Home

Seks, maar niet in het openbaar

Van heel wat soorten gisten en andere schimmels is niet bekend of zij zich geslachtelijk of ongeslachtelijk voortplanten omdat bij hen nog nooit seksuele voortplanting of organen daarvoor zijn waargenomen. Het is echter wel van belang om te weten op wat voor wijze een soort zich voortplant, zeker in het geval van bijvoorbeeld ziekteverwekkers of genetisch gemodificeerde organismen. Hoe snel zal een soort immers resistentie opbouwen tegen een antibioticum of wat is het gevaar van de verspreiding van een ongewenste eigenschap? Tegenwoordig kan met moleculaire technieken de uitwisseling van genetisch materiaal worden vastgesteld. Zo kan indirect  worden bewezen of een soort zich geslachtelijk (uitwisseling) dan wel ongeslachtelijk (alle nakomelingen zijn klonen) voortplant.

Geslachtelijke of seksuele uitwisseling van erfelijke informatie kan leiden tot nieuwe combinaties van eigenschappen. Heel wat schimmels en gisten hebben zich echter nog nooit door wetenschappers laten betrappen op seksuele stadia. Met nieuwe moleculaire technieken kan echter bewezen worden of een soort stiekem aan seks doet of niet.

Seksueel versus aseksueel

Laten we allereerst eens kijken wat nu eigenlijk de verschillen zijn tussen geslachtelijke of seksuele voortplanting enerzijds en ongeslachtelijke of aseksuele voortplanting anderzijds. Algemeen geldt bij seksuele voortplanting, zowel bij dieren en planten maar ook bij gisten en andere schimmels, dat erfelijke eigenschappen van een nakomeling afkomstig zijn van beide ouders. De helft van de eigenschappen komt van vader en de andere helft van moeder. Toeval  bepaalt welke combinatie van erfelijke eigenschappen samenkomt in de nakomeling. Dit samenkomen van eigenschappen wordt recombinatie genoemd. Wat voor een schimmel een gunstige eigenschap kan zijn, kan voor de mens juist nadelig zijn. Eén voorbeeld: twee schimmels zijn elk resistent tegen een ander antibioticum: de ene tegen penicilline (P+), de ander tegen tetracycline (+T). Als deze twee schimmels geslachtelijk voortplanten dan ontstaan er vier typen nakomelingen. Elk type ontstaat met dezelfde kans en een kwart van de nakomelingen zal als volgt zijn: één type zonder enige resistentie (++), één type die resistent is tegen penicilline (P+), één type resistent tegen tetracycline (+T) en een type dat resistent is tegen beide antibiotica (PT). Als de schimmel nou een ziekteverwekker is dan kan het laatste type (met twee resistenties) de meeste problemen gaan opleveren. Voor de schimmel is het hebben van twee resistenties wel gunstig.

In het geval van ongeslachtelijke voortplanting is een nakomeling een exacte kopie of kloon van zijn ouder. Nieuwe combinaties van eigenschappen kunnen alleen ontstaan als er een verandering of mutatie optreedt in het erfelijke materiaal. De kans dat een spontane mutatie  een voor de schimmel gunstige eigenschap zal opleveren is echter maar heel klein.
Als twee ongeslachtelijke schimmels (opnieuw P+ en +T) nu elk een resistentie tegen een antibioticum bevatten, produceren ze elk afzonderlijk alleen maar nakomelingen met één resistentie (typen P+ en +T). De kans op het ontstaan van een dubbel-resistente nakomeling is erg klein omdat deze door mutatie moet ontstaan. Terwijl bij de geslachtelijke soort dit type nakomeling wel 25% zal uitmaken van het nageslacht.

Groot voordeel van ongeslachtelijke voortplanting is natuurlijk dat je geen partner nodig hebt. Een kleiner voordeel is dat áls een combinatie van gunstige eigenschappen is ontstaan dus eigenlijk alle nakomelingen van dat individu deze eigenschappen in het vervolg zullen hebben. Ben je perfect aangepast aan je omgeving, kun je zo voor die omgeving perfecte nakomelingen maken.
Bij een geslachtelijke voortplanting is er juist ook een kans dat combinaties van goede eigenschappen weer verloren gaan. Maar om je als soort makkelijker aan een wisselende omgeving aan te kunnen passen biedt seksuele recombinatie veel meer kansen op nieuwe geschikte combinaties van eigenschappen. Weet je niet waar je nakomelingen allemaal mee te maken kunnen krijgen kun je beter zo veel mogelijk verschillende nakomelingen produceren in de hoop dat er goeden bijzitten voor die nieuwe omgeving. Afhankelijk van de omstandigheden kun je dus verwachten dat aseksuele of juist seksuele voortplanting gunstiger is.

