer Fischart, die Gefrierbedingungen überlebt. Die Idee war, eine frostbeständige Tomate herzustellen, aber ich glaube, sie hatten nicht viel Erfolg. Anti-GMO-Aktivisten hatten jedoch einen großen Tag mit unbegründeten Behauptungen, Tomaten würden nach Fisch und anderem Unsinn riechen.


Ein Beispiel, das mir bekannt ist, wo ein tierisches Transgen in eine Pflanze eingebracht wurde, war die Herstellung des ZMapp, eines chimären, monoklonalen Antikörpers gegen das Ebola-Virus.

Dies ist ein Wikipedia-Artikel über ZMapp, der Ihnen eine Vorstellung von dem Prozess gibt.

Abgesehen davon bin ich mit Pflanzentransgenen nicht allzu vertraut, abgesehen von Round Up-Resistenzgenen, die von Bodenbakterien transfiziert wurden, die eine Resistenz gegen die aktive Chemikalie in Round Up entwickelt haben.

Hoffentlich können Ihnen andere Antworten mehr Details liefern, aber dies sind die beiden Beispiele, die ich aus dem Kopf kenne.


Ein evolutionärer Fall für funktionelle Genkörper-Methylierung bei Pflanzen und Tieren

Methylierung im Körper aktiver Gene ist bei Tieren und Gefäßpflanzen üblich. Evolutionäre Muster weisen auf homöostatische Funktionen für diese Art der Methylierung hin.

Cytosin-Methylierung ist eine kovalente Modifikation der DNA, die von Pflanzen, Tieren und anderen Eukaryoten geteilt wird [1]. Die am häufigsten methylierten Sequenzen in Pflanzengenomen sind symmetrische CG-Dinukleotide, und diese Methylierung wird über die Zellteilungen hinweg durch die MET1-Familie von Methyltransferasen aufrechterhalten. Pflanzen weisen auch eine reichliche Methylierung von Cytosinen in anderen (Nicht-CG) Sequenzkontexten auf, die durch die Chromomethylasen (CMT2 und CMT3) und durch die DRM-Enzyme katalysiert wird, die von kleinen RNA-Molekülen über die RNA-gerichtete DNA-Methylierung (RdDM) gesteuert werden. Weg [2, 3].

Die Methylierung ist in allen Kontexten innerhalb transponierbarer Elemente lokalisiert, die in Landpflanzengenomen fast ubiquitär methyliert sind [1,2,3]. Die Methylierung verhindert die Transposon-Expression und -Transposition und ist daher für die Integrität des Pflanzengenoms und die Transkriptionshomöostase essentiell [2, 3]. Die DNA-Methylierung von Transposons, die nahe an oder innerhalb von Genen liegen, kann die Genexpression beeinflussen und in den meisten Fällen zum Schweigen führen [2, 4]. Die Modulation dieser Art der Methylierung kann Gene während der Entwicklung regulieren. Zum Beispiel aktiviert die selektive Entfernung der Methylierung in spezialisierten Geschlechtszellen einige Gene und bringt andere zum Schweigen, ein Prozess, der für eine erfolgreiche Reproduktion unerlässlich ist [4].


Die Reaktion der Pflanzen auf Regen ist laut Studie nahe an Panik

Wenn Wasser auf eine Pflanze trifft, werden komplexe chemische Signale ausgelöst, um sie auf die Gefahren von Regen vorzubereiten, so eine neue Studie, die in der veröffentlicht wurde Proceedings of the National Academy of Sciences.

Van Mörkercke et al machte die überraschende Entdeckung, dass die Reaktion einer Pflanze auf Regen einer Panik nahe kommt. Bildnachweis: Anthony, Inspirierte Bilder.

Im Gegensatz zum Menschen können Pflanzen keinen Schmerz empfinden. Allerdings trägt die sogenannte mechanische Stimulation — Regen, Wind und physische Einwirkung von Mensch und Tier — dazu bei, das Abwehrsystem einer Pflanze auf biochemischer Ebene zu aktivieren. Dies wiederum löst ein Stresshormon aus, das unter anderem zur Stärkung des Immunsystems einer Pflanze führen kann.

"Warum Pflanzen bei Regen in Panik geraten müssen, so seltsam es klingt, Regen ist tatsächlich die Hauptursache für die Ausbreitung von Krankheiten zwischen Pflanzen", sagte Professor Harvey Millar von der University of Western Australia, Co-Autor der Studie.

„Wenn ein Regentropfen über ein Blatt spritzt, prallen winzige Wassertröpfchen in alle Richtungen ab. Diese Tröpfchen können Bakterien, Viren oder Pilzsporen enthalten.“

„Die kranken Blätter können als Katapult wirken und wiederum kleinere Tröpfchen mit Krankheitserregern auf Pflanzen in mehreren Metern Entfernung verteilen. Es ist möglich, dass sich die gesunden Pflanzen in der Nähe schützen wollen“, fügte Studienleiter Dr. Olivier Van Aken, Biologe an der Universität Lund, hinzu.

In Laborexperimenten verwendeten Dr. Van Aken, Professor Millar und ihre Kollegen eine gewöhnliche Pflanzensprühflasche auf einem weichen Spray.

Arabidopsis thaliana Pflanzen wurden einmal aus einer Entfernung von 15 cm geduscht, woraufhin die Forscher eine Kettenreaktion in der Pflanze bemerkten, die durch ein Protein namens Myc2 verursacht wurde.

„Wenn Myc2 aktiviert wird, treten Tausende von Genen in Aktion und bereiten die Abwehrkräfte der Pflanze vor“, erklärte Professor Millar.

„Diese Warnsignale wandern von Blatt zu Blatt und lösen eine Reihe von Schutzeffekten aus.“

„Unsere Ergebnisse zeigen, dass Pflanzen sehr empfindlich sind und keinen starken Regen brauchen, um auf biochemischer Ebene betroffen und alarmiert zu werden“, sagte Dr. Van Aken.

Die Ergebnisse deuten auch darauf hin, dass bei Regen die gleichen Signale, die sich über die Blätter ausbreiten, über die Luft an nahe gelegene Pflanzen übertragen werden.

"Eine der produzierten Chemikalien ist ein Hormon namens Jasmonsäure, das verwendet wird, um Signale zwischen Pflanzen zu senden", sagte Professor Millar.

„Wenn die Abwehrmechanismen der Nachbarn einer Pflanze aktiviert sind, ist es weniger wahrscheinlich, dass sie Krankheiten verbreiten.

„Wenn eine Gefahr auftritt, können Pflanzen nicht aus dem Weg gehen und verlassen sich stattdessen auf komplexe Signalsysteme, um sich selbst zu schützen.“

„Es war klar, dass Pflanzen eine faszinierende Beziehung zu Wasser haben, wobei Regen ein Hauptüberträger von Krankheiten ist, aber auch für das Überleben einer Pflanze von entscheidender Bedeutung“, schloss Professor Millar.

Alex Van Mörkercke et al. Ein MYC2/MYC3/MYC4-abhängiges Transkriptionsfaktornetzwerk reguliert die auf Wassersprühstrahl reagierende Genexpression und die Jasmonatspiegel. PNAS, online veröffentlicht am 29. Oktober 2019 doi: 10.1073/pnas.1911758116


Überblick

Dieses Thema wurde in der BITN-Klasse, Herbst 2003, diskutiert. Dieser Übersichtsabschnitt fasst die Präsentation der Klasse zusammen. Die Original-Webmaterialien wurden als Ergänzung zu dieser Unterrichtspräsentation konzipiert.

