Frontiers in Plant Science

Introduction

Seksuaalisuus on vakiintunut kaikkiin siemeniä tuottaviin kasveihin. Siemenet ovat olennainen osa diasporia, joka tehostaa kasvien leviämistä ja varastoi kaikki uuden sukupolven aloittamiseen tarvittavat ravinteet. Siksi monenlaiset hyönteiset, eläimet ja ihmiset löytävät ravintoresursseja monista kasvien siemenistä. Ihmisten yhteiskuntien kehitys on tiiviisti sidoksissa kasvilajien kesyttämiseen ja parantamiseen keinotekoisen valinnan ja geneettisen jalostuksen avulla (ks. esim. Gupta, 2004). Sekä perinteisillä että molekulaarisilla kasvinjalostustekniikoilla pyritään muokkaamaan ja hyödyntämään sukupuolisuutta uusien heterotsygoottisten siemenlajikkeiden luomiseksi, joissa on haluttuja alleelikombinaatioita, joiden avulla saadaan korkea sato, vastustuskyky erilaisia ympäristöstressitekijöitä vastaan tai ravitsemuksellisesti rikastettuja siemeniä (esim. kultainen riisi; ks. Dirks et al., 2009). Kuitenkin samat sukupuoliset mekanismit, joita manipuloidaan kasvilajikkeiden parantamiseksi (esim. meioosin muokkaaminen käänteisjalostuksen avulla), ovat samalla vastuussa heterotsygotian vähenemisestä ja onnistuneiden geeniyhdistelmien segregaatiosta (Lambing ym., 2017).

Siemenen muodostuminen käsittää useita monimutkaisia kehitysvaiheita, jotka ovat pitkälle säänneltyjä ja koordinoituja ja joita ei vieläkään ymmärretä kunnolla (Bradford ja Nonogaki, 2007). Seksuaalinen siementen kehitys käynnistyy kaksoishedelmöitymisprosessilla, johon liittyy pelkistettyjen naaras- ja uros-sukusolujen fuusioituminen ja joka johtaa alkion ja endospermin kehittymiseen (kuva 1). Hormoni auksiini on ratkaisevassa asemassa siemenrakenteiden alkukehityksen aikana ja laukaisijana hedelmöityksestä riippumattomalle siementen kehitykselle (Figueiredo ja Kohler, 2018), mikä on tila, jota esiintyy luonnostaan (apomiktiivisissä) kasveissa harvoin. Apomikit ovat kehittäneet mekanismeja, joilla kierretään sukupuolisia polkuja (kuva 1) muodostamalla toiminnallisia naaraspuolisia gametofyyttejä ilman meioosia (apomeioosi), kehittämällä alkioita ilman hedelmöittymistä (parthenogeneesi) ja muodostamalla toiminnallisen endospermin. Pelkistymättömät gametofyytit voivat kehittyä kahden pääkehitysreitin kautta: (1) kaksi pelkistymätöntä MC-solua muodostuu palautuvan meioosin tai mitoottisen jakautumisen kautta (diplosporia); (2) somaattisesta, pelkistymättömästä nucelluksen solusta kehittyy alkion pussi (aposporia). Vaikka sukusolujen fuusio on tiukka edellytys siementen kehityksen käynnistymiselle luonnossa, apomiktiset kasvit voivat tuottaa siemeniä polaaristen ytimien yksittäisen hedelmöityksen kautta (pseudogamia) tai ilman hedelmöitystä (autonomisesti) (kuva 1). Näin ollen siementen kehittyminen ilman lannoitusta on taloudellisesti erittäin tärkeä ominaisuus heteroosin hyödyntämiseksi ja ylivoimaisten alleelikombinaatioiden säilyttämiseksi (Koltunow ja Grossniklaus, 2003). Synteettistä kloonista siementuotantoa oli harjoitettu sekä Arabidopsiksella että riisillä, ja tavoitteena oli tuoda apomixiksen kaltaisia ominaisuuksia viljelykasveihin (Marimuthu et al., 2011; Mieulet et al., 2016). Vaikka viljeltyjen viljelykasvien odotetaan kuitenkin olevan geneettisesti yhdenmukaisia samalla tavalla kuin apomiktiivisten kloonikavereiden, apomiksiksen tuominen viljelypelloille saattaa kuitenkin tuoda uusia ekologisia uhkia, jotka johtuvat biologisista eduista, joita apomiktiivisilla kasveilla on seksuaalisiin kasveihin verrattuna (esim. yksipuolinen lisääntyminen, yksisuuntainen geeninsiirto; Hörandl, 2006). Apomiksigeenin karkaaminen luonnonvaraiseen sukulaiseen voi tarjota välittömiä invasiivisia ominaisuuksia vastaanottavalle yksilölle, mutta myös muita tahattomia (eli pleiotrooppisia) hyötyjä, kuten lisääntynyttä kuntoa tai patogeeniresistenssiä, joita on jo havaittu viljelykasvien ja luonnonvaraisten kasvien välisissä hybridisaatioissa (Chapman ja Burke, 2006).

Ennen kuin spekuloimme mahdollisen apomiktiivisen viljelykasvin bioturvallisuudella ja ekologialla, voimme saada vastaavaa arvokasta tietoa havainnoista luonnollisissa apomiktiivisissä kasvipopulaatioissa. Apomikteilla on erilaisia kehitysvaihtoehtoja, joilla ohitetaan seksuaaliset reitit ja tuotetaan kloonisia siemeniä (kuva 1). Yksittäisissä munasoluissa apomiktit saattavat käyttää sekä seksuaalista että apomiktiivistä siementen kehitystä vuorotellen (vain toinen kehityskulku etenee; kuvat 1a,b) tai jopa samanaikaisesti (joko molemmat kehityskulut etenevät tai yhdistyvät muodostaen BIII:n; kuvat 1d,e). Apomixiksen dynamiikan ymmärtäminen luonnollisissa populaatioissa voi tarjota hyödyllistä tietoa siitä, miten apomiktiivinen viljelykasvi voi käyttäytyä luonnollisilla pelloilla, ja havainnollistaa mahdollisia ekologisia uhkia. Viime vuosina erilaisten teknologioiden käyttö on laajentanut ymmärrystämme apomiksiksen geneettisestä ja kehityksellisestä perustasta eri kasvilajeissa (Ozias-Akins ja van Dijk, 2007; Conner ym., 2015; Hojsgaard ja Hörandl, 2015), ja se on tuonut uutta valoa alkuvaiheisiin ja dynamiikkaan uusien apomiktiivisten populaatioiden perustamisen ja leviämisen aikana. Tässä käymme läpi tärkeimmät havainnot apomiksiksen synnystä ja dynamiikasta luonnollisissa kasvipopulaatioissa.

Säätiöittämisvaihe: apomiktiivisen yksilön syntyminen

Vuosikymmenien tutkimuksesta huolimatta on edelleen epäselvää, miten apomiksis syntyy de novo luonnollisissa populaatioissa. Voidaan ajatella kahta päävaihtoehtoa: joko siemenet leviävät apomiktiivisestä lähdepopulaatiosta, ja taimet löytävät uuden apomiktiivisen populaation, tai muutoin sukupuolisesti lisääntyvässä yksilössä tapahtuu spontaani siirtyminen apomiksikseen. Ensimmäistä tapausta on vaikea jäljittää kasveissa, koska siementen tai siitepölyn leviämistä ei voida helposti dokumentoida luonnollisissa populaatioissa. Apomiktiivisen tulokkaan vakiintumista muuten seksuaalisesti lisääntyvään populaatioon haittaavat myös vähemmistövaikutukset (ks. jäljempänä) ja heikentynyt hedelmällisyys (Hörandl ja Temsch, 2009). Ensimmäinen skenaario siirtää tietysti apomiksiksen luonnollisen alkuperän vain toiseen lähdepopulaatioon.