Mensen kunnen zich alleen geslachtelijk voortplanten. Van sommige schimmels en gisten is echter bekend dat ze zich zowel geslachtelijk als ongeslachtelijk kunnen voortplanten. De ene keer maken ze klonen en de andere keer zijn dit nakomelingen die via recombinatie zijn ontstaan met nieuwe eigenschappen dan zijzelf hadden. Zodra een soort zijn genetisch materiaal regelmatig door elkaar schudt of recombineert, spreken we van een seksuele soort.

Aseksueel tot het tegendeel bewezen is

Van veel gisten en andere schimmels weten we echter niet of ze zich geslachtelijk, ongeslachtelijk of door combinatie van beide kunnen voortplanten. Sommigen blijken niet of nauwelijks te kweken of  vinden we zelden of nooit terug in de natuur. Van heel wat schimmels en gisten zijn nog nooit organen waargenomen die nodig zijn voor geslachtelijke voortplanting. Een orgaan als een paddestoel is duidelijk waarneembaar. Een verzameling schimmeldraden die zich omvormen tot een millimeter groot geslachtelijke structuur is al heel wat lastiger waar te nemen en als het gaat om een enkele zich specialiserende schimmeldraad is dit bijna onmogelijk. Zonder voortplantingsorganen is geslachtelijke voortplanting nauwelijks direct waar te nemen. Alleen al van de zakjeszwammen (Ascomyceten) is van een derde van de bekende soorten geen geslachtelijk stadium bekend. Deze worden geacht aseksueel te zijn totdat het tegendeel bewezen kan worden. Maar is een soort écht aseksueel, of zijn de (laboratorium-)omstandigheden niet de juiste om seksuele voortplanting te bewerkstelligen?

De laatste jaren zijn er tal van methodes ontwikkeld waarmee het erfelijke materiaal, het DNA, tot op de moleculaire samenstelling bekeken kan worden. Het DNA bestaat uit strengen desoxyribonucleotiden en de volgorde van de verschillende nucleotide-bouwstenen kan worden bepaald. Het in kaart brengen van de volgorde van de nucleotiden wordt sequensen genoemd. Met deze techniek kunnen mutaties van zelfs één bouwsteentje worden opgespoord, die aan de buitenkant van het organisme niet eens zichtbaar hoeven te zijn. Deze moleculaire verschillen kunnen gebruikt worden om individuen uit elkaar te houden en ook om te bekijken of een soort al dan niet geslachtelijk voortplant.
Als er in een coderend stukje DNA, ook wel gen genaamd, een mutatie optreedt ontstaan er twee verschillende verschijningsvormen (of allelen). Bij iedere volgende verandering ontstaat er een volgend allel. Als je de mutaties over de generaties in een gen zou kunnen volgen en in een stamboom (of genealogie) zou kunnen weergeven wanneer een sequentie van bijvoorbeeld AAA naar AAT muteert (de stam AAA krijgt als het ware twee takken, een met AAA en eentje met AAT), kun je de hele ontstaansgeschiedenis van de verschillende allelen van een gen vastleggen. Voorbeelden van muterende genen staan in afbeelding 1, hier zijn de oorspronkelijke nucleotiden van een fictief gen weergegeven en in kleur de verschillende mutaties die erin optreden.
Omdat in werkelijkheid dit volgen van een gen vanwege de tijd en de enorme hoeveelheid werk dat dit vergt vaak vrijwel onmogelijk is, redeneren we juist vaak terug; van de allelen die we waarnemen naar de mogelijke voorouder die daaraan ten grondslag heeft gelegen. Vaak vergelijken we daarbij  verwante soorten (die vast niet allemaal op precies dezelfde plaatsen mutaties hebben opgelopen) om een voorouderlijke sequentie te achterhalen. Op deze manier kunnen we dus ook een stamboom maken over hoe verschillende allelen ontstaan kunnen zijn terwijl daar zo min mogelijk mutaties voor nodig zijn.

In een ongeslachtelijke soort is zoals al eerder gezegd iedere nakomeling een exacte kloon van zijn ouder met hetzelfde materiaal, tenzij er door mutatie nieuwe kenmerken optreden (zijtakken die ontstaan). Twee kenmerken die niet in dezelfde lijn optreden (verschillende takken in de boom) kunnen niet door recombinatie worden samengebracht. Tenzij in zeer zeldzame gevallen een eigenschap door toeval twee keer ontstaat.
In afbeelding 1 staan in de onderste helft voor een aseksuele soort de stambomen van twee genen weergegeven. Zonder mutaties zou er geen verandering optreden; een voorouder die voor het ene gen AAA is en voor het tweede gen GGG, produceert alleen maar nakomelingen die AAA en GGG zijn. Met mutaties kan er bijvoorbeeld een stam ATA GGG en een stam AAA TGA ontstaan. Omdat er geen recombinatie plaatsvindt ontstaat er dus geen stammen met bijvoorbeeld de combinatie ATA (ene ouder) en TGA (andere ouder) door recombinatie. Elk gen levert een keurige stamboom op, maar ook de combinatie van de data van de afzonderlijke genen levert een mooi duidelijk vertakkende stamboom op.
In een geslachtelijke soort daarentegen kunnen kenmerken juist wel door recombinatie samenkomen. Hier ontstaan dus door recombinatie wél nieuwe combinaties van allelen. Hierdoor lijkt het alsof data van afzonderlijke genen bij samenvoegen elkaar gaan tegenspreken. De duidelijke vertakkingen van de stamboom verdwijnen en de boom wordt minder opgelost omdat er té veel combinaties mogelijk zijn (zie ook top afbeelding1).