Genetische Veränderung. Wir werden einige allgemeine Hintergrundinformationen zu Mutationen und Rekombination diskutieren. Dies wird zu Arbeiten an gentechnisch veränderten Pflanzen und Tieren führen – und zur Gentherapie für den Menschen.

Wir fingen an, über Genveränderung zu sprechen. Wir begannen mit den natürlichen Prozessen der Mutation und Rekombination. Ersteres erzeugt neue genetische Informationen und letzteres ordnet vorhandene Informationen neu an. Ein generisches Verfahren zur Genmodifikation beinhaltet das Erhalten (Finden oder Herstellen) eines neuen Gens, das Einbringen in die gewünschte Zelle und das Einbringen seiner Funktion. Alle diese Schritte haben viele Variationen, abhängig sowohl vom spezifischen Ziel als auch vom zu verändernden Organismus. Ich zeigte Beispiele mit Bakterien, Tabak und Mäusen. Ich zeigte Objektträger, die den Abbildungen 7-4, 8-36 und 8-38 von Lodish et al., Molecular Cell Biology (4. Auflage, 2000) entsprechen. Ein Link zu einer sehr schönen Animation eines Teils des Rekombinationsprozesses ist unten unter Neue Links.

Wir haben die Gentherapiestudie für X-SCID ausführlich besprochen. Wir diskutierten kurz die Natur der Krankheit und dann den allgemeinen Ansatz der gentherapeutischen Behandlung. Das grundlegende Ergebnis ist ein sehr hoher Behandlungserfolg: Die meisten der behandelten Patienten haben ein scheinbar gutes Immunsystem entwickelt und leben nun weitgehend normal. Allerdings erkrankten zwei der Patienten an Leukämie. Die Leukämie selbst war behandelbar, daher scheint der Nutzen in diesem Fall die Nebenwirkung zu überwiegen. Es wird jetzt verstanden, dass die Leukämie darauf zurückzuführen ist, wie der Gentherapievektor integriert wurde. Wie diese Nebenwirkung vermieden werden kann, ist Gegenstand aktiver Arbeit. Eine wichtige Frage, die erst im Laufe der Zeit beantwortet werden kann, ist, ob mehr Patienten die Leukämie-Nebenwirkung entwickeln. Trotz der Nebenwirkung ist dies nach etwa zwei Jahrzehnten Arbeit der bisher beste Erfolg für die Gentherapie. Zu diesem Thema sind zwei Artikel in The Scientist zu dieser Gentherapie-Studie aufgeführt.

Wir diskutierten dann einige Fragen zu GVO-Pflanzen. Ich betone, dass das Formulieren von Fragen der entscheidende Schritt ist, hier können gute Fragen – letztendlich – beantwortet werden. Das große Problem sind "unbehagliche Gefühle", die nicht als beantwortbare Fragen formuliert werden. Ich betone auch, dass Sie meine "Voreingenommenheit" (voraussichtliche Antworten) für Dinge, die noch nicht getestet wurden, nicht akzeptieren müssen.

In der Klasse erwähnter Artikel über den Versuch, vorherzusagen, welche Pflanzenmodifikationen mehr oder weniger wahrscheinlich Umweltprobleme darstellen: J. F. Hancock, A Framework for Assessment the risk of transgenic crops. BioScience 53:512 5/03. Wenn ich dies lese, denke ich, dass es an dieser Stelle wichtiger ist, seinem allgemeinen Plan zu folgen, als ihm im Einzelnen zuzustimmen.


CRISPR-Anwendungen in Pflanzen

Sind Sie ein Leser von Lebensmitteletiketten? Wenn ja, haben Sie vielleicht bemerkt, dass einige Ihrer Lieblingssnacks die Aufschrift „teilweise mit Gentechnik hergestellt“ tragen. Dies ist sinnvoll, da das in vielen Lebensmitteln verwendete Sojalektin und Maissirup wahrscheinlich aus gentechnisch veränderten Pflanzen isoliert wird, die gegen das starke Herbizid Glyphosat resistent sind. Gene, die ursprünglich aus Bakterien isoliert wurden, wurden in Nutzpflanzen eingebaut, was Sojabohnen, Mais und anderen Nutzpflanzen Glyphosat-Toleranz verleiht. Dann folgten Bundesvorschriften, die verlangen, dass menschliche Lebensmittel, die mit diesen Pflanzen hergestellt werden, als „teilweise mit Gentechnik hergestellt“ gekennzeichnet werden.

Während es diese gentechnisch veränderten Pflanzen schon seit fast 20 Jahren gibt, haben neue Werkzeuge für Pflanzenbiologen neue Eigenschaften für Pflanzen hervorgebracht. Auf der kürzlich in San Diego abgehaltenen Plant and Animal Genomics Conference war ein Thema von großem Interesse die Anwendung des CRIPSR/Cas9-Systems auf Pflanzen.

Ein brillanter Ansatz zur Verwendung von CRISPR in Pflanzen besteht darin, die Familie von Genen zu bearbeiten, die Reis anfällig für Bakterienfäule machen. Bakterienfäule in Reis, verursacht durch Xanthomonas oryzae pv. oryzae, ist ein riesiges Problem in Asien und Afrika.

„Um die Empfindlichkeit gegenüber Bakterienfäule zu verstehen, ist es notwendig, zuerst die Biologie des Krankheitsprozesses zu verstehen“, erklärt Bing Yang, Ph.D., außerordentlicher Professor für Genetik, Entwicklung und Zellbiologie an der Iowa State University.

„Bakterien, die die Krautfäule verursachen, haben Effektorproteine ​​(genannt TALs Transkriptionsaktivator-ähnlich), die eine Familie von Genen in Reis, die als SWEET-Gene bezeichnet werden, transkriptionell aktivieren. Wir haben die Strategie verfolgt, dass durch die Mutation der Promotorregion der SWEET-Genfamilie die bakteriellen TAL-Proteine ​​nicht länger in der Lage sein würden, an den Promotor zu binden. Da sie nicht an die Promotor-DNA binden können, können die bakteriellen TAL-Proteine ​​die Expression der SWEET-Gene nicht induzieren. Daher konnten TAL-Proteine ​​beim Reis keine Krankheitsanfälligkeit mehr hervorrufen“, erklärt Dr. Yang.

„CRISPR-Experimente können so gestaltet werden, dass sie keinen Fingerabdruck oder exogene DNA in den Pflanzen hinterlassen. Aus regulatorischer Sicht sollte das USDA Reispflanzen mit kleinen Deletionen oder Mutationen in ihren Genomen als sicher für Feldtests akzeptieren“, schließt Dr. Yang.

Mit einem ähnlichen Ansatz wurden auch krankheitsresistente Zitrusbäume entwickelt. In Florida steht die Zitrusindustrie vor Krankheitsherausforderungen durch Zitruskrebs und Citrus Greening Disease, die durch zwei Bakterien verursacht werden, Xanthomonas citri und Candidatus Liberibacter asiaticus, bzw.

