E.O.Punina, T.V.Alexandrova

Chromosomenvolumen und relativer DNA-Gehalt von kaukasischen

Repräsentanten der Gattung Paeonia (Paeoniaceae)

Botanicheskij Journal 1992 11:16-23

Übersetzung aus dem Russischen von Dr.Carsten Burkhardt, Cottbus

Summary

The relative DNA content in 11 species of Paeonia (Paeoniaceae) was determined. A direct non-linear dependence between DNA content and mitotic chromosome volume was demonstrated in the diploid species (2n=10) and the tendency for decrease in DNA content with specialisation of the species was shown. There is no regular pattern of DNA content variation among tetraploid species. Based on the DNA content the identity of P.ruprechtiana (2n=10) is discussed.

In letzterer Zeit wurden wesentliche Variabilitäten im DNA-Gehalt verschiedener Taxonome bedecktsamiger Pflanzen aufgezeigt (Rothfels et al., 1966; Bennet, Smith, 1976; Narayan, Rees, 1976 u.a.). Häufig war das verbunden mit einer Veränderung der Chromosomenzahl, zum Beispiel als Resultat einer Polyploidisierung oder [Anei-ploidisierung]. Dabei wurden beträchtliche Schwankungen im DNA-Gehalt bei Arten mit gleicher Chromosomenzahl nachgewiesen (Sparrow, Miksche, 1961; Rees et al., 1966; Rothfels et al.,1966; Zakirova, Vakhtina, 1974; Jones, Brown, 1976; Vakhtina et al., 1977). In einer Reihe von Fällen wurde gezeigt, daß das hervorgerufen wurde durch Umbauten von Chromosomen, wie zum Beispiel bei den Gattungen Crepis (Jones, Brown, 1976) und Bulnesia (Fam. Zygophyllaceae) (Poggio et al.1978) oder durch Veränderungen im Verhältnis von Hetero- zu Euchromatin, wie in der Gattung Scilla (Greilhuber, 1979).

Bei der Untersuchung der Karyotypen der kaukasischen Vertreter der Gattung Paeonia (Punina, 1987) wurde aufgezeigt, daß die Arten dieser Gattung mit einer Chromosomenzahl von 2n=10 (d.h. diploide) sehr ähnliche Karyotypen aufweisen. Vergleicht man die relative Länge der Chromosomen, sind die Karyotypen aller diploiden praktisch identisch. Lediglich bei der Vermessung der Parameter der Chromosomen (in mm) ergaben sich signifikante Unterschiede zwischen den Karyotypen. So war bei P.mlokosewitschi die summierte Länge des haploiden Chromosomensatzes 140.6mm, die Dicke der Chromosomen 1.64mm und das Gesamtvolumen des diploiden Satzes 148.8mm³, bei P.tenuifolia betrugen diese Parameter 111.0, 1.23 und 65.9mm. Bei einer differentiellen Färbung der kaukasischen Vertreter der Gattung Paeonia (Punina, 1989) wurde gezeigt, daß bei den untersuchten Arten im allgemeinen die Quantität an Heterochromatin gering ist, und seine Verteilung ähnlich. Folglich sind die Veränderungen der Chromosomen in der Gattung Paeonia im Ergebnis von Chromosomen-Umbauten zustande gekommen. Aus diesem Grund besteht ein Interesse an der Erforschung der Abhängigkeit von Volumen und DNA-Gehalt der Chromosomen.

Material und Methode

Für die Anfertigung cytologischer Präparate wurden Wurzelspitzen ausgewachsener Pflanzen verwendet, die in der experimentellen Abteilung des Botanischen Institutes der Russischen Akademie der Wissenschaften, Sankt Peterburg, kultiviert wurden (Tabelle 1).