Afb.1. Theoretische weergave van de analyse om de levensstijl van een haploid organisme te achterhalen. Aan het begin van een boom staan de nucleotiden van een gen-in het zwart- zoals die in theorie in de voorouder gevonden zouden kunnen zijn. Deze voorouderlijke sequenties kunnen bijvoorbeeld bepaald worden door naar verwante soorten te kijken. Na iedere splitsing in de boom worden de nieuw ontstane allelen weergegeven met de gemuteerde nucleotiden in kleur. Aan de uiteinden van de takken staan de nucleotidenvolgorden zoals deze in de geteste stammen gevonden worden.
In de onderste helft de situatie bij een ongeslachtelijk voortplantende soort. Van een viertal verschillende stammen (I t/m IV) zijn een tweetal stambomen van twee genen (1 en 2) weergegeven. Een gen kan alleen door mutatie verschillende verschijningsvormen krijgen. Van de uiteindelijke allelen is een stamboom te herleiden hoe deze allelen vanuit de voorvader ontstaan kunnen zijn. Omdat er in de aseksuele soort geen recombinatie plaats vindt en de eigenschappen niet over nakomelingen geshuffeld worden levert het samenvoegen van de data van de afzonderlijke genen 1 en 2 levert geen conflicten op en ontstaat er een stamboom met duidelijke vertakkingen.
In de bovenste helft van de figuur zijn van een viertal geslachtelijk voortplantende stammen de stambomen van een tweetal willekeurige genen weergegeven. Voor elk gen kan er een stamboom gemaakt worden om de gevonden allelen te verklaren. Combinatie van de data van deze vier geslachtelijke stammen voor de twee genen levert echter een onopgeloste  boom op waarin niet duidelijk wordt welke splitsing wanneer heeft plaatsgevonden omdat de data door de opgetreden seksuele recombinatie elkaar zijn gaan tegenspreken.

Het samenvoegen van afzonderlijke data tot een geheel, verklikt dus of een soort recombineert. Laten we een drietal verschillende gevallen van vermeende aseksuele schimmelsoorten bekijken. Soorten waarbij nog nooit geslachtelijke voortplanting is waargenomen, maar waarbij het om verschillende redenen wel interessant is om te weten hoe zij zich voortplanten.

Eerste praktijkvoorbeeld: Coccidoiodes immitis

Een van de eerste vermeende aseksuele soorten die met de nieuwe moleculaire detectietechnieken werd bekeken, was de menselijke pathogeen (= ziekteverwekker) Coccidioides immitis. Deze schimmel komt voor in halfdroge gebieden van Amerika en kent  twee verschijningsvormen: één meercellig en in de bodem voorkomend, de ander ééncellig en inwendige infecties veroorzakend in zoogdieren - waaronder de mens - vermoedelijk na inademing van sporen. Van deze soort was niet bekend hoe ze zich voortplant: geslachtelijk en/of ongeslachtelijk. Recombinatie in een soort als deze, die 'Valley fever' veroorzaakt, kan betekenen dat nieuwe virulente typen makkelijker kunnen ontstaan en dat resistenties zich sneller in een populatie zouden kunnen verspreiden.

Afb. 2. Microscopische opname van Coccidioides immitis
(overgenomen van http://www.medsch.wisc.edu/medmicro/)

Een paar jaar terug was er plotseling een kleine epidemie van Valley fever, terwijl deze anders vrij zelden voorkomt. Austin Burt en zijn collega's hebben daarom verschillende isolaten van deze schimmel verzameld van patiënten en deze gedeeltelijk gesequenst. Van de verschillende bekeken fragmenten uit het DNA zijn afzonderlijke stambomen gemaakt en van alle data tezamen is ook een boom geconstrueerd. In deze totale boom vielen alle in de afzonderlijke boom gemaakte splitsingen helemaal weg. Uit de gegevens bleek dus overduidelijk dat er binnen de soort regelmatig recombinatie plaats vond en er dus een tot op heden onbekend geslachtelijk stadium van de schimmel moet zijn. Het optreden van recombinatie binnen de soort betekent ook dat nieuwe ziektegevallen verwacht kunnen worden.