“Zitruskrebs ist ebenfalls ein großes Problem”, behauptet Nian Wang, Ph.D., außerordentlicher Professor, Abteilung für Mikrobiologie und Zellwissenschaften, Citrus Research and Education Center, Institute of Food and Agricultural Sciences, University of Florida. “Ein spezifisches Effektorprotein der infizierenden Bakterien bindet an die Promotorregion des Krebsanfälligkeitsgens CsLOB1, um Krankheitssymptome auszulösen. Durch den Einsatz von CRISPR-Techniken können wir die Promotorregion oder die kodierende Region des Citrus-Empfindlichkeitsgens gezielt verändern, um es so zu mutieren, dass die Bindung bakterieller Transducer verhindert wird.”

Das CRISPR/Cas9-System kann so angewendet werden, dass keine exogene DNA in den Zitrusfrüchten zurückbleibt, was für die USDA-Zulassung sehr vorteilhaft ist.

“Mit der gleichen Strategie für die Citrus-Greening-Krankheit haben wir mit der Forschung begonnen, um die wichtigsten Virulenzfaktoren und ihre Ziele zu identifizieren,” fährt Dr. Wang fort. “Wir mutieren die mutmaßlichen Ziele mit der CRISPR-Technologie. Wir hoffen, Zitrusbäume zu erzeugen, die gegen die Zitrusgrünkrankheit resistent sind.”

Ein weiterer Vortrag auf der Konferenz war über Gene Editing in Getreide von Ming Luo, Ph.D., von der Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization (CSIRO) in Canberra, Australien. Weizenrost ist ein riesiges Problem bei weltweit ausbleibenden Weizenernten. Eine Lösung für das Problem zu finden, wäre ein Meilenstein bei der Bekämpfung des Welthungers.

„Eine Pilotstudie zur Wirksamkeit von CRISPR bei Reis war mit einem Knockout von zwei eng verbundenen Genen erfolgreich. Im Gegensatz dazu führte das homologe CRISPR-Experiment in Weizen zu keinen Mutationen“, erklärt Dr. Luo. „Im Gegensatz dazu hat der Einsatz von TALEN in Weizen zu Ergebnissen geführt.

„Während CRISPR bei Reis und Gerste funktioniert, hat die CRISPR-Bearbeitung bei Weizen in unseren Händen nicht funktioniert. Wir kommen zu dem Schluss, dass der Einsatz von TALENs als Gen-Editing-Tool bei Weizen effizienter ist als CRISPR.“

Ein Nachteil des CRISPR/Cas9-Systems in Pflanzen betrifft Off-Target-Effekte. Um diese Effekte in Pflanzen zu beurteilen, ist die Sequenzierung des gesamten Genoms der aktuelle Goldstandard.

„Neuere Arbeiten im Modellorganismus Arabidopsis, zeigt, dass das CRISPR/Cas9-System korrekt auf die gewünschten Loci in Pflanzengenomen abzielt“, sagt Cara Soyars, Doktorandin der University of North Carolina. „Dieser Befund steht im Gegensatz zu den Off-Target-CRISPR-Effekten bei Tieren, bei denen Off-Target-Effekte ein ernstes Problem darstellen. Extrapoliert man dies auf andere Pflanzengattungen, postulieren wir, dass Modifikationen am Cas9-Protein zur Erhöhung der Spezifität der Bindungsstelle in Pflanzen nicht notwendig sind.“

„Pflanzengenome haben viele redundante Gene. Um einen bestimmten interessierenden Signalweg effektiv auszuschalten, müssen daher viele Gene ausgeschaltet werden“, fährt Soyars fort. „Unser Labor, das Zachary-Nimchuk-Labor, hat ein System entwickelt, das es ermöglicht, ganze Familien von Genen in einem Experiment zu untersuchen. Obwohl davon ausgegangen wird, dass das System das Risiko von Off-Target-Effekten erhöht, haben wir mit der Sequenzierung des gesamten Genoms gezeigt, dass es nur sehr wenige oder keine Off-Target-Effekte gibt Arabidopsis.

„Eine unserer Studien erforderte das gleichzeitige Targeting von 14 genomischen Loci. Mit dem Multiplex-CRISPR/Cas9-System hatten wir eine Erfolgsquote von 33–92 %. Die Sequenzierung des gesamten Genoms zeigte auch, dass chromosomale Translokationsereignisse nach Genommanipulation in extrem selten sind Arabidopsis über CRISPR/Cas9.

„Wir wissen wirklich nicht, warum es bei Pflanzen im Vergleich zu Tieren so weniger Off-Target-Effekte gibt“, stellt Soyars klar. „Spekulativ verwenden Pflanzen nichthomologe Rekombination, während Tiere homologe Rekombination verwenden, wenn sie doppelte DNA-Brüche verbinden. Vielleicht erklären Unterschiede in diesen Reparaturmechanismen den Unterschied in den Off-Target-Effekten?“

Ein Vorteil des CRISPR/Cas9-Systems ist die Anwendbarkeit auf eine Vielzahl von Organismen. Die Bearbeitung zu Forschungszwecken erfordert nicht die gleiche Strenge wie bei therapeutischen Anwendungen. Alle Pflanzen oder Tiere, die einer Genom-Editierung unterzogen werden, müssen jedoch sorgfältig überprüft werden.

Die Aufsichtsbehörde dafür ist der Animal and Plant Health Inspection Service (APHIS), der Teil des USDA ist. APHIS hat eine Richtlinie zur Kommentierung veröffentlicht, die einen Weg nach vorne vorschlägt. Im Moment scheinen sehr kleine Änderungen [wie die Insertion einzelner Basen oder Deletionen (2–10 Basenpaare entfernt)] für APHIS nicht von großem Interesse zu sein.

„Die Fähigkeit, diese winzigen Veränderungen an einer ganz bestimmten Stelle im Genom vorzunehmen, ist das Ergebnis des Einsatzes der CRISPR/Cas9-Technologie in Pflanzen“, bestätigt Jeff Wolt, Ph.D., Professor für Agronomie an der Iowa State University. „In der Vergangenheit umfassten genetische Ergänzungen bei Pflanzen entweder exogene Gene oder sogar einen Teil der Maschinerie, um die Modifikationen einzubauen.

"DR. Bing durchmusterte Pflanzen, um das bearbeitete Gen von Interesse auszuwählen, während es gegen die Einbeziehung der CRISPR-Maschinerie selektierte. Dr. Bing hat dies mit vielen Sequenzierungen bestätigt. Sein Anfrageschreiben an APHIS stellte die Frage: Werden diese Reispflanzen einer Regulierung unterliegen? APHIS antwortete, dass das Material ohne behördliche Aufsicht verwendet werden kann.

„Pflanzenforscher gehen vorsichtig vor, da die all die wunderbaren Technologien aus früheren Methoden der transgenen Manipulation aufgrund des öffentlichen Push-Backs nicht vollständig realisiert wurden. Wir müssen sicherstellen, dass unser Handeln gut kommuniziert und transparent ist“, erläutert Dr. Wolt.