Apomiksiksen spontaanista de novo syntymisestä luonnollisissa populaatioissa on esitetty erilaisia hypoteeseja. Perinteisesti hybridisaatiota on pidetty pääasiallisena laukaisevana tekijänä apomixiksen syntymiselle (Ernst, 1918; Asker ja Jerling, 1992; Carman, 1997). Todisteita luonnossa esiintyvien apomiksisten taksonien hybridiperäisyydestä on saatavilla yhä useammissa molekyylitutkimuksissa (esim. Koch et al., 2003; Paun et al., 2006; Lo et al., 2010; Beck et al., 2012; Šarhanová et al., 2017). Apomixiksen syntyminen hybrideissä on vahvistettu jopa diploidisten lajien osalta. Itse asiassa lähes kaikki Boechera-suvun luontaiset diploidiset apomiksilajit ovat hybridejä (Kantama et al., 2007; Aliyu et al., 2010; Beck et al., 2012). Synteettiset diploidiset F1-hybridit Ranunculus auricomus -kompleksissa, joka koostuu diploidisista, obligatisti seksuaalisista vanhemmista lajeista, osoittivat spontaania aposporiitin syntymistä ensimmäisessä hybridisukupolvessa (Hojsgaard ym., 2014a) ja lisääntynyttä aposporiitin ja ensimmäisten funktionaalisten apomiktiivisten siementen frekvenssiä diploidisessa F2-sukupolvessa (Barke ym., 2018). Nämä tutkimukset valaisevat myös avointa kysymystä siitä, miksi vain harvat kasvihybridiyhdistelmät ilmentäisivät spontaania apomiksaatiota: hybridisaatio näyttää vaikuttavan vain yhteen apomiksaation osatekijään eli pelkistymättömän alkiopussin muodostumiseen diplosporisesta tai aposporisesta alkusolusta. Muihin apomiktiivisen siemenmuodostuksen vaiheisiin eli parthenogeneesiin ja endospermin muodostumiseen hybridisaatio ei ilmeisesti vaikuta (Barke ym., 2018).

Muut kirjoittajat keskittyivät polyploidisaatioon sen havainnon perusteella, että lähes kaikki luonnolliset apomiktiiviset kasvipopulaatiot ovat polyploideja. Polyploidia voi johtaa ”genomiseen sokkiin” ja koko genomin laajuisiin muutoksiin geeniekspressiossa (Koltunow ja Grossniklaus, 2003). Carman (1997) kehitti kattavimman teorian polyploidisaatiosta luonnollisen apomiksiksen laukaisijana: pleistoseenin aikaiset ilmastovaihtelut olisivat aiheuttaneet levinneisyysalueiden siirtymiä ja eri ekotyyppien sekundaarista kontaktihybridisaatiota; sitä seuranneet muutokset geenien ilmentymismallien ajoituksessa megasporogeneesin ja megagametogeneesin kaskadissa muuttuisivat siten, että megasporogeneesivaihe jäisi väliin, mikä johtaisi seksuaalisuuden tukahduttamiseen ja apomiksiksen ilmenemiseen. Periaatteessa näin voisi tapahtua myös autopolyploidisaation jälkeen monistuneissa geeneissä. Kehitys- ja transkriptomitutkimukset paljastivat itse asiassa merkkejä geenien ilmentymisen epäsynkroniasta apomiksiksen kehityksessä (esim. Polegri ym., 2010; Sharbel ym., 2010). Paspalum notatumissa keinotekoinen polyploidisaatio johti apomiksiksen ilmentymiseen kahdessa synteettisessä autotetraploidissa, kun taas kolmas indusoitu autopolyploidi pysyi seksuaalisena (Quarin ym., 2001). Samoin muut autopolyploidiset Paspalum-lajit, esimerkiksi P. plicatulum ja P. simplex, pysyivät seksuaalisina keinotekoisen polyploidisoinnin jälkeen (Sartor ym., 2009).

Luonnollisissa systeemeissä polyploidian vaikutukset apomixiksen toimivuuteen eivät ole vielä selvillä. Polyploidisoituneella Paspalum rufumilla on havaittu autopolyploidisaation positiivinen vaikutus apomixiksen siementen muodostumisen korkeampien frekvenssien vakiintumiseen (Delgado ym., 2014). Polyploidien apospori- tai diplosporiaspesifisten genomialueiden alleelien annosvaikutuksia apospori-/diplosporiataajuuksiin on havaittu eri mallijärjestelmissä (Ozias-Akins ja van Dijk, 2007). Annosvaikutukset voivat edelleen edistää pelkistymättömän alkionpussin muodostumisen kehitystä verrattuna meioottisesti pelkistyneisiin alkioihin (Sharbel ym., 2010; Hojsgaard ym., 2013). Noglerin (1984) klassisessa mallissa esitettiin, että aposporiaa säätelevillä tekijöillä olisi tappavia vaikutuksia haploideissa sukusoluissa, jolloin periytyminen edellyttäisi diploideja sukusoluja. Tämä hypoteesi kuitenkin hylättiin Barken ym. (2018) havainnoilla, joiden mukaan aposporia voi periytyä haploidien sukusolujen välityksellä diploidissa R. auricomus -hybrideissä.

Lisäksi jotkin mallisysteemit näyttävät ilmentävän apomiksia ilman merkkejä hybridisyydestä tai polyploidiudesta. Paspalumissa monissa diploidisissa lajeissa esiintyy pienellä frekvenssillä pelkistymättömän naaraspuolisten gametofyyttien kehittymistä (katsaus Ortiz ym., 2013), ja joillakin lajeilla näyttäisi olevan mahdollisuus apomiktiiviseen siementen muodostukseen (Siena ym., 2008; Ortiz ym., 2013; Delgado ym., 2014, 2016). Alppilajin Ranunculus kuepferi laajamittaisissa FCSS-seulonnoissa havaittiin spontaania apomiktiivista siementen muodostumista alhaisilla frekvensseillä muutoin seksuaalisissa, diploidisissa luonnonvaraisissa populaatioissa Alpeilla (Schinkel ym., 2016). Nämä diploidiset populaatiot eivät ole hybridejä, vaan ne ovat maantieteellisesti kaukana toisistaan ja eristyksissä toisistaan ja apomiktiivisistä tetraploideista; populaatiogeneettisissä tutkimuksissa ei voitu jäljittää niiden välistä ilmeistä leviämistä tai geenivirtaa (Cosendai ym., 2013). Yksityiskohtaisempi FCSS-tutkimus kumosi edelleen hypoteesin diploidien apomixiksen tarttuvasta alkuperästä tetraploidien apomiktien pölytyksen kautta, mutta ehdotti pikemminkin harvinaisten BIII-hybridien muodostumisen naaraspuolisten triploidien siltaa diploidisten kasvien tuottamien naaraspuolisten pelkistymättömien sukusolujen välityksellä (Schinkel et al., 2017; kuva 2). R. kuepferi -lajin tetraploidien joukosta ei löytynyt koko lajin levinneisyysalueelta edes yhtä ainoaa tetraploidia obligat-sukupuolista populaatiota tai yksilöä, mikä on ristiriidassa sen ajatuksen kanssa, että siirtyminen apomiksiin tapahtui polyploidisaation jälkeen. Kokeelliset tutkimukset viittasivat pikemminkin siihen, että kylmähokit ja pakkaskäsittelyt kehityksen aikana voivat lisätä apomiktiivisen ja myös BIII-siementen muodostumisen frekvenssiä diploidisessa R. kuepferi -lajissa (Klatt ym., 2018). Vaikka näiden tapahtumien frekvenssit ovat alhaisia, ne saattavat olla tehokkaita evoluution aikajaksoilla.