Tweede praktijkvoorbeeld: Aspergillus flavus

Een ander voorbeeld van een vermeende aseksueel is Aspergillus flavus (zie afbeeldingen 3 en 4). In tegenstelling tot de vorige schimmel is dit een soort waar op veel grotere schaal onderzoek aan wordt verricht. Hij komt namelijk wereldwijd voor en is de producent van de zeer giftige en kankerverwekkende aflatoxines op onder andere noten, granen en katoen. De schimmel heeft een nauw verwante soort (Aspergillus oryzae), die echter geen toxines produceert en al meer dan 4000 jaar gebruikt wordt voor de productie van bijvoorbeeld soja-sauzen en sake.

Afb. 3. Aspergillus flavus op voedingsmedium in Petrischaal (overgenomen van http://ag.arizona.edu/plp/GIS)
Afb. 3. Aspergillus flavus op voedingsmedium in Petrischaal
(overgenomen van http://ag.arizona.edu/plp/GIS)

Geiser en zijn collega's verzamelden een flink aantal verschillende A. flavus-stammen voor analyse. Zij voegden als controle ook exemplaren van de nuttige nauw verwante soort toe. Verschillende genen werden gesequenst en aan de hand van deze gegevens werden (zoals beschreven) stambomen gemaakt. De combinatie van alle data tezamen leverde net als bij C. immitis het bewijs dat de A. flavus-populatie flink aan seks doet, niet met zijn nauwe verwant, maar zeker wel onderling wordt flink wat genetisch materiaal uitgewisseld. Weer een vermeende aseksueel minder. En bovendien is er de wetenschap dat recombinatie tussen verschillende A. flavus -stammen snel tot nog meer verschillende, mogelijk nog giftiger stoffen kan leiden!

Afb. 4. Elektronenmicroscopische opname van een conidiofoor (ongeslachtelijke voortplantings-structuur) van Aspergillus flavus (overgenomen van http://www.ansci.cornell.edu/plants/)
Afb. 4. Elektronenmicroscopische opname van
een conidiofoor (ongeslachtelijke voortplantings-
structuur) van Aspergillus flavus (overgenomen
van http://www.ansci.cornell.edu/plants/)
 
En tenslotte: Aspergillus niger

Geldt nu dat met de nieuwe technieken alle vermeende aseksuele soorten toch blijken te recombineren? Nou gelukkig niet, zo laat eigen onderzoek zien. Een familielid van Aspergillus flavus is de relatief onschuldige Aspergillus niger. Een schimmel die zwartgekleurde aseksuele sporen (conidiën) produceert en die veel - al dan niet na genetische modificatie - gebruikt wordt in de industrie voor de productie van onder andere citroenzuur, antibiotica en allerhande andere verbindingen. Ook deze schimmel is een echte kosmopoliet (komt over de hele wereld voor) en er is nooit een seksueel stadium bij waargenomen.
Stambomen van gesequenste genen zijn hier niet met elkaar in tegenspraak en er is hoogstens sprake van een klein beetje recombinatie. Niet door geslachtelijke uitwisseling zo lijkt het, maar doordat kleine stukken erfelijke informatie (DNA) mee kunnen liften met kleine parasitaire elementen (transposons) die mogelijk van de ene gastheer naar de andere gastheer kunnen over gaan. Blijkbaar is zelfs een aseksuele levensstijl geen garantie tegen recombinatie door parasieten! De kans dat er nieuwe vervelende varianten van Aspergillus niger door middel van seksuele voortplanting ontstaan is gelukkig ruststellend klein.

Ter afsluiting

Ook als soorten niet of slecht te kweken zijn, microscopisch klein zijn of als er maar een paar exemplaren van bekend zijn, kunnen we met de beschreven technieken informatie uit hun genetisch materiaal halen om ons te vertellen wat voor levensstijl die soort er op nahoudt. Een seksuele voortplantingswijze betekent dat een soort zijn genetisch materiaal zo door elkaar schudt en verdeelt over zijn nakomelingen dat er nieuwe eigenschappen ontstaan die ons mensen voor allerlei problemen kunnen stellen. Daarbij moet je denken aan nieuwe resistenties, nieuwe toxines of andere ongewenste eigenschappen. Nog een vervelende bijkomstigheid van geslachtelijke voortplanting ondervindt men in de biotechnologie. Een door de mens ingebouwde of veranderde eigenschap kan zo ook weer sneller verdwijnen uit een populatie. Met kennis over de voortplantingswijze van schimmels en gisten kunnen we ons in ieder geval beter voorstellen wat we van zo'n soort kunnen verwachten.


Auteur: dr. ir. Anne D. van Diepeningen