„Die Pflanzenwissenschaften sind aus mehreren Gründen bei der Einführung neuer Technologien für die Genom-Editierung zurückgeblieben“, fährt er fort. „Erstens ist die Finanzierung für Pflanzenforscher im Allgemeinen niedriger als für Tierstudien. Zweitens müssen die Techniken zur Veränderung des Genoms durch die Zellwände von Pflanzen in Tieren gehen, insbesondere Zelllinien. Es ist viel einfacher, die Komponenten von CRISPR/Cas9 in die Zellen zu bringen.“

„Ein weiterer Grund, warum viele der spannenden Anwendungen von CRISPR in Pflanzen nicht so oft diskutiert werden wie medizinische Anwendungen“, erklärt Mark Behlke, MD, Ph.D., CSO von Integrated DNA Technologies, „ist die Entwicklung landwirtschaftlicher Anwendungen durch die Industrie“ ist vertraulich und wird nicht schnell oder gar nicht veröffentlicht. Außerdem kann die Arbeit mit Nutzpflanzengenomen komplexer sein als mit Säugerzellen, da diese Arten oft polyploid sind, was die Manipulation ihrer Genome komplizierter macht. Darüber hinaus haben Pflanzengenome oft einen großen sich wiederholenden Inhalt.

„Andererseits“, fährt Dr. Behlke fort, „haben Fortschritte in der CRISPR/Cas9-Technologie die Genommanipulation für nahezu jedes Forschungslabor der Welt zugänglich gemacht. Eine besonders vielversprechende Methode ist der Einsatz eines DNA-freien Systems, um Genome Engineering in Pflanzen durchzuführen. Bei dieser Art von System wird der RNA-Leitfaden an rekombinantes Cas9-Protein gebunden und direkt als Ribonukleoprotein (RNP)-Komplex in die Zellen eingebracht, ohne Verwendung von Plasmiden oder anderen DNA-basierten Expressionskassetten.

„Eine Abgabemethode, Gold-Nanopartikel mit Plasmiden zu beschichten und in ganze Tiere zu schießen, hat sich bei Rinderimpfungen („Biolistik“) bewährt. Dieser Ansatz wird bereits auf Pflanzen angewendet, um die Cas9-RNP-Komplexe durch ihre zähen Zellwände in die Zellen zu bringen“, so Dr. Behlke abschließend.


RNA-Bearbeitung

Jean-Claude Farré, . Alejandro Araya, in Methoden der Enzymologie, 2007

1.2 In vitro und im organello Ansätze zur Untersuchung mitochondrialer RNA-Editierung

Der mitochondriale RNA-Editing-Prozess ist aufgrund des Fehlens geeigneter experimenteller Ansätze wenig verstanden. Die meisten aktuellen Studien zur mitochondrialen Genexpression in Pflanzenmitochondrien basierten entweder auf der Analyse gefundener Zwischenmoleküle in vivo oder auf mühsam in vitro nähert sich. Nichtsdestotrotz wurden viele interessante Erkenntnisse durch die Verwendung von in vitro Ansätze zur Promotorfunktion, RNA-Processing ( Binder et al., 1995 Hanic-Joyce und Gray, 1991 Lupold et al., 1999 Mulligan et al., 1991 Rapp und Stern, 1992 Rapp et al., 1993) und der RNA-Editing-Mechanismus (Araya et al., 1992 Blanc et al., 1995 Yu und Schuster, 1995).

Im Gegensatz zu Chloroplasten ist die Integration exogener Gene in das mitochondriale Genom wahrscheinlich aus mehreren Gründen nicht gelungen: die Schwierigkeit, eine ortsspezifische Integration von Fremdgenen zu generieren, das Fehlen geeigneter Selektionsmarker und die Tatsache, dass die mitochondriale Funktion für Pflanzen essentiell ist Überleben der Zellen. In Ermangelung zuverlässiger Methoden zur Transformation von Pflanzenmitochondrien wurden zwei Ansätze zur Untersuchung der RNA-Editierung entwickelt: an in vitro RNA-Editiersystem aus Erbsensprossen und aus Blumenkohlblütenständen ( Neuwirt et al., 2005 Takenaka und Brennicke, 2003 ), ausführlich beschrieben in Kapitel 20 (dieser Band) und an im organello RNA-Editing-System (Elektrotransformation) aus Weizenembryonen (Farre und Araya, 2001), Kartoffelknollen (Choury et al., 2005 ) und etiolierte Sämlinge von Mais und Sorghum ( Staudinger und Kempken, 2003 ), die in diesem Kapitel beschrieben werden.

Die Elektrotransformation besteht aus dem vorübergehenden Einbau von DNA in gereinigte Organellen, der durch Elektroporation vermittelt wird. Dieses Verfahren hat mehrere Vorteile: (1) die Möglichkeit, einen ortsgerichteten Mutagenese-Ansatz zu verwenden, um das/die Erkennungssignal(e), die an Genexpressionsprozessen beteiligt sind, herauszutrennen, (2) die Möglichkeit, gleichzeitig einen Satz mutierter Gene mit einem einzigen Herstellung von gereinigten Mitochondrien und (3) im Gegensatz zu in vitro Redaktionssystem, im organello Ansatz ermöglicht den Zugang zu mehreren molekularen Ereignissen des Genexpressionsprozesses, wie zum Beispiel transkriptionelle und posttranskriptionelle Mechanismen.

Mehrere Assays zur Transformation isolierter Organellen wurden beschrieben. Colombet et al. (1997) berichteten über die Einführung von Plasmid-DNA in isolierte Mitochondrien von Mäusen durch Elektroporation. Durch Verwendung eines analogen Verfahrens, To et al. (1996) untersuchten die Expression von Reportergenen in isolierten Chloroplasten. Schließlich optimierten Farre und Araya (2001) dieses Verfahren unter Verwendung von Weizenmitochondrien, um ein detailliertes Bild der molekularen und biochemischen Mechanismen zu erhalten, die während der Transkription, des Spleißens und der RNA-Editierung auftreten. Ein wichtiges Ergebnis dieser Arbeit war, dass ein Transgen effizient transkribiert werden konnte, wenn es durch Elektroporation in Mitochondrien eingebaut wurde, und dass die Transkripte originalgetreu verarbeitet und editiert wurden.


In einer Tierzelle

Kern

  • Die größte Organelle innerhalb der Zelle.
  • Es ist von zwei Membranen in einer Hülle eingeschlossen.
  • Der Kern enthält Chromatin, die verlängerte Form, die die Chromosomen während der Interphase einnehmen, sowie einen Nukleolus.
  • Fungiert als Kontrollzentrum der Zelle.

Endoplasmatisches Retikulum (ER)

  • Ein System aus abgeflachten Membranen, genannt Zisternen (Hauptsache: Ich habe es im Diagramm falsch geschrieben, sorry).
  • Es ist eine durchgehende Einzelmembran, die auch die nukleare Außenmembran ist.
  • Wenn Ribosomen auf seiner Oberfläche gefunden werden, wird es als raues ER bezeichnet und transportiert alle von den Ribosomen gebildeten Proteine.
Mitochondrien-Diagramm

Mitochondrien

  • Site des Krebs-Zyklus und der Elektronentransportkette in der Atmung.
  • Umgeben von zwei Membranen, die innen gefaltete Cristae bilden.
  • Enthält Ribosomen, ein zirkuläres DNA-Molekül und eine Matrix.
  • Eine Zelle kann zwischen 1 und tausend Mitochondrien enthalten.

Ribosomen

  • Sehr kleine Organellen, bestehend aus einer größeren und einer kleineren Untereinheit.
  • Ort der Proteinsynthese.
  • Ribosomen sind dafür verantwortlich, Proteine ​​aus genetischen Informationen herzustellen, die ihnen von mRNA gegeben und aus dem Zellkern entnommen werden.

