Polyploidní komplexy

Polyploidizace patří mezi základní mikroevoluční procesy probíhající v rostlinných populacích. Odhady hovoří, že až 70 % všech cévnatých rostlin se vyvinulo právě tímto způsobem. Valná většina polyploidů navíc vznikla (a stále vzniká) opakovaně, přičemž jednotlivé linie mohou vykazovat soubor jedinečných charakteristik. Prosté znásobení počtu chromozómů se projevuje prakticky na všech sledovaných úrovních: od genetické variability, přes intenzitu fyziologických pochodů a hladinu obsahových látek, morfologickou variabilitu, fenologii a způsob reprodukce, až po rozdílné kompetitivní schopnosti jednotlivých cytotypů, jejich ekologické preference a geografické rozšíření.

Taxonomická studie Cardamine dentata v Čechách a v Polsku

Vedoucí: Karol Marhold (botukmar@savba.sk)

Cardamine dentata patří do problematického komplexu C. pratensis agg. Druh má variabilní počet chromozómů, který se pohybuje od cca 46 výše. Tento znak ji odlišuje např. od vlastní C. pratensis, která má max. do 40 chromozómů. Počty mezi mohou představovat křížence. Z naší republiky jsou k dispozici počty od A. Krahulcové a P. Tomšovic, na které by bylo možné navázat. C. dentata se s určitostí vyskytuje i v Polsku, karyologické ověření zdejších populací však dosud nebylo provedeno.


Cíle:

Cytometrická studie rodu Cardamine v evropském areálu

Vedoucí: Karol Marhold (botukmar@savba.sk)

V současné době je stále nedostatek studií, které se zabývají množstvím jaderné DNA u většího počtu druhů v rámci rodu, potažmo variability DNA v rámci širšího geografického areálu. Ve stádiu hypotéz se též pohybuje otázka příčin různého množství DNA u blízce příbuzných druhů. V rámci širšího projektu studia rodu Cardamine v Evropě je momentálně k dispozici rozsáhlý materiál mnoha druhů zejména z mediteránu (od Španělska po Kavkaz). Cílem DP je zjištění absolutního obsahu jaderné DNA metodou průtokové cytometrie a snaha najít možnou korelaci mezi evolučními vztahy taxony rodu Cardamine a množstvím jaderné DNA.

Experimentální hybridizace ve skupině Sorbus aria

Vedoucí: Tomáš Urfus (tomas.urfus@seznam.cz), konzultant: Jana Bílá

Sorbus aria agg. (jeřáb muk) je značně komplikovaná skupina našich dřevin, která se díky výskytu apomiktického rozmnožování zásadním způsobem podílí na vzniku stenoendemických druhů flóry ČR. Procesy evoluce a následné speciace jsou však v této skupině stále neznámé. Lze předpokládat, že zásadní podíl na vzniku nových druhů zde má zejména hybridizace a polyploidizace kombinované s různými způsoby rozmnožování (apomixie, haploidní partenogeneze a sexualita). Podobné otázky lze nejlépe zodpovědět pomocí experimentálních hybridizací, které lze díky možnosti roubování uskutečnit i u dřevin.

Navazující terénní práce (kombinovaná s průtokovou cytometrií) bude kromě území ČR soustředěna zejména na Slovensko a část Maďarska, které představují dosud nepoznané centrum diverzity skupiny. U získaného rostlinného materiálu budou posléze studovány příbuzenské vztahy pomocí analýzy mikrosatelitů (SSR).

Cíle:

Reprodukční systémy a polyploidie u Cystopteris fragilis agg.

Vedoucí: Tomáš Urfus (tomas.urfus@seznam.cz), konzultant: Kristýna Hanušová

Puchýřník křehký (Cystopteris fragilis agg.) je jednou z posledních záhadných skupin kapraďorostů ve střední Evropě. Za pravděpodobnou příčinu jeho variability lze považovat kombinaci polyploidie (4x, 5x, 6x a 8x) a různých reprodukčních způsobů (předpokládaný výskyt apomixie, resp. apogamie). Dle předběžných výzkumů je na území střední Evropy překvapivě velký podíl smíšených populací (4x a 6x), což lze jen obtížně vysvětlit. Smíšené populace je proto nutné podrobit intenzivní studii ploidní úrovně a reprodukčních způsobů.

Příbuzenské vztahy v rámci skupiny C. fragilis jsou stále nejasné a měly být stanoveny pomocí molekulárních přístupů (analýza mikrosatelitů). Propojení všech získaných dat umožní zásadním způsobem nahlédnout do variability skupiny i recentně probíhajících procesů v jejích jednotlivých populacích. Pro vypracování práce se předpokládá přibližně stejný díl terénní a laboratorní práce (průtoková cytometrie, kultivace gametofytů, analýzy mikrosatelitů).