Mikä oikeastaan voisi laukaista vähentymättömän alkion pussin muodostumisen luonnollisissa oloissa? Aposporian ilmaantumista muuten seksuaalisesti diploidisiin kasvilajeihin on raportoitu Paspalumista (katsaus Ortiz ym., 2013) ja monista Asteraceae-suvuista, jotka eivät muuten ole olleet apomiktisia (Noyes, 2007). Aposporoottiset alkusolut toimivat meioottisten tuotteiden eli itiöiden sijaissoluina, ja ektooppinen, aposporoottisten solujen muodostuminen riippuu meioottisen tetradin tuottamisesta Hieraciumissa (Koltunow ym., 2011). Näin ei välttämättä ole muissa apomiktisissa järjestelmissä, kuten Paspalumissa, jossa MMC käynnistää usein abortin ennen meioottiseen jakautumiseen siirtymistä (esim. Hojsgaard ym., 2008). Solujen välinen kommunikaatio ja/tai suora kontakti syntyvän aposporoottisen alkusolun ja MC:n välillä näyttää tapahtuvan ennen kuin edellinen tukahduttaa jälkimmäisen kehityksen (Schmidt ym., 2014, 2015; Juranic ym., 2018). Myös restitutionaalinen naaraspuolinen meioosi, prosessi, joka johtaa diplosporoosiin, on suhteellisen yleinen kasveissa. Taraxacumissa, mallissa, jossa on ensimmäisen jakautumisen restituutio, DIPLOSPORY (DIP) -lokus voitiin karakterisoida ja se sijaitsi yhdellä NOR-kromosomilla (Vijverberg ym., 2010; Vasut ym., 2014). Restitutionaalinen meioosi voi kuitenkin käynnistyä myös äärimmäisten lämpötilojen ja muiden ympäristötekijöiden vaikutuksesta (De Storme ja Geelen, 2013; Mirzaghaderi ja Hörandl, 2016). Naaraan kehityksessä pelkistymättömien MC:iden on vain kehityttävä pelkistymättömiksi alkiopusseiksi tuottamaan pelkistymättömiä naaraspuolisia sukusoluja. Tämä redusoimattomien sukusolujen muodostumisen kyky sopii Carmanin (1997); Hojsgaard ym. (2014b) käsittelemään hypoteesiin: että kaikilla angiospermaattisilla kasveilla voi olla luontainen potentiaali siirtyä apomiksikseen.

Sukupuolisten ja apomiktisten kasvien vertailevat transkriptomitutkimukset osoittivat, että monet stressiin liittyvät geenit ovat eri tavoin säädeltyjä premeioottisesta gametofyyttiseen vaiheeseen siirtymiseksi (Sharbel et al., 2010; Schmidt et al., 2014, 2015; Shah et al., 2016; Rodrigo et al., 2017). Pitkittyneet fotoperiodit laukaisivat lisääntynyttä seksuaalista MC:n muodostumista fakultatiivisissa apomiktiivisissa kasveissa ja johtivat sekundaaristen metaboliittiprofiilien uudelleenohjelmointiin (Klatt et al., 2016). Näin ollen luonnollista apomeioosia on tarkasteltava kasvin fysiologisen tilan yhteydessä. Tämä sopii yleisempään hypoteesiin, jonka mukaan seksuaalisuus olisi kehittynyt ja vakiintunut varhain eukaryoottien evoluutiossa DNA:n korjaustyökaluksi oksidatiivisten stressiolosuhteiden jälkeen (Hörandl ja Hadacek, 2013; Hörandl ja Speijer, 2018). Vaihtelevien ympäristöolosuhteiden ja stressireaktion oletetaan olevan tärkeimmät luonnolliset laukaisevat tekijät meioottisen reitin ilmentymiselle. Tämä näkökohta valottaa myös polyploidian oletettua roolia apomixiksen ilmentymisessä. Polyploidit säätelevät yleisesti ottaen paremmin ympäristön aiheuttamia stressiolosuhteita ja osoittavat lisääntymistuotoksen homeostaattista ylläpitoa kohonneessa abioottisessa stressissä, ja siksi niillä on diploideihin verrattuna fitness-etu ilmastollisesti vaihtelevissa tai äärimmäisissä elinympäristöissä (Schoenfelder ja Fox, 2015). Näin ollen matalat stressiolosuhteet polyploidien lisääntymiskudoksissa stimuloisivat seksuaalista meioottista reittiä arkkisoluissa vähäisemmässä määrin, mikä vapauttaisi kasvien luontaisen potentiaalin apomeioosiin (Hörandl ja Hadacek, 2013).

Villipopulaatioissa täysin toimivan apomeioottisen reitin spontaania ilmaantumista rajoittaa luultavasti epäonnistuminen pelkistämättömän sukusolunmuodostuksen kytkemisessä osittaiseen parthenogeneesiin ja endospermin muodostukseen. Parthenogeneesi itsessään on prosessi, joka taas voi tapahtua spontaanisti luonnonpopulaatioissa. Jälleen kerran kasvisolujen totipotenssi mahdollistaa sen, että embryogeneesi voi alkaa eri solutyypeistä, olivatpa ne sitten hedelmöittyneitä tai hedelmöittymättömiä munasoluja, somaattisia soluja, tai ne voidaan jopa indusoida muissa kudoksissa, kuten mikrosporeissa (Soriano et al., 2013). Somaattinen embryogeneesi liittyy Paspalumissa SOMATIC EMBRYOGENESIS RECEPTOR-LIKE KINASE (SERK) -geeneihin, ja SERK-geenikopioiden muuttunut ajallinen ja spatiaalinen ilmentyminen näyttäisi olevan yhteydessä apomixikseen (Podio ym., 2014b). Apomiktiivisissä Paspalum-kasveissa sytosiinimetylaatiot inaktivoivat geenejä, jotka muuten tukahduttavat parthenogeneesiä (Podio ym., 2014a). Pennisetumissa ja Brachiariassa pystyttiin tunnistamaan ASGR-BABY BOOMin kaltainen (ASGR-BBML) geeni, joka kontrolloi parthenogeneesiä (Conner ym., 2015; Worthington ym., 2019). Riisissä BABY BOOM1 (BBM1) -geenin ektooppinen ilmentyminen johtaa parthenogeneesiin (Khanday et al., 2019). Hieracium subg. Pilosella LOSS OF APOMEIOSIS (LOA) ja LOSS OF PARTHENOGENESIS (LOP) -loci kontrolloivat apomixistä, jolloin LOP:n gametofyytti-ekspressiota tarvitaan sekä parthenogeneesiin että endospermin muodostukseen (Koltunow ym., 2011). Endospermin ja parthenogeneesin lokukset liittyvät toisiinsa, mutta ovat erillisiä (Ogawa ym., 2013). Apomiktisella Boecheralla genominen imprinting näyttää osallistuvan parthenogeneesin ilmentymiseen (Kirioukhova ym., 2018). Seksuaalisissa Boechera-lajeissa paternaaliset ja maternaaliset alleelit ilmentyvät embryogeneesiä varten, kun taas parthenogeneettisissä taksoneissa PHERES1-geenin maternaalinen ilmentyminen on huomattavasti lisääntynyt verrattuna seksuaalisiin lajeihin. Ekspression muutokset johtuvat todennäköisesti muuttuneista DNA-metylaatioista. Metyylitransferaasi1:n (MET1) vähentynyt ilmentyminen ja domeenien järjestäytyneiden metyylitransferaasien (DRM2) lisääntynyt ilmentyminen aiheuttavat sytosiinidemetylaatioita, mikä johtaa havaittuihin korkeisiin äidillisten PHERES1-alleelien ilmentymistasoihin (Kirioukhova ym., 2018).

Luonnollisissa populaatioissa haploidinen parthenogeneesi on raportoitu harvinaisena tapahtumana monista kasveista, ja se onnistuu harvoin hyvin hyvin (Asker ja Jerling, 1992). Haploidiset alkiot kärsivät todennäköisesti liikaa siitä, että niillä on vain yksi kromosomisarja haploidisen jälkeläisen perustamiseksi luonnollisissa ympäristöissä. Polyhaploidisia jälkeläisiä saatiin kuitenkin korkeammalla frekvenssillä aikaan 7x tai 8x emokasveista Hieraciumissa (Rosenbaumova ym., 2012). Kirjoittajat ehdottivat gametofyyttien ohjaamaa ennenaikaista embryogeneesiä oletetuksi mekanismiksi. Polyhaploidien frekvenssit apomiktisten kasvien siemenjälkeläisissä ovat usein hyvin alhaisia (<5 %), ja ne edustavat yleensä pienintä osuutta kaikista kehityspoluista (Bicknell ym., 2003; Kaushal ym., 2008; Krahulcova ym., 2011; Schinkel ym., 2017). Pölytyksen ajoitus näyttää olevan tärkeää parthenogeneesin ilmenemisen kannalta. Monilla apomiktisilla lajeilla oli havaittu varhaisia pro-alkioita kukinnan aikaan (esim. Cooper ja Brink, 1949; Burson ja Bennett, 1971; Hojsgaard ym., 2008), mikä viittaa parthenogeneettisen kehityksen nopeutumiseen joissakin munasoluissa. Fakultatiivisen apomiktiivisen P. notatum -lajin ennakoidut pölytykset pystyivät avaamaan pelkistymättömien munasolujen vastahakoisuuden hedelmöitymistä kohtaan, mikä lisäsi BIII-jälkeläisten muodostumista (Martinez ym., 1994). Samankaltaisessa kokeessa, mutta eri kasvimateriaaleja käyttäen, Espinoza ym. (2002) pystyivät osoittamaan kokeellisesti P. notatumilla, että varhainen pölytys (ennen pernarinnan alkua) ja myös myöhäinen pölytys (pernarinnan alkamisen jälkeen) lisäsivät apomiktiivisten jälkeläisten muodostumista, kun taas pölytys pernarinnan aikana johti seksuaalisten siementen korkeampaan esiintymistiheyteen. Luonnollisissa kasvipopulaatioissa pölytys täysimetysaikana on luultavasti yleisin ”oletustilanne”, koska täydet kukinnot houkuttelevat hyönteisiä, ja tuulipölytys on myös tehokkainta täysin avoinna olevissa tähkissä. Näin ollen pölytys antesiksen aikana apomikteilla maksimoisi pelkistettyjen munasolujen hedelmöittymisen.