Golgi Körper/Gerät

  • Ähnlich in der Struktur dem endoplasmatischen Retikulum (ER), aber kompakter und besteht aus abgeflachten Säcken.
  • Zu seinen Funktionen gehören der Transport und die Speicherung von Lipiden, die Produktion von Glykoprotein, die Bildung von Lysosomen und die Produktion von Sekretionsenzymen.

Lysosom

  • Dieser enthält Verdauungsenzyme aus dem Rest der Zelle und einer seiner Zwecke ist die Zerstörung alter Organellen.

Genetische Variation bei der Meiose

Die bei der Meiose produzierten Gameten sind genetisch nicht identisch mit der Ausgangszelle, und sie sind auch nicht miteinander identisch. Betrachten Sie als Beispiel das obige Meiose-II-Diagramm, das die Endprodukte der Meiose für eine einfache Zelle mit einer diploiden Zahl von . zeigt 2n = 4 Chromosomen. Die vier Gameten, die am Ende der Meiose II produziert werden, sind alle leicht unterschiedlich, jede mit einer einzigartigen Kombination des in der Ausgangszelle vorhandenen genetischen Materials.

Wie sich herausstellt, gibt es selbst für eine einfache Zelle mit nur vier Chromosomen viel mehr potenzielle Gametentypen als nur die vier im Diagramm gezeigten. Diese Vielfalt möglicher Gameten spiegelt zwei Faktoren wider: das Überkreuzen und die zufällige Orientierung von Homologenpaaren während der Metaphase der Meiose I.

  • Überqueren. Die Punkte, an denen sich Homologe überkreuzen und genetisches Material austauschen, werden mehr oder weniger zufällig ausgewählt und werden in jeder Zelle, die die Meiose durchläuft, unterschiedlich sein. Wenn die Meiose viele Male auftritt, wie es bei menschlichen Eierstöcken und Hoden der Fall ist, kommt es an vielen verschiedenen Stellen zu Überkreuzungen. Diese Wiederholung erzeugt eine große Vielfalt rekombinanter Chromosomen, Chromosomen, bei denen DNA-Fragmente zwischen Homologen ausgetauscht wurden.
  • Zufällige Orientierung von Homologpaaren. Die zufällige Orientierung von Homologenpaaren während der Metaphase der Meiose I ist eine weitere wichtige Quelle der Gametendiversität.

Abbildung 4. Chromosomenkonfiguration und Homologentrennung

Was genau bedeutet zufällige Ausrichtung meinst du hier? Nun, ein homologes Paar besteht aus einem Homolog von Ihrem Vater und einem von Ihrer Mutter, und Sie haben insgesamt 23 Paare von homologen Chromosomen, wobei X und Y für diesen Zweck als homolog gezählt werden. Während der Meiose I trennen sich die homologen Paare, um zwei gleiche Gruppen zu bilden, aber es ist normalerweise nicht der Fall, dass alle väterlichen-Vater-Chromosomen in eine Gruppe und alle mütterlichen-Mutter-Chromosomen in die andere Gruppe gehen.

Stattdessen wird jedes Homologenpaar effektiv eine Münze werfen, um zu entscheiden, welches Chromosom in welche Gruppe gehört. In einer Zelle mit nur zwei homologen Chromosomenpaaren, wie der rechten, ermöglicht die zufällige Metaphasenorientierung 2 2 = 4 verschiedene Arten möglicher Gameten. In einer menschlichen Zelle ermöglicht der gleiche Mechanismus 2 23 = 8.388.608 verschiedene Arten möglicher Gameten [1] . Und das ist noch nicht einmal an Crossovers gedacht!

Angesichts dieser Zahlen ist es sehr unwahrscheinlich, dass zwei Spermien oder Eizellen, die von einer Person hergestellt werden, gleich sind. Es ist sogar noch unwahrscheinlicher, dass Sie und Ihre Schwester oder Ihr Bruder genetisch identisch sind, es sei denn, Sie sind eineiige Zwillinge, dank des Befruchtungsprozesses (bei dem sich eine einzigartige Eizelle von Mama mit einem einzigartigen Sperma von Papa verbindet, wodurch eine Zygote entsteht, deren Genotyp liegt weit über 1 zu einer Billion!) [2] .

Meiose und Befruchtung erzeugen genetische Variation durch neue Kombinationen von Genvarianten (Allele). In einigen Fällen können diese neuen Kombinationen einen Organismus mehr oder weniger fit (überlebens- und fortpflanzungsfähig) machen und so den Rohstoff für die natürliche Selektion liefern. Genetische Variation ist wichtig, damit sich eine Population durch natürliche Selektion anpassen und so langfristig überleben kann.


Tiergene in Pflanzen - Biologie

Am Ende dieses Abschnitts können Sie Folgendes tun:

  • Liste die Merkmale auf, die das Königreich Animalia von anderen Königreichen unterscheiden
  • Erklären Sie die Prozesse der Tierreproduktion und Embryonalentwicklung
  • Beschreiben Sie die Rolle, die Hox-Gene bei der Entwicklung spielen

Zwei verschiedene Gruppen innerhalb der Domäne Eukaryota haben komplexe vielzellige Organismen hervorgebracht: Die Pflanzen sind innerhalb der Archaeplastida entstanden, während die Tiere (und ihre nahen Verwandten, die Pilze) innerhalb der Opisthokonta entstanden sind. Pflanzen und Tiere haben jedoch nicht nur unterschiedliche Lebensweisen, sie haben als Eukaryoten auch unterschiedliche Zellgeschichten. Die Opisthokonten teilen sich den Besitz eines einzelnen hinteren Geißels in begeißelten Zellen, z. B. Samenzellen.

Die meisten Tiere haben auch andere Merkmale, die sie von Organismen in anderen Königreichen unterscheiden. Alle Tiere benötigen eine Nahrungsquelle und sind daher heterotroph, Aufnahme anderer lebender oder toter Organismen. Diese Eigenschaft unterscheidet sie von autotroph Organismen, wie die meisten Pflanzen, die ihre eigenen Nährstoffe durch Photosynthese synthetisieren. Als Heterotrophe können Tiere Fleischfresser, Pflanzenfresser, Allesfresser oder Parasiten sein ((Abbildung)a, b). Wie bei Pflanzen haben fast alle Tiere eine komplexe Gewebestruktur mit differenzierten und spezialisierten Geweben. Die Notwendigkeit, Nahrung zu sammeln, hat die meisten Tiere zumindest in bestimmten Lebensstadien beweglich gemacht. Der typische Lebenszyklus bei Tieren ist diplontisch (wie bei Ihnen ist der diploide Zustand vielzellig, während der haploide Zustand gametisch ist, wie z. B. Spermien oder Eizellen). Dabei ist zu beachten, dass der für Landpflanzen charakteristische Generationswechsel bei Tieren typischerweise nicht vorkommt. Bei Tieren, deren Lebensgeschichte mehrere bis mehrere Körperformen umfasst (z. B. Insektenlarven oder die Medusen einiger Nesseltiere), sind alle Körperformen diploid. Tierembryonen durchlaufen eine Reihe von Entwicklungsstadien, die einen bestimmten und festen Körperplan festlegen. Der Körperplan bezieht sich auf die Morphologie eines Tieres, die durch Entwicklungssignale bestimmt wird.