Cíle:

Dynamika hyporeduplikace v genomu orchidejí

Vedoucí: Jan Suda (suda@natur.cuni.cz), konzultant: Jan Ponert

V pletivech mnoha rostlinných druhů dochází k endoreduplikaci (zdvojení obsahu jaderné DNA bez následné mitózy). U orchidejí se však kromě úplné reduplikace vyskytuje i tzv. hyporeduplikace, kdy se neduplikuje celý genom, ale jen jeho část (v závislosti na konkrétním druhu činí proporce c. 25-95%). Na rozdíl od celogenomové reduplikace existuje o hyporeduplikaci jen minimum údajů. Cytometrický screening napříč celou čeledí umožnil získat představu o četnosti typické reduplikace/hyporeduplikace v listových pletivech jednotlivých evolučních linií orchidejí. Cílem práce je pomocí průtokové cytometrie zjistit charakter (hypo)reduplikace v různých rostlinných pletivech (vegetativních i generativních) a v průběhu ontogeneze u vybraných druhů orchidejí lišících se ekologickými a cytogenetickými charakteristikami. Studium bude probíhat ve spolupráci s Botanickou zahradou hlavního města Prahy.

Cíle:

Jak se cytotypová variabilita Batrachium fluitans odráží v jeho ekologických a fenotypových charakteristikách?

Vedoucí: Zdeněk Kaplan (zdenek.kaplan@ibot.cas.cz), Pavel Trávníček

Batrachium fluitans (lakušník říční) je dalším druhem, který vykazuje cytotypovou diferenciaci. Na našem území byly dosud zjištěny 2 ploidní úrovně (diploidní, triploidní), zahraniční prameny udávají i tetraploidy. Předběžné údaje ukazují, že oba cytotypy mohou růst v téže geografické oblasti (Ralsko). Druh se vyskytuje ve většině českých řek (zejména v oblasti termofytika a mezofytika), z hlediska jeho biologie je zajímavá skutečnost, že se nejspíše rozmnožuje výhradně vegetativně. Podrobnější údaje o geografické distribuci jednotlivých ploidních úrovní, potenciálním společném růstu, ekologických nárocích cytotypů či jejich morfologické diferenciaci však stále nejsou známé.

Práce sestává zejména z terénního sběru populací (vzhledem k růstu druhu v řekách a ve větších potocích by si zájemce měl libovat v mokré obuvi a oděvu, vítáni jsou vodáci), sledování stanovištních poměrů, stanovení ploidie pomocí průtokové cytometrie a morfometrického zpracování.

Cíle:

Geografická partenogenéza a cytotypová vatiabilita v rode Hieracium s. str. - metaanalýza

Vedoucí: Patrik Mráz (mrazpat@natur.cuni.cz)

Agamospermia (apomixia) je asexuálny typ rozmnožovania prostredníctvom semien a vyskytuje sa v 21 čeľadiach cievnatých rastlín, najčastejšie v Asteraceae, Poaceae a Rosaceae. Mnohé agamospermické druhy osídľujú väčšie územie a ich areály ležia často severnejšie ako je to u ich blízko príbuzných sexuálnych druhov. Takýto patern sa nazýva geografická partenogenéza. Bolo navrhnutých viacero hypotéz, ktoré by mohli vysvetliť väčšiu kolonizačnú schopnosť apomiktov, ako napr. výhoda rozmnožovania jedného rodiča (uniparental reproduction; "Bakrov zákon"), hypotéza zmrazenej niky (frozen niche hypothesis; mnoho ekologicky úzko špecializovaných klonov je schopných spolu osídliť väčšiu niku ako sexuálne genotypy), "general-purpose-genotype hypotéza" (jeden veľmi plastický klon osídľuje veľký areál). V súčasnoti však máme len veľmi málo poznatkov nielen o platnosti týchto hypotéz ale aj o geografických paternoch v sexuálno-apomiktických komplexoch.

Rod Hieracium (jastrabník) je rodom s holarktickým rozšírením pričom väčšina druhov je tri- resp. tetraploidná a rozmnožuje sa apomikticky. Len zlomok druhov je diploidných a tie sa rozmnožujú sexuálne. Navyše sa zdá, že areály diploidov sú menšie a vyskytujú sa skôr v južnejších zemepisných šírkach, avšak akákoľvek kvantifikácia a štatistické porovnanie chýba.