Kokonaisuudessaan tiedot viittaavat siihen, että pelkistettyjä ja pelkistämättömiä naaraspuolisia gametofyyttejä kantavien munasolujen parthenogeneesin erilainen läpäisevyys saattaa olla merkittävässä roolissa siementenmuodostuksen havaitun moninaisuuden luomisessa. Tässä yhteydessä pölytyksen ajoituksen muuttaminen luonnollisissa diploideissa, joissa on vähän pelkistämättömiä gametofyyttejä, voi merkittävästi lisätä pelkistämättömien gametofyyttien suhteellista menestystä pelkistettyihin verrattuna ja suosia suvuttomien siementen muodostumista. Tämä saattaa selittää, miksi edellä mainitut P. rufum -lajin diploidit (Delgado ym., 2014) tai alppien R. kuepferi -lajin diploidit tuottivat joitakin täysin apomiktisia siemeniä luonnonolosuhteissa (Schinkel ym., 2016) ja kokeissa (Klatt ym., 2018). Kukkien nopeutunut kehitys on yleinen piirre alppikasveilla ja oletettu sopeutuminen lyhyisiin kasvukausiin alppiympäristöissä, erityisesti varhain kukkivilla kasveilla (Körner, 2003). Diploidi R. kuepferi kukkii heti lumen sulamisen jälkeen, jolloin monet hyönteispölyttäjät eivät ole vielä käytettävissä siitepölyn vektorina. Näin ollen oletamme, että viivästynyt pölytys voi helposti tapahtua luonnollisissa olosuhteissa, mikä suosii satunnaista parthenogeneettistä kehitystä pelkistämättömistä munasoluista. Kokeellista lisätyötä tarvitaan, jotta ymmärrettäisiin parthenogeneesin ilmeneminen luonnollisissa olosuhteissa.

Endospermin muodostuminen on erilaisen geneettisen tai epigeneettisen kontrollin alaisena, ja se on riippuvainen polaaristen ytimien hedelmöittymisestä (pseudogamia) useimmilla luonnollisilla apomikteilla. Siksi endospermin ja parthenogeneesin lokukset liittyvät toisiinsa mutta ovat erillisiä. Asteraceae-kasveilla muut munasolun kudokset kuin endospermi näyttävät tarjoavan alkiolle riittävästi ravinteita (Cooper ja Brink, 1949). Samoin kasvisuvut, joissa siemenissä ei muodostu endospermiä, eli Melastomataceae- ja Orchidaceae-suvut, voivat ilmeisesti ilmentää autonomista apomixista (Renner, 1989; Teppner, 1996; Zhang ja Gao, 2018). Näin ollen autonominen apomixis saattaa kehittyä, kun endospermin muodostumisen valikoiva voima on heikko. Pseudogamia on kuitenkin vallitseva useimmissa muissa suvuissa (Mogie, 1992), ja se on tärkeä rajoitus onnistuneelle siementen muodostukselle. Jotkin lajit ovat herkkiä poikkeamille siitä, että endospermin perimän osuus on 2 äidin ja 1 isän välillä, kun taas toiset lajit ovat sietokykyisempiä (Talent ja Dickinson, 2007). Ennenaikainen alkionkehitys yhdistettynä myöhäiseen pölytykseen suosisi todennäköisesti epäsuorasti polaaristen ytimien kaksoishedelmöitystä, koska vastaanottavaisia munasoluja ei olisi saatavilla, kun siitepölyputket saavuttavat mikropylvään. Molemmat siittiöiden ytimet ohjattaisiin hedelmöittämään polaariset ytimet, millä on Polygonum-tyyppisissä alkiopusseissa myönteisiä vaikutuksia endospermin kehitykseen ylläpitämällä 2 äidin : 1 isän perimän suhdetta (ks. edellä).

Yhteenvetona voidaan todeta, että kolmen kehitysvaiheen kytkeytyminen toisiinsa funktionaalisen apomiktiivisen siemenenmuodostuksen aikaansaamiseksi toteutuu luonnollisissa populaatioissa luultavasti harvoin. Mutaatioiden yhdistämisen tarve vähintään kolmeen kehitysvaiheeseen tekee apomiksiksen mutageenisen alkuperän luonnossa hyvin epätodennäköiseksi, koska jokaista yksittäistä komponenttia vastaan valikoitaisiin (Van Dijk ja Vijverberg, 2005). Näyttää pikemminkin siltä, että ympäristöolosuhteiden yhteensattuma saattaa muuttaa kehitysgeenien ilmentymismalleja, mikä johtaa harvinaiseen apomiktiiviseen siementen muodostumiseen. Koska apomeioosi välttää DNA:n metylaatiomallien meioottisen ”nollautumisen” (ks. Paszkowski ja Grossniklaus, 2011), muuttuneet epigeneettiset tilat saattavat periytyä kloonisiemeniin ja perustaa apomiktiivisiä jälkeläisiä.

Sporofyyttinen apomixis, jota kutsutaan myös adventitiiviseksi alkioksi, käsittää alkionmuodostuksen somaattisten kudosten siemennysosista tai kokonaisista kudoksista (Naumova, 1992). Apomiktiiviset alkiot kehittyvät usein useista alkusoluista rinnakkain tai sukupuolisen alkionmuodostuksen jälkeen, jolloin siemenessä on useampi kuin yksi taimi (polyembryonia). Vaikka adventitiivinen alkio on taksonomisesti yleisin apomixiksen kehitysreitti (Hojsgaard ym., 2014b), geneettisiä kontrollimekanismeja on tutkittu vähemmän kuin gametofyyttisessä apomixiksessä. Koska adventitiiviset alkiot syntyvät häiritsemättä seksuaalista ohjelmaa, sen geneettisen perustan oletetaan olevan vähemmän monimutkainen, ja yksittäinen mutaatio voi käynnistää somaattisen alkionmuodostuksen. Citruslajien genominen ja transkriptominen analyysi paljasti 11 kandidaattilokusta, jotka liittyvät apomiksikseen. Insertio CitRWP:n promoottorin alueella liittyy polyembryoniaan (Wang ym., 2017). Samoin kuin gametofyyttisessä apomiksiksissä, adventitiivinen alkio esiintyy usein polyploideissa ja/tai hybrideissä (Alves et al., 2016; Mendes et al., 2018), mutta myös diploideissa tai paleopolyploideissa (Carman, 1997; Whitton et al., 2008).

Vakiintumisvaihe: apomiktiivisen populaation muodostuminen

Tässä vaiheessa edellä mainittujen apomiktiivisten kehitysvaiheiden kytkeytymättömän ilmentymisen odotetaan toimivan polyploidisen apomiktiivisen populaation vakiintumiseen, jota tarvitaan sukulinjan selviytymiseen. Apomeioosin ja parthenogeneesin kytkeytymätön aktivoituminen diploidisessa sytotyypissä johtaisi ploidian lisääntymiseen ja annostuksen siirtymiseen, mikä voi auttaa vakiinnuttamaan apomixis-elementtien koordinoitua ilmentymistä ja useiden kloonisia siemeniä tuottavien polyploidisten yksilöiden muodostumista. Luonnollisissa olosuhteissa tämä tapahtuu useimmiten triploidisen välikappaleen kautta, joka helpottaa tasaisten polyploidien muodostumista, kuten seksuaalisissa järjestelmissä. Osittaisen apomiksiksen ja kytkemättömän parthenogeneesin läsnäolo voi kuitenkin johtaa erilaisiin tuloksiin (kuva 2) ja edistää uusien polyploidipopulaatioiden muodostumista (Hojsgaard, 2018).