Materialproben wurden im Mai und Oktober entnommen und in Acetyl-Alkohol (3:1) fixiert. Weil es nicht möglich war, alle Fixationen ausnahmslos gleichzeitig durchzuführen, wurden mehrere Serien durchgeführt, bei denen jeweils die Wurzeln von P.caucasica (aus Saguramo) als Standard benutzt wurden. Bei der Ermittlung des DNA-Gehaltes wurde dieser Standard als 100% angesetzt. Die Präparate wurden mit Fjolgren gefärbt. Bei allen Serien wurden die Präparate einer kalten Hydrolyse unterzogen. Die Färbung aller Muster erfolgte gleichzeitig, weil die Intensität der Kernfärbung der Fjolgren-Reaktion durch verschiedene Faktoren beeinflußt wird (Brodski, 1960; Marshak et al., 1970). Bei P.caucasica wurde auch eine Hydrolyse-Kurve angefertigt (Bild 1).

Zur Hydrolyse wurde 5n HCl bei Zimmertemperatur verwendet, damit das Konzentrationsverhältnis und die Temperatur der Säure einen minimalen Verlust von DNA ergibt (Vahs, 1973; Magakjan, 1980). Die optimale Hydrolysezeit wurde mit dieser Kurve ermittelt, sie beträgt 1h. P.caucasica von verschiedenen Naturstandorten wurden gleiche DNA-Gehalte ermittelt. Die Messung des DNA-Gehaltes wurde mit einem Mikroskop-Photometer der Firma <Opton> gescannt und einem Computer <Wang-720> unter Verwendung der Software <Itog> und <Statistika>. Im Stadium der Prophase wurde ein planapo-chromatisches Objektiv 100x/1.3 MI, eine Meßsonde 0.6mm mit einer Skalierung in Schritten von 0.5 mm (550nm) verwendet. Der Bereich der registrierten Kapazität betrug von 87-90 bis 1%, um die Möglichkeit von cytoplasmatischen Verunreinigungen auszuschließen.

Ergebnisse und Diskussion

Die Resultate der Bestimmungen des DNA-Gehaltes zeigt Tabelle 2.

Wenn man die gemessenen Werte nach P.caucasica eicht und die für P.caucasica ermittelten Werte des DNA-Gehaltes als 100% ansetzt, erhält man folgende Werte:

Tab.3 Relativer DNA-Gehalt (P.caucasica = 100%)

Stellt man die Abhängigkeit zwischen dem Gesamtvolumen der Chromosomen und dem DNA-Gehalt in Relation zu P.caucasica graphisch dar (Bild 2), kann man sehen, daß bei den diploiden Arten eine direkte nichtlineare Abhängigkeit zwischen diesen Parametern besteht, es aber gleichzeitig bei den tetraploiden eine solche Abhängigkeit nicht gibt. Es existieren viele Literaturangaben, in denen die Verknüpfung zwischen den Parametern der Karyotypie (Chromosomenzahl, Chromosomengesamtvolumen, Chromosomengesamtlänge) und dem DNA-Gehalt des Kernes bei höheren Pflanzen untersucht wurde. Es wurde aufgezeigt, daß bei den meisten Taxonen der Pflanzen eine direkte Korrelation zwischen dem Gesamtvolumen der metaphasischen Chromosomen (oder der Gesamtlänge) und dem DNA-Gehalt existiert (Rees et al., 1966; Rees, Jones, 1972; Price, 1976). Dieses wurde bei verschiedenen Arten verschiedener Gattungen 1- und 2-keimblättriger Blütenpflanzen nachgewiesen: Allium (Liliaceae) (Jones, Rees, 1968; Vakhtina et al., 1977), Scilla (Liliaceae) (Greilhuber, 1977, 1979), Bulnesia(Zygophyllaceae) (Poggio et al., 1986), Vicia (Fabaceae) (Chooi, 1977), Lathyrus (Fabaceae) (Narayan, Durrant, 1983), verschiedene Gattungen der Familie Ranunculaceae (Rothfels et al., 1966; Smith, Bennett, 1975); verschiedene Gattungen der Familie Asteraceae: Chrysanthemum (Dowrick, El-Bayoumi, 1969), Anthemidia (Nagl, Ehrendorfer, 1974),Microceris (Price, Bachmanner, 1975),Crepis (Jones, Brown, 1976), Pinus (Dhillon, 1976).