Abbildung 1. Heterotrophie. Alle Tiere sind heterotroph und beziehen ihre Energie daher aus einer Vielzahl von Nahrungsquellen. Der (a) Schwarzbär ist ein Allesfresser, der sowohl Pflanzen als auch Tiere frisst. Der (b) Herzwurm Dirofilaria immitis ist ein Parasit, der Energie von seinen Wirten bezieht. Es verbringt sein Larvenstadium in Mücken und sein erwachsenes Stadium, das das Herz von Hunden und anderen Säugetieren befällt, wie hier gezeigt. (Gutschrift a: Änderung der Arbeit des USDA Forest Service Gutschrift b: Änderung der Arbeit von Clyde Robinson)

Komplexe Gewebestruktur

Viele der spezialisierten Gewebe von Tieren sind mit den Anforderungen und Gefahren bei der Suche und Verarbeitung von Lebensmitteln verbunden. Dies erklärt, warum Tiere typischerweise spezielle Strukturen entwickelt haben, die mit spezifischen Methoden der Nahrungsaufnahme und komplexen Verdauungssystemen verbunden sind, die von Hilfsorganen unterstützt werden. Sensorische Strukturen helfen Tieren, sich in ihrer Umgebung zurechtzufinden, Nahrungsquellen zu erkennen (und zu vermeiden, eine Nahrungsquelle für andere Tiere zu werden!). Die Bewegung wird durch Muskelgewebe angetrieben, das an unterstützenden Strukturen wie Knochen oder Chitin befestigt ist, und wird durch neuronale Kommunikation koordiniert. Tierzellen können auch einzigartige Strukturen für die interzelluläre Kommunikation aufweisen (wie Gap Junctions). Die Evolution von Nerven- und Muskelgewebe hat zu der einzigartigen Fähigkeit der Tiere geführt, Veränderungen in ihrer Umgebung schnell wahrzunehmen und darauf zu reagieren. Dies ermöglicht es Tieren, in Umgebungen zu überleben, in denen sie mit anderen Arten konkurrieren müssen, um ihren Nährstoffbedarf zu decken.

Die Gewebe von Tieren unterscheiden sich von denen der anderen großen mehrzelligen Eukaryoten, Pflanzen und Pilze, weil ihre Zellen keine Zellwände haben. Zellen tierischer Gewebe können jedoch in eine extrazelluläre Matrix eingebettet sein (z. B. befinden sich reife Knochenzellen in einer mineralisierten organischen Matrix, die von den Zellen sezerniert wird). Bei Wirbeltieren ist Knochengewebe eine Art Bindegewebe, das die gesamte Körperstruktur unterstützt. Die komplexen Körper und Aktivitäten von Wirbeltieren erfordern solche Stützgewebe. Epithelgewebe bedecken und schützen sowohl äußere als auch innere Körperoberflächen und können auch sekretorische Funktionen haben. Zu den Epithelgeweben gehören die Epidermis der Haut, die Auskleidung des Verdauungstrakts und der Luftröhre sowie die Zellschichten, aus denen beispielsweise die Lebergänge und Drüsen fortgeschrittener Tiere bestehen. Die verschiedenen Gewebearten bei echten Tieren sind dafür verantwortlich, spezifische Funktionen für den Organismus zu erfüllen. Diese Differenzierung und Spezialisierung von Geweben ist Teil dessen, was diese unglaubliche Tiervielfalt ermöglicht.

So wie es mehrere Möglichkeiten gibt, ein Eukaryot zu sein, gibt es mehrere Möglichkeiten, ein vielzelliges Tier zu sein. Das Tierreich ist derzeit in fünf monophyletische Kladen unterteilt: Parazoa oder Porifera (Schwämme), Placozoa (winzige parasitäre Kreaturen, die mehrzelligen Amöben ähneln), Cnidaria (Quallen und ihre Verwandten), Ctenophora (die Kammquallen) und Bilateria (alle anderen Tiere). ). Die Placozoa (“flat animal”) und Parazoa („neben dem Tier“) haben kein spezialisiertes Gewebe, das aus Keimblättern des Embryos stammt, obwohl sie spezialisierte Zellen besitzen, die fungieren funktional wie Gewebe. Die Placozoa haben nur vier Zelltypen, während die Schwämme fast zwei Dutzend haben. Die drei anderen Kladen umfassen Tiere mit spezialisierten Geweben, die aus den Keimblättern des Embryos stammen. Trotz ihrer oberflächlichen Ähnlichkeit mit Nesseltieren weisen neuere molekulare Studien darauf hin, dass die Ctenophores nur entfernt mit den Nesseltieren verwandt sind, die zusammen mit den Bilateria die Eumetazoa (“echte Tiere”) bilden. Wenn wir an Tiere denken, denken wir normalerweise an Eumetazoa, da die meisten Tiere in diese Kategorie fallen.

Link zum Lernen

Sehen Sie sich eine Präsentation des Biologen E.O. Wilson über die Bedeutung der Vielfalt.

Tierreproduktion und -entwicklung

Die meisten Tiere sind diploide Organismen, was bedeutet, dass ihre Körperzellen (somatische Zellen) diploid sind und haploide Fortpflanzungszellen (Gameten) durch Meiose produziert werden. Es gibt einige Ausnahmen: Bei Bienen, Wespen und Ameisen ist das Männchen beispielsweise haploid, weil es sich aus unbefruchteten Eiern entwickelt. Die meisten Tiere durchlaufen eine sexuelle Fortpflanzung. Einige Gruppen, wie Nesseltiere, Plattwürmer und Spulwürmer, können sich jedoch auch einer asexuellen Fortpflanzung unterziehen, bei denen die Nachkommen aus einem Teil des elterlichen Körpers stammen.

Prozesse der Tierreproduktion und embryonalen Entwicklung

Während der sexuellen Fortpflanzung verbinden sich die haploiden Gameten der männlichen und weiblichen Individuen einer Art zu einem Prozess, der als Befruchtung bezeichnet wird. Typischerweise werden sowohl männliche als auch weibliche Gameten benötigt: Die kleinen, beweglichen männlichen Spermien befruchten die typischerweise viel größere, sitzende weibliche Eizelle. Dieser Prozess erzeugt eine diploide befruchtete Eizelle, die als Zygote bezeichnet wird.

Einige Tierarten – darunter Seesterne und Seeanemonen – sind zur asexuellen Fortpflanzung fähig. Zu den häufigsten Formen der asexuellen Fortpflanzung bei stationären Wassertieren gehören Knospung und Zersplitterung, wo sich ein Teil eines Elternteils trennen und zu einem neuen Individuum heranwachsen kann. Diese Art der asexuellen Fortpflanzung bringt genetisch identische Nachkommen hervor, was aus der Perspektive der evolutionären Anpassungsfähigkeit schon wegen der potentiellen Bildung schädlicher Mutationen nachteilig erscheint.