Polyploidian epäsuorat vaikutukset

Polyploidisaatiolla saattaa olla moninaisia epäsuoria, positiivisia vaikutuksia apomiktiivisten yksilöiden perustamiseen: Ensinnäkin polyploidia luo välittömän lisääntymisesteen diploidista vanhempi- ja jälkeläispopulaatiota vastaan; toiseksi polyploidia voi aiheuttaa geneettisten itse-inkompatibiliteettijärjestelmien (SI) hajoamisen, jota tarvitaan pseudogamous-apomiktien itsensä hedelmällisyyden vakiinnuttamiseen; ja kolmanneksi polyploidia voi epäsuorasti auttaa vakiinnuttamaan apomiktien sytotyypin uudessa ekologisessa markkinaraossa muuttamalla kasvien yleisiä fysiologisia ominaisuuksia ja sopeutumispotentiaalia.

Sytotyyppien vuorovaikutus populaatioissa, joissa on sekoittuneita sytotyyppejä, johtaa todennäköisesti pikemminkin jälkeläisten polyploidisoitumiseen kuin satunnaisten diploidisten apomiktiivisten yksilöiden frekvenssien kasvuun populaatiossa. Voidaan kuvitella seuraava prosessi: diploidisen apomeioottisen yksilön ilmaantuminen muutoin diploidiseen seksuaaliseen, itsensä kanssa yhteensopimattomaan populaatioon johtaa aluksi vähemmistön sytotyyppien epäedulliseen asemaan (Levin, 1975), koska enimmäkseen haploidista siitepölyä ympäröivien seksuaalisten kasvien enemmistöstä siirtyy sen stigmoihin (kuva 2a). Apomiktiiviset, diploideja pioneereja tuottavat pelkistymättömät alkiopussit hedelmöittyvät todennäköisesti enimmäkseen ristiin ja tuottavat triploideja BIII-hybridin jälkeläisiä, mikä tarkoittaa, että diploideja apomiktiivisiä jälkeläisiä ei juurikaan voi muodostua (kuva 2b). Luonnollisissa diploidisissa populaatioissa apomiktiivisten jälkeläisten tunnistaminen on vaikeaa, mutta mahdollista sopivilla molekyylimenetelmillä (esim. Siena ym., 2008) tai virtaussytometrisillä siemenseulonnoilla (Schinkel ym., 2016). Kokeelliset todisteet tukevat mainittua ajatusta rajoituksista diploidien apomiktiivisten jälkeläisten muodostumiselle luonnossa (Siena et al., 2008; Hojsgaard et al., 2014a; Barke et al., 2018). Poikkeustapausta edustavat Boecheran apomiktiiviset diploidit. Boecheran eri lajit osoittavat monimutkaista hybridisaation ja polyploidian evoluutiohistoriaa, jossa – apomiktiivisten triploidien esiintymisen lisäksi – diploidiset sytotyypit voivat olla seksuaalisia tai apomiktiivisiä, joista jälkimmäiset kykenevät tuottamaan toistuvasti apomiktiivisiä siemeniä (Aliyu et al., 2010). Yksityiskohtaisia tietoja Boecherassa havaittujen lisääntymistavan ja ploidian vaihtelun mallien mahdollisesta alkuperästä on esitetty Lovell et al. (2013). Kun mainitut BIII-triploidit on tuotettu, apomeioosi saattaa olla menestyksekkäämpi naaraspuolisten pelkistämättömien sukusolujen muodostamisessa, koska se kiertää meioosin toimintahäiriön ja aneuploidien sukusolujen muodostumisen. Mikrosporogeneesi ja siitepölynmuodostus kuitenkin useimmiten epäonnistuvat tuottaen joukon geneettisesti ja kromosomaalisesti epätasapainoisia sukusoluja, jotka tekevät hedelmöityksestä epäonnistunutta, kuten on havaittu sukupuolisissa triploideissa (esim. Duszynska et al., 2013). Vain parthenogeneettiset eutriploidiset alkiot kehittyisivät, jolloin aneuploidisissa alkioissa havaitut epätasapainoisten geenien ja kromosomien molekulaariset seuraukset jäisivät edelleen väliin (Birchler ja Veitia, 2012). Jos siitepöly ei ole välttämätön endospermin muodostumiselle, kuten useimmissa Asteraceae-heimoissa, triploidi, siitepölysteriili, erittäin pakollinen apomiktiivinen sukulinja vakiintuisi nopeasti seksuaalisen polun vastaisen valinnan seurauksena (kuva 2c). Tämän skenaarion vahvistaa triploidien apomiktien erilaisten luonnollisten populaatioiden esiintyminen, jotka osoittavat autonomista endospermin kehitystä Erigeronissa (Noyes ja Rieseberg, 2000), Hieraciumissa (Bicknell ym., 2000) ja Taraxacumissa (Tas ja van Dijk, 1999), sekä matemaattinen malli 3x Taraxacum-kloonien alkuperästä (Muralidhar ja Haig, 2017). Uusien 3x voikukkakloonien toistuvaa muodostumista voi tapahtua sekasukupuolisissa/apomiktisissa populaatioissa (Martonfiova, 2015). Pseudogamoisissa diploidisissa apomiiteissa triploidiset BIII-sytotyypit eivät todennäköisesti muodostaisi helposti populaatiota, ellei vanhempien genomista osuutta koskevia vaatimuksia lievennetä, koska siitepölynmuodostus häiriintyy voimakkaasti triploideissa ja haittaa asianmukaista endospermin muodostumista. Pelkistymättömien 3x-munasolujen hedelmöittäminen hyvin kehittyneellä haploidisella siitepölyllä ympäröivistä diploidisista sukusoluista voi kuitenkin johtaa tetraploidisiin kasveihin seuraavassa sukupolvessa, kuten kokeellisesti on havaittu useimmilla apomikteilla (Martínez ym., 2007; Hojsgaard ym., 2014a). Tetraploideissa meioosin ja siitepölytuotannon odotetaan olevan vakaampaa, ja diploidista siitepölyä on saatavilla pseudogamiaa varten. Kun kyky apomeioosiin on periytynyt triploidiselta emolta ja kytkeytyminen parthenogeneesiin onnistuu, apomiktiivinen tetraploidi jälkeläinen voi syntyä naaraan triploidisen sillan kautta (kuva 2d), kuten on havaittu R. kuepferillä (Schinkel ym., 2017), P. simplexillä (Urbani ym., 2002) ja luultavasti kaikissa apomiktiivisissä systeemeissä, joissa luonnollisissa populaatioissa on havaittu satunnaisia triploideja. Vaihtoehtoisesti, jos uuden populaation perustamisvaiheessa apomiksis ei voi stabiloitua uusissa tetraploideissa, vaan sen sijaan meioosi käynnistyy uudelleen ja kytkeytyy syngamiaan (kuva 2e), seksuaalinen polyploidisaatio voisi olla tämän ohimenevän BIII-hybridin seuraus (Hojsgaard, 2018).