Derzeit ist noch unsicher, ob die Abhängigkeit einen linearen oder anderen Charakter hat. Einige Autoren stellten eine lineare (Jones, Rees, 1968; Nagl, Ehrendorfer, 1974; Greilhuber, 1977) Abhängigkeit zwischen den Maßen der Chromosomen und dem DNA-Gehalt fest, andere meinen, daß diese Abhängigkeit einen komplizierteren Charakter hat und exponentiell ist (Rothfels et al., 1966; Vakhtina et al., 1977).

Mehrmals wurde die Frage über Wechselbeziehungen zwischen DNA-Gehalt und evolutionärer Entwicklungsstufe der Taxonome gestellt (El-Lakany, Dugle, 1972; Price, 1976; Bennett, Smith, 1976).

Die Angaben sind widersprüchlich und neuere Widersprüche bestehen darin, daß zwischen großen Taxonomen (in höheren Familien) eine sehr große Streuung im DNA-Gehalt beobachtet wurde, welche nicht abhängig ist von der evolutionären Stellung des Taxon. Es besteht eine Tendenz zum Rückgang des DNA-Gehaltes während der Spezialisierung von Arten, zum Beispiel beim Übergang von Mehrjährigen zu den evolutionär fortgeschritteneren Einjährigen, wie das bei mehreren Vertretern der Asteraceae (Nagl, Ehrendorfer, 1974; Jones, Browii, 1976), der Sektion Cracca der Gattung Vicia (Chooi, 1971) und der Gattung Ranunculus (Smith, Bennett,1975) gezeigt wurde.

In der Gattung Paeonia läßt sich die Gesetzmäßigkeit der Verringerung des DNA-Gehaltes im Laufe der Spezialisierung der Arten bestätigen: Die in allen morphologischen Merkmalen am weitesten entwickelte und spezialisierte P.tenuifolia besitzt die kleinsten Chromosomen und den geringsten DNA-Gehalt, P.mlokosewitschi dagegen, mit der geringsten Spezialisierung unter den diploiden kaukasischen Päonien, besitzt mehrere große Chromosomen und den maximalen DNA-Gehalt.

Was verursachte die Verringerung des DNA-Gehaltes bei den diploiden Päonien? Es ist bekannt, daß eine Veränderung der Karyotypen und des DNA-Gehaltes vonstatten gehen kann als Ergebnis einer Veränderung der Chromosomenzahl (Anei-ploidie), oder als Ergebnis von Chromosomen-Umbauten, wie zum Beispiel bei den Gattungen Crepis (Asteraceae) (Jones, Brown, 1976), und Bulnesia (Zygophyllaceae) (Poggio et al., 1986), oder im Ergebnis von Veränderungen der Korrelation von Hetero- zu Euchromatin, wie bei Scilla (Greilhuber, 1979). Es sind aber, wie bereits früher gezeigt wurde, (Punina, 1987, 1989), bei den Vertretern der Gattung Paeonia weder eine Anei-ploidie beobachtet worden, noch ausgeprägte Chromosomen-Umbauten, noch wesentliche Variationen im Heterochromatin. Von Art zu Art ändern sich nur die Länge und Dicke der Chromosomen. Man kann davon ausgehen, daß das als Ergebnis von Veränderungen der Steigerung der Kompression verursacht wurde, wie das zum Beispiel bei den Gattungen Vicia (Wolfe, Martin, 1968), Anemone (Rothfels et al., 1966) und Pinus (Dhillon, 1980) gezeigt wurde.

In Verbindung mit dieser Frage ist der DNA-Gehalt bei Hybriden zwischen verschiedenen Arten interessant, ob sich deren DNA-Gehalt von ihren Elternarten unterscheidet. Logisch wäre anzunehmen, daß diese Hybriden einen mittleren Wert im DNA-Gehalt aufweisen, wie das z.B. bei Chrysanthemum segetum x Ch.coronarium (Dowrick, El-Bayoumi, 1969) gezeigt wurde.

