Fylogeneticko – biogeografická témata diplomových prací

Záhady v rodu Crocus v České republice

Vedoucí: Jindřich Chrtek, BÚ AV ČR Průhonice (chrtek@ibot.cas.cz)

V ČR jsou tradičně rozlišovány dva druhy šafránů – diploidní Crocus albiflorus, známý ze Šumavy, Novohradských hor, Krkonoš, menší arely na Valašsku a několika dalších izolovaných lokalit a tetraploidní C. heuffelianus (nebo C. discolor, pakliže je rozlišován na druhové úrovni) zasahující od východu do karpatských pohoří na v. Moravě a vyskytující se i v Orlických horách. Mnoho nejasností je spojeno už s těmito druhy (např. otázka původnosti C. albiflorus na Valašsku a v Krkonoších, nápadná mezipopulační variabilita rostlin označovaných jako C. heuffelianus – čím je způsobená?), navíc ale k těmto druhům přistupuje více populací nejasného taxonomického postavení, o kterých se tradičně soudí, že jde o vysazené zahradní hybridy, příp. vysazené rostliny dovezené z j. Evropy. Nicméně se ukazuje, že mnohé z těchto „zvláštních“ populací jsou navzájem morfologicky identické a situace bude možná jednodušší, než se na první pohled zdá.

Cíle práce:

Co vlastně je bříza karpatská (Betula carpatica)?

Vedoucí: Tomáš Fér (tomas.fer@centrum.cz)

Bříza karpatská je taxonem odlišovaným od břízy pýřité (Betula pubescens), se kterou také často, zvláště v horských polohách, pravděpodobně hojně hybridizuje. Kromě toho není vyloučena hybridizace s břízou bělokorou (B. pendula) a byl popsán i taxon B. „petraea“, o jehož původu se pouze spekuluje. To vše má za následek velkou variabilitu (horských) populací a nejasnosti při určování, o který druh jde.

Cíle práce:

Jelikož břízy jsou pionýrskými dřevinami na pasekách v horských lesích a jsou lesnicky využívané při pěstování lesa, bude mít výsledek práce i praktický dopad. Lesníci potřebují vědět, s jakým druhem vlastně pracují, jaký je rozsah jeho variability, zda a jak se dá poznat a jestli jsou populace v jednotlivých pohořích natolik geneticky rozrůzněné, že je nutné používat místní, lokálně adaptované genotypy.

Práce bude probíhat ve spolupráci s Lesnickou fakultou ČZU, kde se zabývají studiem populací břízy v Krkonoších a Jizerských horách.

Využití sekvenování DNA a AFLP fingerprintingu v molekulární systematice makaronéského rodu Pericallis

Vedoucí: Tomáš Fér (tomas.fer@centrum.cz)

Rod Pericallis je endemickým rodem makaronéské oblasti (Kanárské ostrovy, Madeira, Azory). Na každém ostrově roste jeden nebo několik endemických druhů, některé jsou si navzájem velmi podobné. Publikované nebo připravované studie založené na sekvenování ITS a tří nekodujících úseků chloroplastové DNA příliš nedokázaly odlišit některé druhy a zároveň naznačily hybridní původ některých druhů. Kromě sekvenování dalších úseků DNA (včetně specifických markerů pro příbuzný rod Senecio) bude v této práci využito i výhod AFLP fingerprinting, který je v současnosti standardní metodou používanou v molekulární systematice a vhodně doplňuje sekvenční data. Další otázkou je také zjištění vnitropopulační diverzity u vybraných druhů a podobností mezi populacemi. Z toho se dá usuzovat na možnosti šíření mezi populacemi nebo i jednotlivými ostrovy. Také k odpovědi na tyto otázky bude využita metoda AFLP. Materiál pro analýzy bude získán výsevem nasbíraných semen nebo vlastními sběry v makaronéské oblasti.