Joissain apomiktiivisissä järjestelmissä seksuaaliset sytotyypit ovat polyploideja eikä luonnossa ole todisteita diploidien sytotyyppien esiintymisestä. Tässä voitaisiin harkita kahta vaihtoehtoista selitystä. Yhdessä tapauksessa seksuaaliset diploidit voisivat ensin käydä läpi seksuaalisen polyploidisaation redusoimattomien urospuolisten sukusolujen kautta, jotka hedelmöittävät redusoituja munasoluja (urospuolisten triploidien silta) (De Storme ja Geelen, 2013), ja sitten kuolla sukupuuttoon. Toinen mahdollisuus on, että polyploidinen apomikti agamic-kompleksissa palaa seksuaalisuuteen, kun diploidiset seksuaaliset kuolevat sukupuuttoon, ja sitten se tuottaa korkeamman ploidian apomiktiosytotyyppejä toistamalla sykliä. Kummassakin tapauksessa seksuaalisten tetraploidien keskuudessa samanlainen harvinaisten apomiktiivisten siementen muodostumisen mekanismi kuin diploideissa saattaa alkaa vallitsevasti seksuaalisista tetraploidipopulaatioista, kuten Potentilla puberulassa, jossa vain yksittäiset yksilöt osoittivat jonkin verran apomiktiota, kun taas vallitsevaa apomiktiota esiintyi korkeampiploidisissa sytotyypeissä (5x-8x-sytotyyppejä; Dobes ym., 2013). Kun korkeapolyploidinen apomiittilinja on vakiintunut, heteroploidiset risteytyshedelmöitykset vaikuttavat pikemminkin negatiivisesti alemman polyploidisen sukupuolen hedelmällisyyteen, mutta eivät korkeampiploidisten apomiittisten kasvien kuntoon (Dobes ym., 2018). Samanlainen sytotyyppijakauma ja lisääntymisominaisuudet havaittiin esimerkiksi H. pilosella (=Pilosella officinarum; Mráz et al., 2008), Paspalum durifoliumilla tai P. ionanthumilla (Ortiz et al., 2013). Siementen abortoituminen seksuaalisissa heteroploidisen risteytyshedelmöityksen jälkeen vs. korkea naaraspuolisten kunto homoploidisten risteytysten jälkeen, mutta myös indusoitu itsekasvatus (Mentor-vaikutukset) voivat edistää diploidisten seksuaalisten populaatioiden ylläpitoa (Hörandl ja Temsch, 2009).

Polyploidisaation tärkeä sivuvaikutus on SC-järjestelmien (SI) hajoaminen, mikä johtaa itsestään hedelmöitymiskykyisyyteen, kuten tiedetään myös seksuaalisista polyploideista hyvin (Comai, 2005; Hörandl, 2010). SI-järjestelmät toimivat stigmassa ja tyylissä, ja niiden geneettinen ohjaus on riippumaton alkion pussin kehityksestä S-alleelien avulla (de Nettancourt, 2001). Tärkeä valintamekanismi voi kuitenkin auttaa luomaan polyploidisia, pseudogamisia, itsekompatibiliteettisia (SC) kloonilinjoja: itsekompatibiili apomiktiivinen kasvi ei voi käyttää omaa siitepölyään eikä ympärillä olevien geneettisesti identtisten kloonitovereiden siitepölyä, koska S-alleelien konfiguraatio on sama ympäröivissä kloonitovereissa. Sitä vastoin apomiktiivinen itseyhteensopiva pioneerikasvi voi käyttää omaa siitepölyä pseudogamiaan, mutta se voi myös käyttää ympäröivien genotyypiltään identtisten kloonitovereiden siitepölyä siementuotantoon (Hörandl, 2010). Tällä tavoin vastaperustetusta itsekompatibilisesta polyploidisesta kloonista tulee täysin riippumaton ympäröivien seksuaalisten jälkeläisten siitepölystä (kuva 2d). Itsepölyä käyttämällä voidaan myös helpommin saavuttaa sopiva endospermitasapaino. Pseudogamiaan perustuvalla itsehedelmöitymisellä vältetään lisäksi seksuaalisen itsehedelmöitymisen kielteiset vaikutukset, nimittäin heterotsygotian menetys ja sisäsiitosmasennus (Hörandl, 2010). Itseviljelystä on lisäksi hyötyä uusien populaatioiden perustamisessa yksittäisten tai harvojen perustajien toimesta, jopa siementen leviämisen jälkeen pitkien etäisyyksien päähän (Baker, 1967; Hörandl, 2006; Cosendai ym., 2013).

Kokonaisuutena katsottuna parin sisäisen ja ulkoisen tekijän on tapahduttava samaan aikaan, jotta apomixiksen eri vaiheet yhdistyvät. Luonnollisissa olosuhteissa diploidien toiminnallinen apomiktiivinen siementen muodostuminen edellyttää todennäköisesti tiettyjä muuttuneita ekologisia olosuhteita ja onnistunutta polyploidisaatiota vakiintumiseen. Tapahtumien, joiden on yhdistyttävä, harvinaisuus saattaa myös aiheuttaa luonnollisen apomiksiksen alhaisen todellisen esiintymistiheyden angiospermeissä (ks. tuore katsaus Hojsgaard et al., 2014b).

The Diversification Phase: Range Expansion and Speciation of Apomicts

Kun apomiktiivinen polyploidipopulaatio on vakiintunut, sen selviytyminen riippuu neopolyploidien kyvystä joko kilpailla vanhempien diploidien kanssa tai siirtyä toiseen elinympäristöön. Uuden ekologisen kapeikon valtaaminen on monissa tapauksissa polyploidian sivuvaikutus. Kuten edellä todettiin, polyploidia itsessään muuttaa monia fysiologisia ja solutason ominaisuuksia, jotka voivat olla edullisia uudessa ympäristössä. Tämä näkökohta on aiemmin herättänyt paljon huomiota, ja jotkut kirjoittajat ovat pitäneet polyploidian ekologista potentiaalia tärkeimpänä tekijänä joidenkin apomiktien laajalle levinneisyydelle (Bierzychudek, 1985). Polyploidien niche-siirtymiä diploideihin verrattuna on dokumentoitu allopolyploidisella Crataeguksella (Coughlan ym., 2017), mutta myös autopolyploideilla R. kuepferi (Kirchheimer ym., 2016, 2018) ja Paspalum intermedium (Karunarathne ym., 2018). Nämä ei-hybridiapomikit eivät osoita voimakasta geneettistä monipuolistumista, mutta onnistuivat kuitenkin valtaamaan elinympäristöjä diploidien ekologisen levinneisyysalueen ulkopuolella. Todisteet osoittavat, että polyploidiset apomikit käyttäytyvät generalisteina ja ovat vähemmän kilpailukykyisiä kuin erikoistuneet diploidit alkuperäisellä levinneisyysalueellaan, mutta ne ovat kilpailukykyisempiä vanhempien diploidien reuna-alueilla (Karunarathne ym., 2018), mikä saattaa edeltää sytotyyppien välistä ekologista eriytymistä. Yhdessä apomixiksen luontaisten biologisten ominaisuuksien (eli lisääntymisvarmuuden ja klonaalisuuden) kanssa ekologinen niche-siirtymä on toinen tärkeä tekijä apomiksen maantieteellisen levinneisyysalueen laajentumiselle ja monipuolistumiselle. Jos uudet apomiktiiviset polyploidit eivät pysty sopeutumaan uusiin ympäristöolosuhteisiin, niiden evoluutiopotentiaali on todennäköisesti rajallinen. Mau ym. (2015) havaitsivat laajalle levinnyttä niche-konservatismia seksuaalisten ja apomiktien välillä ja totesivat, että ploidia on voimakkaampi niche-eron aiheuttaja verrattuna lisääntymistapaan Boechera-suvun diploidien ja triploidien sytotyyppien välillä, mutta lajien välillä havaittiin huomattavaa vaihtelua niche-eron suunnissa. Siten Mau ym. (2015) mukaan Boecheran homoploidiset apomiitit ovat jääneet loukkuun seksuaalisten esi-isiensä ekologisiin markkinarakoihin.

Tuotannollinen varmuus ja klonaalisuus

Self-fertiliteetti ja apomixis mahdollistavat sen, että kasvit kykenevät muodostamaan uusia populaatioita alkaen yhdestä yksilöstä (Baker, 1955). Näin ollen kasvit hyötyvät apomiksiksistä kahdesti. Toisaalta apomiksis mahdollistaa perustajatapahtumat ja lajien populaatioiden leviämisen siementen leviämisen jälkeen. Toisaalta apomixis synnyttää kloonisia jälkeläisiä ja siten moninkertaistaa genotyyppejä, ja on todennäköistä, että paikallisesti kyvykkäimmät vakiintuvat erilaisten siemenjoukkojen ja parempien kilpailuominaisuuksien ansiosta. Tämä kaksinkertainen etu antaa kasveille paremmat kolonisaatiokyvyt, ja molemmilla on merkittävä vaikutus geneettiseen vaihteluun populaatiotasolla ja sytotyyppien biogeografiseen jakautumiseen. Nämä yhdistetyt ominaisuudet vaikuttavat osaltaan havaittuihin maantieteellisen parthenogeneesin malleihin (esim. Kearney, 2005; Hörandl, 2006).