Bei Hybriden der Gattung Microceris stellt sich die Situation anders dar: Der DNA-Gehalt der F1 war nicht im Mittelwert und entsprach bei jeder reziproken Kreuzung dem Gehalt der DNA einer Mutterart (Price et al., 1985).

In der Gattung Paeonia ist die Art P.lagodechiana von hybrider Herkunft, mit P.mlokosewitschi und P.caucasica als Elternarten. Das wurde experimentell nachgewiesen (Kakheladse, 1965; Kemularia-Nathadse, 1980). Die Vermessung der Dicke der Chromosomen erbrachte überraschende Ergebnisse. Wie schon erwähnt, betrug die Dicke der Chromosomen von P.mlokosewitschi 1.64, die von P.caucasica 1.37mm.

Es wäre anzunehmen gewesen, daß die Chromosomendicke der hybriden Art entweder im Mittel zwischen diesen beiden Werten liegt, oder der Dicke eines der Elternteile entspricht. Die Dicke betrug aber bei P.lagodechiana nur 1.24mm, war also noch kleiner, als die von P.caucasica .

M.S.Navashin (Navashin, 1934) untersuchte eingehend die experimentell erzeugten Hybriden der Gattung Crepis. Von ihm wurde ein Verschwinden von Satelliten bemerkt, ebenso eine Verkürzung aller Chromosomen einer Art im Cytoplasma des Hybriden und gleichzeitig ein Verschwinden der Unterschiede in der Dicke der Chromosomen bei den Hybriden. Für diese Erscheinungen prägte er den Terminus <Amphiplastie>, wobei er eine differentielle (die nur einzelne Chromosomen berührt, z.B durch das Verschwinden von Satelliten) und eine neutrale (Veränderungen der Länge und Dicke aller Chromosomen einer Art) Amphiplastie unterschied. Es bietet sich uns an, auch bei den hybriden Arten der Gattung Paeonia von einer Amphiplastie auszugehen, welche sich in Veränderungen der Länge der Chromosomen der jeweiligen Elternart ausdrückt, was sich in der Nivellierung der Unterschiede zwischen den Chromosomenpaaren zeigt (Punina, 1987). Ein Veränderung der Dicke der Chromosomen kann ähnlich zustande gekommen sein, die man ebenfalls als Amphiplastie interpretieren kann.

Bei der Untersuchung des DNA-Gehaltes von P.lagodechiana zeigte sich, daß er niedriger ist, als bei den jeweiligen Elternarten. Möglich, daß das damit zu erklären ist, daß P.lagodechiana evolutionär höherentwickelt ist, als die Elternarten. In diesem Sinne ist das Auftreten einer neutralen Amphiplastie beim vorliegenden Objekt erklärbar durch Verringerung des Ausmaßes der Kompression der Chromosomen. Allein diese Frage erfordert weitere speziellere Untersuchungen der unterschiedlichen Hybriden und hybriden Arten der verschiedenen systematischen Gruppen.

Bei der Untersuchung des DNA-Gehaltes von P.ruprechtiana erwarteten wir, daß er größer sein müsse als der von P.caucasica in dem Maße, wie das summierte Chromosomenvolumen um 30% größer war, als das summierte Chromosomenvolumen von P.caucasica . Aber im DNA-Gehalt waren diese praktisch nicht zu unterscheiden. Morphologisch unterscheiden sich diese beiden Arten nur wenig: Bei P.ruprechtiana sind die Blätter etwas breiter, als bei P.caucasica , sind manchmal fast rhombus-förmig, oberseits glänzend, ohne wächserne Schicht (bei P.caucasica sind die Blätter oberseits matt mit bzw. ohne Wachsschicht).