Genetická variabilita plavínu štítnatého (Nymphoides peltata) v rámci ČR a Evropy Vedoucí: Tomáš Fér (tomas.fer@centrum.cz)

Plavín štítnatý je ohroženým druhem naší květeny. V současné době je podchycen jeho současný výskyt, na několika lokalitách je prováděn management, který umožňuje jeho přežívání a další šíření. Pro smysluplnou ochranu genofondu je potřeba znát rozsah genetické variability uvnitř jednotlivých populací a v rámci celé republiky. Také se z předběžných analýz zdá, že se u nás vyskytují dvě morfologicky odlišitelné formy. Rozsah variability (morfologické i genetické) by bylo dobré srovnat s rostlinami z okolních zemí, příp. celého areálu. Genetická variabilita bude hodnocena pomocí mikrosatelitových markerů, případně průtokové cytometrie.

Evoluční historie a využití nových molekulárních metod u nejbližších příbuzných rostlinného modelu Arabidopsis thaliana (okruh více možných prací)

Řeřišničníky (Arabidopsis, dříve řazené do samostatného rodu Cardaminopsis) jsou sesterskou skupinou k modelu rostlinné molekulární biologie – Arabidopsis thaliana. V kontrastu s podrobnými znalostmi tohoto modelového druhu víme o ostatních zástupcích rodu Arabidopsis velmi málo, a to přestože centrum jejich diverzity máme doslova za humny – ve střední Evropě. Nejméně probádanou skupinou je přitom okruh řeřišničníku písečného (Arabidopsis arenosa). Zatím víme, že zahrnuje zástupce s odlišnými počty chromozómových sad (diploidy a tetraploidy), které se společně vyskytují v centru diverzity tohoto komplexu – Karpatském oblouku. Zde se vyznačují velkou pestrostí v morfologii i ekologických preferencích – rostou od pahorkatin do vysokých hor, v bezlesí i v lesích a jsou schopni se šířit na druhotná stanoviště. Dosud však nevíme, jaké je rozšíření a vzájemné vztahy di- a teraploidů, jaká je evoluční historie celého komplexu a dokonce ani kolik druhů okruh řeřišničníku písečného vlastně zahrnuje.

Nabízené bakalářské a navazující magisterské práce mohou směřovat jak do terénně zaměřených oblastí evoluční ekologie, tak i k molekulární biologii (viz následující okruhy témat, v případě zájmu je samozřejmě možnost jejich úpravy). Vzhledem k podrobné znalosti příbuzného modelového druhu se budeme moci opřít o množství informací z genetiky i metod manipulace s těmito rostlinami. Zjištěné poznatky pak slibují obecné uplatnění v biologii rostlin. Náklady na projekt jsou na roky 2012-2015 pokryty financováním GAČR.

Evoluční ekologie a vztahy linií s odlišným stupněm ploidie

Vedoucí: Magdalena Lučanová (kubesovm@gmail.com), Filip Kolář (filip.kolar@gmail.com)

Bakalářská a magisterská práce bude zaměřena na studium evolučních procesů probíhajících na kontaktu jedinců s odlišnou ploidií – zjištění detailního rozšíření di- a tetraploidů ve vymezeném území, frekvence křížení mezi nimi, selekce proti triploidním hybridům apod. Další Bc. a Mgr. práce bude zacílená na objasnění morfologické variability karpatských rostlin, její srovnání s molekulárními a cytologickými daty a vymezení popř. popsání jednotlivých druhů v rámci okruhu Arabidopsis arenosa.

V rámci řešení práce budou využity následující metody:

  • terénní výzkumy ve slovenských Karpatech (a v případě zájmu i rozšíření do Rumunska či na Ukrajinu)
  • průtoková cytometrie, karyologie, morfometrika
  • hybridizační experimenty a studium reprodukční biologie přírodních populací

Využití nových molekulárních technik ve studiu evoluce rostlin

Vedoucí: Eliška Záveská (zaveskae@email.cz)

Vzhledem k blízké příbuznosti s modelovým druhem Arabidopsis thaliana se otevírají široké možnosti využití celé škály nových atraktivních metod, které jsou ve výzkumu planých rostlin zatím jen zřídka využívány. Bakalářská a magisterská práce bude zaměřená na průzkum možností využití některé z těchto nových molekulárních technik a její srovnání s výsledky již etablovaných metod v rostlinné evoluční biologii a biosystematice. Získané výsledky pak budou využity v rekonstrukci evoluční historie celé skupiny A. arenosa.