Geografinen parthenogeneesi

Sukupuolisilla eläimillä ja kasveilla on usein laajemmat levinneisyysalueet kuin niiden suvullisilla sukulaisilla (Kearney, 2005). Kasveilla apomiksiksen ja polyploidian voimakas samanaikainen esiintyminen vaikeutti niiden vaikutusten kietomista yhteen kolonisaatiomalleihin (Bierzychudek, 1985; Hörandl, 2006). Poikkeuksellisessa Boechera holboellii -kompleksin tapauksessa Mau ym. (2015) löysivät vahvempaa näyttöä pikemminkin ploidiasta johtuvasta ekologis-niche-diversiteetistä kuin lisääntymisjärjestelmistä. Huolimatta siitä, että tämä havainto on ristiriidassa maantieteellisen parthenogeneesin yleisten ja hyvin tuettujen mallien kanssa, kaikki muut tutkimukset viittaavat siihen, että apomixis saattaa nopeuttaa leviämistä ja helpottaa levinneisyysalueiden laajentumista näissä polyploideissa. Alppilajin R. kuepferi diploidiset sytotyypit pysyivät turvapaikka-alueellaan Lounais-Alpeilla, kun taas tetraploidit asuttivat koko Alpit, Apenniinit ja Korsikan (Cosendai ja Hörandl, 2010). Ainoastaan tetraploidit onnistuivat sopeutumaan korkeampiin korkeuksiin ja kylmempään ilmastorakenteeseen (Kirchheimer ym., 2016; Schinkel ym., 2017). Alppien uudelleenasuttamista koskeva simulaatiotutkimus paljasti tetraploidien osalta markkinaraon erilaistumisen ja lisääntymistavan voimakkaat yhdistelmävaikutukset (Kirchheimer ym., 2018). Vastaavasti preerioilla ja niityillä, jotka eivät liittyneet jääpeitteisiin viimeisimmän jääkauden aikana, lajit kuvaavat myös epätasa-arvoisen maantieteellisen jakautumisen malleja seksuaalisten ja apomiktiivisten sytotyyppien välillä. Heinälajissa P. intermedium diploidiset sytotyypit ovat maantieteellisesti vähemmän levinneet kuin tetraploidiset sytotyypit ja sijaitsevat pohjoisemmilla, ilmastollisesti leudommilla alueilla lajin levinneisyysalueella Etelä-Amerikassa (Karunarathne ym., 2018). Tetraploidit valtasivat eteläisiä alueita selviytymällä paremmin vähemmän tuottavista ja ankarammista ympäristövaihteluista (Karunarathne et al., 2018). Näin ollen useimmissa kasvijärjestelmissä apomiksis edistää levinneisyysalueiden laajentumista hyödyntämällä klonaalisuuden ja polyploidian etuja.

Populaatioiden erilaistuminen ja lajistuminen

Koska apomiksis jäädyttää geneettistä vaihtelua ja vähentää genotyyppien vaihtelua, populaatioiden odotetaan kehittyvän itsenäisesti vähentyneen geenivirran ansiosta. Ajan myötä ne voivat kehittyä populaatioiksi, joilla on geenipooleja, jotka ovat riittävän eriytyneitä välttääkseen hybridisaation pre- ja postzygoottisten esteiden kautta, ja maantieteellisesti kaukana sijaitsevista (eristetyistä) populaatioista voi tulla alalajeja tai uusia lajeja (esim. Arrigo ja Barker, 2012). Itse asiassa morfologista erilaistumista havaitaan apomiktiivisten kompleksien sisällä, jolloin fakultatiivinen apomiksaatio hybridilajeissa voi edistää (hidasta) divergenttiä valikoitumista ja mikrolajien muodostumista (eli apomiktiivinen sukulinja, jolla on tietty morfologia ja joka on geneettisesti homogeeninen) (esim. Burgess ym., 2014), mikä aiheuttaa vakavia ongelmia taksonomiassa. Yksityiskohtainen analyysi siitä, miten apomiktiivisiä taksoneita käsitellään ja mihin lajikäsitteisiin viitataan: Haveman (2013), Majeský et al. (2017), Hörandl (2018). Vaihtoehtona olisi sukupuolisuuteen kääntyminen jossakin näistä laajalle levinneistä populaatioista (Hörandl ja Hojsgaard, 2012). Siirtyminen takaisin seksuaaliseen lisääntymiseen jossakin polyploidisten apomien vanhempien seksuaalisten lajien populaatioista kaukana sijaitsevassa populaatiossa mahdollistaisi myös itsenäisen evoluution, geneettisten ja morfologisten muutosten kasautumisen ja geenivirran pre- ja postzygoottisten esteiden hankkimisen (Hojsgaard ja Hörandl, 2015).

Natural VS. Cultivated Apomictic Plant Systems

Apomiktiset kasvijärjestelmät tuottavat siemenistä klooneja, mikä on ominaisuus, joka tarjoaa valtavan potentiaalin erityisesti karjalaitumille soveltuvien lajikkeiden kehittämiseen. Luonnolliset apomiktiiviset populaatiot ovat dynaamisia. Todisteet viittaavat siihen, että niiden perustajana on usein yksittäinen yksilö, joka moninkertaistaa kyseisen genotyypin ja perustaa pienen paikallisen populaation. Ajan myötä populaatio saa vaihtelua, joka johtuu pääasiassa jäännössukupuolisuudesta ja spontaaneista mutaatioista, todennäköisesti vastauksena paikallisiin edafisiin olosuhteisiin ja ympäristön vaihteluun. Näin ollen luonnolliset apomiktiopopulaatiot ovat genotyyppisesti monimuotoisia (esim. Daurelio et al., 2004; Paun et al., 2006).

Viljellyt viljelykasvit koostuvat geneettisesti hyvin yhdenmukaisista yksilöistä, jotka ovat yleensä peräisin sisäsiittoisten linjojen risteytyksistä tai erittäin valikoituneesta heterotsygoottisesta kasvimateriaalista. Tässä mielessä apomiktiiviset luonnonpopulaatiot, joissa on geneettisesti yhdenmukaisia kloonisukulaisia, ja apomiktiivisten rehunurmien polveutuvat lajikkeet ovat laadullisesti samankaltaisia ja jossain määrin verrattavissa viljeltyihin viljelykasvien peltoihin, joilla heterotsygotian taso vaihtelee ja joihin liittyy seuraavan siemenpolven muodostamiseen osallistuva vastakkainen lisääntymistapa. Ilmasto-olosuhteet vaikuttavat voimakkaasti kasvien lisääntymisprosesseihin, kukinta-aikaan, kukkaelinten muodostumiseen, siitepölyn elinkelpoisuuteen jne. ja ne voivat vaikuttaa siementen tuottoon ja viljelykasvien suorituskykyyn (Hampton et al., 2016). Ilmastotekijät säätelevät viljelykasvien kasvua ja kehitystä, ja ne ovat alttiita alueellisille muutoksille sekä suunnassa että suuruusluokassa, minkä vuoksi hienojakoiset analyysit ovat välttämättömiä, jotta voidaan havaita viljelykasvien erilaiset alueelliset reaktiot ilmaston vaihteluihin ja niiden vaikutukset viljelykasvien satoihin (Kukal ja Irmak, 2018). Näin ollen geneettisesti puhtaiden seksuaalisten viljelykasvien ja apomiktiivisten lajikkeiden odotetaan reagoivan samankaltaisesti vaihteleviin ympäristöolosuhteisiin, mikä saattaa auttaa meitä ymmärtämään ekologisten ja ilmastollisten muutosten lyhyen aikavälin vaikutuksia siementuotantoon ja viljelykasvien satoihin sekä arvioimaan mahdollisia ilmastovaikutteisia viljelykasvien satovoittoja/-häviöitä, joita odotetaan apomiktiivisten viljelykasvien siirrosta pääkasveihin. Koska useimmat apomiksit ovat fakultatiivisia sekä luonnollisissa kloonilinjoissa että kaupallisissa rehulajikkeissa, rekombinanttisten jälkeläisten pienen osuuden odotetaan lisäävän geneettistä heterogeenisuutta ja sisäsiittoisuutta, mikä voi vähentää rehun tuottavuutta. Siksi ainakin rehunjalostuksessa valitun aineiston asianmukainen lisääntymisominaisuuksien karakterisointi useita kokeellisia lähestymistapoja käyttäen voi hyödyttää sekä jalostusohjelmia, kun tiedetään hybridisaation ja ominaisuuksien introgression potentiaalinen määrä, että pellonhoitostrategioita, kun arvioidaan sukupolvea kohti odotettavissa olevien ei-äidillisten jälkeläisten osuudet (Hojsgaard ym., 2016).