Im Gegensatz dazu wird eine Form der uniparentalen Fortpflanzung, die bei einigen Insekten und einigen Wirbeltieren vorkommt, als Parthenogenese (oder „jungfräulicher Beginn“) bezeichnet. In diesem Fall entwickeln sich Nachkommen aus einem Gameten, jedoch ohne Befruchtung. Aufgrund der in Eiern gespeicherten Nährstoffe produzieren nur Weibchen parthenogenetische Nachkommen. Bei einigen Insekten entwickeln sich unbefruchtete Eier zu neuen männlichen Nachkommen. Diese Art der Geschlechtsbestimmung wird als Haplodiploidie bezeichnet, da Weibchen diploid sind (mit mütterlichen und väterlichen Chromosomen) und Männchen haploid sind (nur mit mütterlichen Chromosomen). Einige Wirbeltiere, z. B. einige Fische, Truthähne, Klapperschlangen und Peitschenschwanz-Eidechsen, sind ebenfalls zur Parthenogenese fähig. Bei Truthähnen und Klapperschlangen bringen parthenogenetisch reproduzierende Weibchen ebenfalls nur männliche Nachkommen hervor, jedoch nicht, weil die Männchen haploid sind. Bei Vögeln und Klapperschlangen ist das Weibchen das heterogametische (ZW) Geschlecht, so dass die einzige überlebende Nachkommenschaft der postmeiotischen Parthenogenese ZZ-Männchen sind. Bei den Whiptail-Eidechsen werden dagegen nur weibliche Nachkommen durch Parthenogenese produziert. Diese Tiere sind möglicherweise nicht mit ihren Eltern identisch, obwohl sie nur mütterliche Chromosomen haben. Bei Tieren, die nur eingeschränkten Zugang zu Paaren haben, kann die uniparentale Reproduktion jedoch die genetische Vermehrung sicherstellen.

Bei Tieren durchläuft die Zygote eine Reihe von Entwicklungsstadien, in denen primäre Keimblätter (Ektoderm, Endoderm und Mesoderm) gebildet werden und sich zu einem Embryo reorganisieren. Während dieses Prozesses beginnen sich tierische Gewebe zu spezialisieren und in Organe und Organsysteme zu organisieren, was ihre zukünftige Morphologie und Physiologie bestimmt.

Die Entwicklung der Tiere beginnt mit der Spaltung, einer Reihe von mitotischen Zellteilungen, der Zygote ((Abbildung)). Die Spaltung unterscheidet sich von der somatischen Zellteilung dadurch, dass das Ei durch aufeinanderfolgende Spaltungen in immer kleinere Zellen unterteilt wird, mit Nein tatsächliches Zellwachstum. Die Zellen, die auf diese Weise durch die Unterteilung des Materials des Eies entstehen, werden Blastomeren genannt. Drei Zellteilungen verwandeln die einzellige Zygote in eine achtzellige Struktur. Nach weiterer Zellteilung und Neuordnung bestehender Zellen entsteht eine solide Morula, gefolgt von einer hohlen Struktur, die als Blastula bezeichnet wird. The blastula is hollow only in invertebrates whose eggs have relatively small amounts of yolk. In very yolky eggs of vertebrates, the yolk remains undivided, with most cells forming an embryonic layer on the surface of the yolk (imagine a chicken embryo growing over the egg’s yolk), which serve as food for the developing embryo.

Further cell division and cellular rearrangement leads to a process called gastrulation. Gastrulation results in two important events: the formation of the primitive gut (archenteron) or digestive cavity, and the formation of the embryonic germ layers, as we have discussed above. These germ layers are programmed to develop into certain tissue types, organs, and organ systems during a process called organogenesis. Diploblastic organisms have two germ layers, endoderm and ectoderm. Endoderm forms the wall of the digestive tract, and ectoderm covers the surface of the animal. In triploblastisch animals, a third layer forms: mesoderm, which differentiates into various structures between the ectoderm and endoderm, including the lining of the body cavity.

Figur 2. Development of a simple embryo. During embryonic development, the zygote undergoes a series of mitotic cell divisions, or cleavages, that subdivide the egg into smaller and smaller blastomeres. Note that the 8-cell stage and the blastula are about the same size as the original zygote. In many invertebrates, the blastula consists of a single layer of cells around a hollow space. During a process called gastrulation, the cells from the blastula move inward on one side to form an inner cavity. This inner cavity becomes the primitive gut (archenteron) of the gastrula (“little gut”) stage. The opening into this cavity is called the blastopore, and in some invertebrates it is destined to form the mouth.

Some animals produce larval forms that are different from the adult. In insects with incomplete metamorphosis, such as grasshoppers, the young resemble wingless adults, but gradually produce larger and larger wing buds during successive molts, until finally producing functional wings and sex organs during the last molt. Other animals, such as some insects and echinoderms, undergo complete metamorphosis in which the embryo develops into one or more feeding larval stages that may differ greatly in structure and function from the adult ((Figure)). The adult body then develops from one or more regions of larval tissue. For animals with complete metamorphosis, the larva and the adult may have different diets, limiting competition for food between them. Unabhängig davon, ob eine Art eine vollständige oder unvollständige Metamorphose durchläuft, bleibt die Abfolge der Entwicklungsstadien des Embryos für die meisten Mitglieder des Tierreichs weitgehend gleich.

Figur 3. Insect metamorphosis. (a) The grasshopper undergoes incomplete metamorphosis. (b) The butterfly undergoes complete metamorphosis. (credit: S.E. Snodgrass, USDA)

Link zum Lernen

Sehen Sie sich das folgende Video an, um zu sehen, wie die menschliche Embryonalentwicklung (nach den Entwicklungsstadien Blastula und Gastrula) die Evolution widerspiegelt.

The Role of Homeobox (Hox) Genes in Animal Development

Since the early nineteenth century, scientists have observed that many animals, from the very simple to the complex, shared similar embryonic morphology and development. Surprisingly, a human embryo and a frog embryo, at a certain stage of embryonic development, look remarkably alike! For a long time, scientists did not understand why so many animal species looked similar during embryonic development but were very different as adults. They wondered what dictated the developmental direction that a fly, mouse, frog, or human embryo would take. Near the end of the twentieth century, a particular class of genes was discovered that had this very job. These genes that determine animal structure are called “homeotic genes,” and they contain DNA sequences called homeoboxes. Genes with homeoboxes encode protein transcription factors. One group of animal genes containing homeobox sequences is specifically referred to as Hox genes. This cluster of genes is responsible for determining the general body plan, such as the number of body segments of an animal, the number and placement of appendages, and animal head-tail directionality. Der erste Hox genes to be sequenced were those from the fruit fly (Drosophila melanogaster). Ein einzelnes Hox mutation in the fruit fly can result in an extra pair of wings or even legs growing from the head in place of antennae (this is because antennae and legs are embryologic homologous structures and their appearance as antennae or legs is dictated by their origination within specific body segments of the head and thorax during development). Jetzt, Hox genes are known from virtually all other animals as well.

While there are a great many genes that play roles in the morphological development of an animal, including other homeobox-containing genes, what makes Hox genes so powerful is that they serve as “master control genes” that can turn on or off large numbers of other genes. Hox genes do this by encoding transcription factors that control the expression of numerous other genes. Hox genes are homologous across the animal kingdom, that is, the genetic sequences of Hox genes and their positions on chromosomes are remarkably similar across most animals because of their presence in a common ancestor, from worms to flies, mice, and humans ((Figure)). In addition, the order of the genes reflects the anterior-posterior axis of the animal’s body. One of the contributions to increased animal body complexity is that Hox genes have undergone at least two and perhaps as many as four duplication events during animal evolution, with the additional genes allowing for more complex body types to evolve. All vertebrates have four (or more) sets of Hox genes, while invertebrates have only one set.