V rámci práce mohou být využity některé z následujících metod:

  • nové metody v molekulární ekologii rostlin – nová generace sekvenování (NGS), detekce single-nucleotide polypmorphisms (SNPs), sekvenování single-copy jaderných genů
  • srovnání s klasickými technikami molekulární ekologie – AFLP, mikrosatelity, sekvenování chloroplastové DNA
  • možnost účasti na terénních i cytologických výzkumech

Genetická variabilita Mimulus guttatus ve střední Evropě

Vedoucí:Jindřich Chrtek, BÚ AV ČR Průhonice (chrtek@ibot.cas.cz), Tomáš Fér

Mimulus guttatus je severoamerický druh, přivezený do Evropy jako okrasná rostlina na počátku 19. století. Z našeho území pocházejí první doklady zhruba z poloviny 19. století, druh se s oblibou pěstoval zejména v horských oblastech a začínal zplaňovat, místy zdomácňovat a šířit se podél řek do nižších poloh. V současnosti je nejvíce rozšířen na březích a náplavech potoků a řek na sz. Šumavě a v jejím podhůří, více lokalit je ale např. i na Domažlicku, v horním Poohří, Podkrušnohoří, podhůří Brd, v Labských pískovcích, Podkrkonoší, v podhůří Hrubého Jeseníku i jinde, obecně zejména v horských a podhorských subatlantsky laděných územích. Nápadné jsou přitom značné rozdíly v četnosti výskytu v poříčí jednotlivých řek, které mohou být (kromě jiných příčin…) způsobeny i genetickými rozdíly a různou schopností šíření jednotlivých genotypů. Druh je vhodným modelovým příkladem pro studium genetické diferenciace a uspořádání genetické variability podél vodních toků (růst genetické diverzity po proudu, příp. vyvrácení této hypotézy, druh je vedle hydrochorie i anemochorní), rychlosti šíření (v mnoha případech je poměrně přesně známa doba zplanění a začátek šíření) apod.

Cíle práce:

  • zjistit genetickou diverzitu a diferenciaci na území ČR, případně sousedních území
  • zjistit vztah mezi genetickou a geografickou vzdáleností a příp. genetické rozdíly mezi povodími vybraných řek
  • zjistit vztah mezi genetickou diversitou a četností výskytu v určitém povodí
  • pokusit se zkoumat další faktory potenciálně určující frekvenci výskytu v jednotlivých povodích (produkce semen, nabídka vhodných stanovišť, doba od počátku šíření, apod.)

Metodické přístupy: Analýza DNA (AFLP nebo mikrosatelity, cpDNA), analýza isoenzymů (část analýzy isoenzymů již byla provedena).

Molekulární analýza příbuzenských vztahů vybraných taxonů rodu Potentilla, zejména P. collina agg.

Vedoucí:Petr Havlíček (pethavlicek@seznam.cz), Tomáš Fér

V okruhu mochny chlumní (P. collina) existuje řada problematických hybridních a hybridogenních taxonů. Cílem této práce by bylo pomocí klasických (morfometrických) i moderních (cytometrických a molekulárních) metod jednoznačně definovat jednotlivé druhy a zjistit dynamiku tvorby hybridních a hybridogenních typů. Práce by vycházela z velmi dobré znalosti lokalit jednotlivých taxonů/typů (spolupráce s J. Sojákem). Práce kombinuje terénní sběry v rámci celé ČR, případně okolního území s cytometrickými a molekulárními (sekvenování, AFLP) analýzami.