Useimmissa luonnollisissa apomaattilajeissa ylläpidetään siitepölytoimintoa varten tarkoitettua pölyttäjän pseudogamiaa. Apomiktiivisten viljelykasvien osalta tämä tarkoittaa, että ne voivat toimia siitepölyn luovuttajina ja introgressoida vierekkäisiä seksuaalisia viljelykasvikantoja (van Dijk ja van Damme, 2000). Jotta vältettäisiin apomiktiivisten varianttien siirtyminen seksuaalisiin viljelykasveihin, apomiktiivisten viljelykasvien olisi oltava siitepölysteriilejä. Luonnon järjestelmät osoittavat kuitenkin, että siitepölyfunktiosta voidaan luopua vain autonomisella apomiksillä, jota esiintyy lähinnä kasveissa, joissa endospermin muodostuminen on heikkoa tai ei ole (ks. edellä). Näin ollen siitepölysteriilejä apomiktiivisiä lajikkeita koskevat jalostusstrategiat voivat olla hyödyllisimpiä rehukasveille, joissa viljelijän suurin kiinnostuksen kohde on kasvullinen kasvu. Viljelykasveilla, joita viljellään pääasiassa siementuoton vuoksi, tarvitaan kuitenkin toimivaa siitepölyä, jotta endospermin muodostuminen olisi mahdollista. Jalostusstrategiat, jotka tähtäävät autogamiaan (esim. cleistogamisten tähkylöiden tai kukkien sisällä) viljelykasvien muunnoksissa, voivat auttaa ratkaisemaan tämän ongelman.

Useimmat kesytetyt viljelykasvit ovat erittäin riippuvaisia suurten tuotantopanosten (esim. lannoitteiden ja rikkakasvien torjunta-aineiden) käytöstä, ja sen vuoksi viljelystä karkaaminen on epätodennäköisempää kuin introgressiotapahtuma luonnonvaraiseen sukulaislajiin (esim. Arnaud ym., 2003; Uwimana ym., 2012). Sen sijaan apomiktiiviset rehukasvit ovat vähemmän riippuvaisia tuotantopanoksista, ja ne voivat sekä levittää luonnonvaraista sukulaista että paeta viljelystä. Samat ominaisuudet, jotka tekevät apomiktiivisistä viljelykasveista sopivia lajikkeiden kehittämiseen, tekevät niistä myös parempia tunkeutujia, mikä aiheuttaa mahdollisen uhan biologiselle monimuotoisuudelle ja ympäristöriskin. Esimerkiksi Latinalaisessa Amerikassa on otettu laajalti käyttöön kotieläintuotantoon tarkoitettuja Brachiaria-ruohoja, jotka kattavat noin 25 miljoonaa hehtaaria1 , ja monet Brasilian alueet on kirjattu invasiivisiksi (Almeida-Neto et al., 2010; nimellä Urochloa spp. teoksessa Zenni ja Ziller, 2011). Vastaavia tapauksia tunnetaan maailmanlaajuisesti, mutta tällaisten invaasioiden haitallisista vaikutuksista biologiseen monimuotoisuuteen tiedetään vain vähän. Suvullisia ja apomiktiivisia vieraskasveja koskeva vertaileva tutkimus osoitti, että jälkimmäisillä on samanlaiset kyvyt ekologisiin kapeikkosiirtymiin ja etabloitumiseen uusilla, valloitetuilla alueilla kuin suvullisilla lajeilla (Dellinger ym., 2016). Muutamissa tutkituissa tapauksissa apomiktiiviset heinäkasvit hallitsevat vallattuja elinympäristöjä ja syrjäyttävät alkuperäisiä heinäkasveja (Marshall et al., 2012; Dennhardt et al., 2016). Näin ollen luonnollisten apomiktiivisten populaatioiden alkuperää ja dynamiikkaa ympäröivän paremman ymmärryksen sekä jäännössukupuolisuuden ilmentymisen vaihtelun ja muiden geneettisen vaihtelun lähteiden parempi ymmärtäminen voi auttaa tunnistamaan ja kohdentamaan tehokkaita hoitotoimia apomiktiivisille viljelykasveille, jotka saattaisivat tällä hetkellä edistää rehupohjaisten järjestelmien kestävää tehostamista.

Johtopäätökset ja tulevaisuudennäkymät

Apomiksis on monimutkainen kehitysominaisuus, jonka odotetaan vaikuttavan valtavasti kasvinjalostukseen, jos se otetaan käyttöön tärkeimmissä viljelykasveissa, sillä se lyhentää uuden lajikkeen kehittämiseen tarvittavaa aikaa ja lisää tuloja. Tällä hetkellä apomiksia hyödynnetään rehulajikkeiden luomisessa, mutta raportteja, joissa dokumentoitaisiin esimerkiksi geneettisen homogeenisuuden puute ja geneettinen eroosio näissä lajikkeissa, ei ole saatavilla. Vaikka apomiksiksen syntymekanismeja ja dynamiikkaa luonnollisissa kasvipopulaatioissa, apomiksiksen mahdollisia seurauksia luonnollisissa järjestelmissä ja sen roolia kasvien evoluutiossa on alettu selvittää, vaikka ne ovat olleet pitkään hämärän peitossa. Tieto geneettisistä ja ekologisista tekijöistä, jotka säätelevät meioottisten ja apomiksaatioreittien välisiä kehitysvuorovaikutuksia, sekä populaatiodynamiikasta paikallisella ja alueellisella mittakaavalla voi auttaa meitä tulkitsemaan strategioita, joita kasvit käyttävät reagoidakseen ympäristöön ja sopeutuakseen siihen, mutta se tarjoaa myös arvokasta tietoa apomiksaatiokasvien hoito- ja tuotantokäytäntöjä varten.

Tietojen saatavuus

Tätä artikkelia varten ei tuotettu alkuperäisiä tietokokonaisuuksia.

Tekijöiden panos

Kaikki luetellut kirjoittajat ovat antaneet merkittävän, suoran ja älyllisen panoksensa työhön ja hyväksyneet sen julkaistavaksi.

Rahoitus

Tämän käsikirjoituksen perustutkimusta on rahoittanut Saksan tutkimussäätiö Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) (projektit Ho 4395/4-1, Ho 4395/1-2 EH:lle ja projekti Ho5462/1-1 DH:lle).

Conflict of Interest Statement

Tekijät ilmoittavat, että tutkimus on tehty ilman kaupallisia tai taloudellisia suhteita, jotka voitaisiin tulkita mahdolliseksi eturistiriidaksi.

Kiitokset

Kiitämme sarjan päätoimittajia Emidio Albertinia ja Fulvio Pupillia kutsusta esitellä tämä katsausartikkeli sekä arvioijia arvokkaista kommenteista käsikirjoitukseen. Kiitämme Göttingenin yliopiston Open Access -julkaisurahaston tukea.

Lyhenteet

BIII-hybridi, pelkistämättömien munasolujen hedelmöityksellä tuotettu jälkeläinen; CitRWP, sitrushedelmissä esiintyvä RWP-RK-domeenin sisältävä proteiini; FCSS, virtaussytometrinen siemenseulonta; MC, megaspore; MMC, megaspore-äitiyssolu; NC, nucellus-solu; PHERES1, transkriptiotekijä, jota koodataan MADS-box-geenin avulla; SC, itsekompatibeli.

Footnotes

1. ^ https://ciat.cgiar.org/