Kunstverbindung

Figur 4. Hox genes. Hox genes are highly conserved genes encoding transcription factors that determine the course of embryonic development in animals. In vertebrates, the genes have been duplicated into four clusters on different chromosomes: Hox-A, Hox-B, Hox-C, and Hox-D. Genes within these clusters are expressed in certain body segments at certain stages of development. Shown here is the homology between Hox genes in mice and humans. Note how Hox gene expression, as indicated with orange, pink, blue, and green shading, occurs in the same body segments in both the mouse and the human. While at least one copy of each Hox gene is present in humans and other vertebrates, some Hox genes are missing in some chromosomal sets.

If a Hox 13 gene in a mouse was replaced with a Hox 1 gene, how might this alter animal development?

Two of the five clades within the animal kingdom do nicht verfügen über Hox genes: the Ctenophora and the Porifera. In spite of the superficial similarities between the Cnidaria and the Ctenophora, the Cnidaria have a number of Hox genes, but the Ctenophora have none. Die Abwesenheit von Hox genes from the ctenophores has led to the suggestion that they might be “basal” animals, in spite of their tissue differentiation. Ironically, the Placozoa, which have only a few cell types, do have at least one Hox Gen. The presence of a Hox gene in the Placozoa, in addition to similarities in the genomic organization of the Placozoa, Cnidaria and Bilateria, has led to the inclusion of the three groups in a “Parahoxozoa” clade. However, we should note that at this time the reclassification of the Animal Kingdom is still tentative and requires much more study.

The animal might develop two heads and no tail.

Abschnittszusammenfassung

Tiere bilden ein unglaublich vielfältiges Königreich von Organismen. Obwohl die Komplexität der Tiere von einfachen Meeresschwämmen bis hin zu Menschen reicht, teilen die meisten Mitglieder des Tierreichs bestimmte Merkmale. Tiere sind eukaryotische, vielzellige, heterotrophe Organismen, die ihre Nahrung aufnehmen und sich in der Regel zu beweglichen Lebewesen mit einem festen Körperbau entwickeln. Ein wesentliches Merkmal des Tierreichs ist das Vorhandensein von differenzierten Geweben wie Nerven-, Muskel- und Bindegewebe, die auf bestimmte Funktionen spezialisiert sind. Die meisten Tiere durchlaufen sexuelle Fortpflanzung, was zu einer Reihe von embryonalen Entwicklungsstadien führt, die im gesamten Tierreich relativ ähnlich sind. Eine Klasse von Transkriptionskontrollgenen namens Hox Gene steuert die Organisation der wichtigsten Tierkörperpläne, und diese Gene sind im gesamten Tierreich stark homolog.

Kunstverbindungen

(Figure) If a Hox 13 gene in a mouse was replaced with a Hox 1 gene, how might this alter animal development?


Diskussion

An ideal barcode should possess sufficient variation among the sequences to discriminate species however, it also needs to be sufficiently conserved so that there is less variability within species than between species [37], [38]. Chenet al. (2010) compared seven candidate DNA barcodes (psbA-trnH, matK, rbcL, rpoC1, ycf5, ITS2, and ITS) from medicinal plant species and proposed that ITS2 can be potentially used as a standard DNA barcode to identify medicinal plants. The ITS2 region has also been used as a barcode to identify spider mites [41], Sycophila [16], and Fasciola [18]. In the present study, we extended this analysis across all plants and animals, and assessed the species discrimination capacity of ITS2 sequences for 50,790 plant and 12,221 animal sequences (Table S1). The success rates for identification of plants and animals were more than 97% and 74% at the genus and species level (Table 2), respectively, except for gymnosperms, which had a 67.1% success rate at the species level. In addition, the ITS2 region had a high success rate for discriminating between closely related species in plants and animals (Fig. 3, Tables 3, 4, 5, S2, and S3). The sequence length of ITS2 is short (Fig. 1), which satisfies the requirements for PCR amplification and sequencing. Finally, the secondary structures of ITS2 are conserved and can provide useful biological information for alignment [2], [4], [35] thus, it can be considered as molecular morphological characteristics for species identification.

The ITS2 sequence lengths of plants and animals were mainly distributed in the 195–510 bp range. The identification of plant and animal voucher species and other collections using DNA barcoding techniques is one of the main tasks in natural museums and research institutes. The length of the ITS2 region is sufficiently short to allow amplification of even degraded DNA. In addition, the intra-specific variations in plants and animals are lower than the inter-specific divergences. But the overlap of genetic variation without barcoding gaps significantly increases when the number of closely related species is increased [32].

Hebert et al. found that more than 98% of 13,320 congeneric species pairs, including representatives from 11 phyla, have sufficient sequence divergence to ensure easy identification [20]. However, the sequence divergence of COI for some animal species, such as cnidarians [20] and the West Palaearctic Pandasyopthalmus taxa [39], is relatively low, and even invariant. In addition, mtDNA is maternally inherited other resources of data should be considered, such as nuclear DNA, morphology, or ecology [40]. The success rate of using ITS2 for identification of animals is 91.7% at the species level based on testing of a comprehensive sample set, and the identification efficiency of ITS2 for sequences in cnidarians is more than 77%. ITS2 sequences have a relatively high divergence rate thus, it can be used as a complementary locus to CO1 for identification of animal species.

Recently, ITS2 region has been found to vary in primary sequences and secondary structures in a way that correlates highly with taxonomic classification. Several researchers have already demonstrated the potential for using ITS2 for taxonomic classification and phylogenetic reconstruction at both the genus and species levels for eukaryotes, including animals, plants, and fungi [2], [4], [8], [9], [42], [43]. The ITS2 region of nuclear DNA provides a powerful tool because of sufficient variation in primary sequences and secondary structures. Analysis of the secondary structures formed by the RNA transcript as it folds back upon itself at transcription has been less commonly conducted however, it has been proven extremely useful in aiding proper sequence alignment [1], [44]. Schultz and Wolf described the utilization of ITS2′s primary sequence and secondary structure information, together with an ITS2-specific scoring matrix and an ITS2-specific substitution model, based on tools such as 4SALE, the CBCAnalyzer, and ProfDistS [9].

Among of 50,790 ITS2 sequences of plants and 12,221 ITS2 sequences of animals,139 and 30 sequences, respectively, could be fungal sequences. Thus, the frequency is less than 0.3% in both plants and animals. This result is similar to that of Chen et al. [11]. The frequency of suspected fungal sequences in monocotyledon ITS2 sequences is twice as high as in dicotyledons, which may be due to the presence of endophytic fungi in most monocotyledon species. Although the rate of fungal contamination is very low, we should pay more attention to the data from the public database [11].

There are multiple copies of ITS (containing ITS1 and ITS2) in plants and animals. Although different copies of ITS exist, which may result in misleading phylogenetic inferences [45], there remain several advantages for its widespread use, such as the levels of variations and multicopy structure facilitating PCR amplification, even from herbarium specimens [46].

In conclusion, we believe that the ITS2 locus can be used as a barcode for authenticating plant species, as well as a complementary locus to CO1 for identifying animal species. The sequences of the universal primers and the amplification conditions for obtaining the ITS2 sequences of plants and animals can be found in Table S5, as well as in the ITS2 application web. There were limited ITS2 sequences of ferns and vertebrates in the GenBank therefore, the success rates for ITS2 to identify them need further investigation.