Jak vznikaly hybridogenní (vedlejší) druhy v rodu Hieracium – monofyletický vs. polytopní původ

Vedoucí:Jindřich Chrtek, BÚ AV ČR Průhonice (chrtek@ibot.cas.cz)

Taxonomicky jsou v rámci rodu Hieracium rozlišovány jednak tzv. základní (hlavní) druhy, o kterých se předpokládá, že nejsou hybridního původu a tzv. vedlejší druhy, které zřejmě (na základě morfologických znaků) vznikaly hybridizací dvou nebo více základních druhů. Téměř naprostá většina vedlejších druhu jsou dnes polyploidní apomikti, rozmnožující a rozšiřující se nezávisle na rodičovských druzích. V mnoha případech pak mají poměrně velké geografické areály, v případě horských druhů zahrnující např. Alpy, Západní Karpaty a Krkonoše. Základní a nejzajímavější otázka se ale týká jejich původu – jsou monofyletické (tj. vznikly pouze jednou a pak se šířily do jednotlivých pohoří) nebo zahrnují morfologicky (téměř) stejné ale nezávisle na více místech vznikající (křížením rodičovských druhů) populace? Jsou některé apomiktické „klony“ rozšířeny ve více pohořích střední Evropy? Nebo má každé pohoří vlastní „klon“. Jako modelové příklady budou vybrány 2 horské hybridogenní druhy, rostlinný materiál je z ca 1/2 k dispozici.

Metodika: Analýza DNA (AFLP, cpDNA), isoenzymy, průtoková cytometrie (stanovení ploidie), zjištění způsobu reprodukce.

Podporují molekulární markery odlišování druhů zdrojovek (rod Montia) na základě skulptury semen?

Vedoucí: Zdeněk Kaplan (zdenek.kaplan@ibot.cas.cz), Tomáš Fér

Zdrojovky (rod Montia) jsou silně ohrožené a ustupující rostliny. Jejich taxonomické hodnocení a odlišování je prakticky založeno na jediném znaku – na rozmístění bradavčitých výrůstků na povrchu semen. U taxonomických hodnocení založených na velmi málo znacích obecně hrozí, že používaný znak není z evolučního hlediska relevantní a následně jsou rozlišovány fiktivní druhy. K odhalení skutečné genetické struktury a možnosti taxonomického hodnocení uvnitř této skupiny budou využity vybrané metodiky analýzy DNA.

Cíle práce:

  • sběr rostlin v terénu a zjištění morfologické variability jejich semen
  • vyhledání vhodného molekulárního markeru s adekvátní mírou variability analýzy DNA
  • zjištění míry kontinuity vs. diskontinuity v genetické variabilitě na rodové úrovni
  • porovnání míry korelace mezi skulpturou osemení a molekulárními daty

Cytometrická studie čeledi Potamogetonaceae

Vedoucí: Zdeněk Kaplan (zdenek.kaplan@ibot.cas.cz), Jan Suda

Ačkoliv je v rámci čeledi poměrně velká variabilita v počtu chromozómů, dosud nebyla zpracována studie variability obsahu jaderné DNA metodou průtokové cytometrie. Cytometrické postupy umožňují relativně snadné porovnávání vzorků i v těch případech, kdy je stanovení počtu chromozómů technicky obtížné. Poměrně často lze v přírodě nalézt křížence, k bezpečné identifikaci některých z nich je však potřeba využívat časově i finančně náročné molekulární analýzy. Alespoň v těch případech, kdy se rodičovské druhy liší ploidní úrovní, by však bylo možné provádět detekci potenciálních kříženců pomocí průtokové cytometrie a provádět tak rozsáhlejší screening v populacích a efektivněji odhalovat dosud nedetekovanou diverzitu.

Cíle práce:

  • základní popis variability obsahu jaderné dna metodou průtokové cytometrie
  • detekce kříženců s odlišným obsahem jaderné dna
  • ověření počtu chromozómů vybraných vzorků
  • pokusit se najít korelace mezi evolučními vztahy a velikostí genomu

Materiál:
Vzorky rdestů ze všech kontinentů jsou již nyní k dispozici na Experimentální zahradě BÚ v Průhonicích, pár kroků od cytometrické laboratoře. Další vzorky budou dosbírány v terénu.