Bei der Untersuchung der S-Segmente der Chromosomen dieser Art (Punina, 1989) konnten keine Unterschiede festgestellt werden, die ausreichend gewesen wären, P.ruprechtiana als eigenständige Art hervorzuheben. Deshalb betonen wir, daß P.ruprechtiana nur als Variante von P.caucasica anzusehen ist; die Unterschiede in der Länge und Dicke der Chromosomen können durch einen unterschiedlichen Grad der Spiralisation der Chromosomen verursacht sein und, folglich, eine unterschiedliche Kompaktheit des Chromatins bei den mitotischen Chromosomen verursacht sein.

Bei der Untersuchung des DNA-Gehaltes der tetraploiden Arten der Gattung Paeonia konnten wir keine Abhängigkeiten zwischen dem Chromosomengesamtvolumen und dem DNA-Gehalt entdecken. Man kann lediglich feststellen, daß der DNA-Gehalt der tetraploiden Arten im Vergleich mit den diploiden Arten etwa doppelt so groß ist, was übereinstimmt mit dem doppeltem Chromosomenvolumen der Tetraploiden verglichen mit dem der diploiden. Folglich, gibt es bei den tetraploiden Arten der Gattung Paeonia keine Verminderung des DNA-Gehaltes im Genom.

Bei Vertretern anderer systematischer Gruppen wurden im Laufe der Polyploidisation sowohl ganzzahlige als auch nichtganzzahlige Vervielfachungen des DNA-Gehaltes beobachtet. So beobachteten Bennett, Smith (1971) bei polyploiden Arten der Gattung Hordeum und Das (1977) bei der triploiden Art Puschkinia libanotica eine ganzzahlige Vervielfachung des DNA-Gehaltes während der Polyploidisation, d.h. der DNA-Gehalt des Genoms blieb konstant.

Bei experimentellen Polyploiden ergeben sich nur bei niedrigen Polyploidisationsniveaus ganzzahlige Vervielfachungen des DNA-Gehaltes, bei höheren Niveaus der Ploidie beobachtet man eine starken Abfall des DNA-Gehaltes im Genom. Das wurde demonstriert bei Vicia faba (Deka, Sen, 1973), Morus und Rosa (Akhundova, 1974). Auch in der Natur tritt eine Verringerung des DNA-Gehaltes im Genom auf, z.B. bei Arten der Gattung Betula (Grant, 1969) und Festuca (Seal, 1983). Deshalb wäre es nötig nachzuweisen, was die ausschlaggebenden Faktoren für die Beibehaltung des DNA-Gehaltes des Genoms bei den tetraploiden Päonien sind - ihre taxonomische Stellung oder ihr niedriges Polyploidisationsniveau (4x).

Was die absoluten Maße der Chromosomen der tetraploiden Päonien im Vergleich mit den diploiden Arten betrifft, so findet im allgemeinen ein Wandel von Länge und Dicke der Chromosomen bei der Polyploidisation nicht statt, obwohl sich vereinzelt eine Verringerung demonstrieren läßt. Bei anderen Taxonen wurde bei der Polyploidisation sowohl eine Verringerung der Maße der Chromosomen (Ichicawa et al., 1971; Sharma, 1972), als auch ihre Konstanz (Das, 1977) nachgewiesen.

Bei der Gattung Chrysanthemum (Dowrick, El-Bayoumi, 1976) wurden bei verschiedenen Arten bei der Erhöhung des Ploiditätsniveaus sowohl verringerte, als auch konstante Chromosomenmaße beobachtet. Man glaubt, daß die Maße der Chromosomen sich verringern, wenn die Chromosomen der diploiden Ausgangsarten einen bedeutenden Gehalt an heterochromatischen Segmenten besitzen, und umgekehrt, wenn die Ausgangsarten wenig Heterochromatin besitzen, verändern sich die Maße der Chromosomen bei der Polyploidisation nicht. Wenn das so ist, kann man abschließend die beobachtete Konstanz der Maße der Tetraploiden als Indiz dafür ansehen, daß eine geringe Menge an Heterochromatin vorhanden ist.