Jak souvisí extrémní variabilita mitochondriálního genomu u Silene vulgaris s jejím způsobem rozmnožování (gynodioecie)?
Genetický drift na úrovni organel. (Soubor několika námětů pro diplomové práce)

Vedoucí: Helena Štorchová, ÚEB AV ČR Praha-Lysolaje (storchova@ueb.cas.cz)

Silene vulgaris se stala modelovou rostlinou pro výzkum gynodioecie (rozmnožovací způsob založený na společném výskytu samičích a hermafroditických rostlin v populacích) a cytoplazmatické pylové sterility (CMS) v přírodních populacích. Dosud však u ní nebyl popsán žádný gen zodpovědný za CMS. První práce specifikující možného kandidáta CMS u S. vulgaris vychází letos z naší laboratoře.

Gen pro CMS je genem mitochondriálním (mt) a jeho existence ovlivňuje dramatickým způsobem dynamiku mt genomu. Vysoký stupeň diverzity a polymorfismu mt DNA je zřejmě udržován selekcí závislou na frekvenci, která je spjata s rozmnožovacím způsobem gynodiécie. K testování této hypotézy plánujeme srovnat variabilitu v oblasti nekódující mt DNA v evropských populacích S. vulgaris a S. latifolia (dvoudomý druh). V rámci populačně genetického studia S. vulgaris se chceme zaměřit na populace z Alp, které jsou ryze hermafroditické. Populační studia budou provázena sekvenováním kompletního mt genomu vybraných haplotypů pomocí 454 sekvenování.

U S. vulgaris byl zjištěn častý výskyt mt heteroplazmie (výskyt dvou či více různých mt genomů v tomtéž jedinci), způsobené zřejmě paternálním přenosem mt genomu. Nalezli jsme dokonce jedince, kteří obsahují dvě velmi různé kopie atp1 genu (podjednotka ATP syntetázy, esenciálního enzymu všeho živého), které se evolučně rozešly před několika miliony lety. Různorodá sekvence vedla k návrhu primerů, vhodných pro kvantifikaci pomocí qPCR. Tento nástroj umožňuje sledovat osud různých kopií mt DNA v jednotlivých orgánech rostliny v průběhu ontogeneze i jejich předávání následující generaci. Existují jevy jako genetický drift či bottlenecking v populacích organel v jedné rostlině? Naše primery dovolují též odlišit kvantitativně expresi z jednotlivých kopií atp1 genu, což je v jiných systémech nemožné.

Výzkum S. vulgaris probíhá v úzké spolupráci s laboratoří MS Olsona, Fairbanks, Aljaška, USA. Účast při vytváření matematických modelů chování organel přislíbil Curt Lively z Indiany, USA.

Je zřejmé, že z pestré palety studijních námětů si mohou vybrat studenti ekologického i molekulárního zaměření (obojí již není nutno od sebe oddělovat). Podmínkou je hluboký zájem o zvolené téma, pracovní nasazení, zodpovědnost, ochota naučit se mnoho nového.

Literatura:

  • Štorchová H. (2010): Tyčinky, pestíky a evoluce. Vývoj rozmnožovacích systémů kvetoucích rostlin. Vesmír 89(1):50-51
  • Elansary H.O., Muller K., Olson M.S., Štorchová H. (2010): Transcription profiles of mitochondrial genes correlate with mitochondrial DNA haplotypes in a natural population of Silene vulgaris. BMC Plant Biology 10: 11
  • Štorchová H., Olson M.S. (2004). Comparison between mitochondrial and chloroplast DNA variation in the native range of Silene vulgaris. Molecular Ecology 13: 2909-2919.

Fylogeografie vybraných druhů rodu Loricaria (Asteraceae) v rovníkových Andách

Vedoucí: Eva Dušková (jezanek@gmail.com)

Komparativní studie procesu vzniku a diverzifikace horské flóry v kontextu pleistocenních klimatických změn a topografie rovníkových And na přikladu 2 blízce příbuzných druhů s podobnými stanovištními nároky, ale kontrastním geografickým rozšířením. Otestování hypotézy o odlišné migrační historii těchto dvou druhů bude využívat aplikace moderních molekulárních technik (AFLP, sekvenování DNA) na materiálu, který byl sesbírán v letech 2008-2009. Financování projektu je zajištěno.