Cieľom tejto štúdie je:

Práca je vhodná pre bakalárskeho študenta s možným pokračovaním na magisterskom stupni.

Kolonizácia nových stanovíšť a vplyv S-alel a sporofytickej self-inkompatility

Vedoucí: Patrik Mráz (mrazpat@natur.cuni.cz)

Osídľovanie nových stanovíšť je často sprevádzané silným "bottleneck" efektom, kedy sa len málo jedincov podieľa na založení novej populácie. U striktne self-inkompatibilných (cudzoopelivých) druhov, teda tých, ktoré potrebujú k produkcii potomstva iného jedinca, silné príbuzenské kríženie v malej populácii môže viesť k zníženiu celkovej viability populácie ("inbreeding depression") a dokonca až k jej zániku. Úspešné kríženie medzi jedincami u striktne cudzoopelivých druhov a teda aj ich osídľovacej schopnosti však záleží aj na počte tzv. S alel (kontrolujúcich kompatibilitu krížiacich sa jedincov) v populácií. Čím je počet S-alel v populácií väčší, tým je väčšia šanca, že väčší počet alel sa može preniesť aj do jedincov zakladajúcich novú populáciu.

Z paternu rozšírenia striktne cudzoopelivých diploidov a tetraploidov komplexu nevädze porýnskej (Centaurea stoebe) nielen v jej pôvodnom areáli (západná Ázia a Európa) ale aj v jej nepôvodnom (Severná Amerika) sa zdá, že tetraploidný cytotyp je lepším kolonizátorom nových stanovíšť ako diploidný cytotyp. Jedným z dôležitých faktorov ovplyvňujúcich úspešné založenie a prežívanie novej populácie môžu byť aj S-alely. Vzhľadom na ploidnú úroveň a navyše hybridogénny pôvod tetraploidného cytotypu predpokladáme, že počet S-alel u tetraploidov bude ďaleko vyšší ako u diploidov, a tým ich kolonizačná schopnosť bude vyššia. Počet S-alel budeme zisťovať v experimentálnom krížení medzi jedincami pochádzajúcich z veľkých a malých populácií di- a tetraploidov pochádzajúcich zo Slovenska, ktoré sú už sledované na vplyv príbuzenského kríženia (tento experiment bol založený v spolupráci s Univerzitou v Halle v Nemecku a s Univerzitou vo Fribourgu vo Švajčiarsku).

Práca je vhodná pre bakalárskeho študenta s možným pokračovaním na magisterskom stupni, resp. pre PhD študenta (v tomto prípade v spojení s nasledujúcou témou).

And the winner takes it all …Kto je lepším kolonizátorom - monokarpické diploidy alebo polykarpické tetraploidy z komplexu Centaurea stoebe s.l.? Demografické pozorovania a experiment

Vedoucí: Patrik Mráz (mrazpat@natur.cuni.cz)

Komplex nevädze porínskej (Centaurea stoebe s.l.) zahŕňa diploidný a tetraploidný cytotyp, Oba cytotypy sa vo svojom pôvodnom areáli (Európa a západná Ázia) vyskytujú sympatricky, avšak v zväčša v cytotypovo čistých populáciách. V sekundárnom areáli v Severnej Amerike boli spoľahlivo dokázané len tetraploidné populácie. Takýto patern môže byť spôsobený lepšou osídľovacou schopnosťou krátko žijúcich polykarpických (produkujúcich semená opakovane počas životného cyklu) tetraploidov, pričom diploidy sú spravidla dvojročné a monokarpické (tvoriacimi potomstvo len raz za život, po vysemenení hynú) alebo môže byť vysvetlený náhodným "founder" efektom.

Cieľom práce je porovnanie osídľovacej schopnosti di- a tetraploidov na umelo vytvorených disturbovaných plochách a sledovanie demografických aspektov oboch cytotypov počas 3-4 rokov, ako aj sledovanie demografie a zmien v priestorovej štruktúre cytotypov v zmiešaných prírodných populáciách (na Slovensku). Práca vhodná pre bakalárskeho študenta s presahom na magisterský stupeň, resp. pre PhD študenta (v tomto prípade v spojení s predchádzajúcou témou).

Vliv stupně ploidie na interakce rostlin s dalšími organismy (opylovači, symbionti, herbivoři, paraziti)

Vedoucí: Zuzana Münzbergová (zuzmun@natur.cuni.cz)

Existence různých cytotypů v rámci téhož druhu otevírá jedinečnou možnost studovat vliv ploidního stupně na interakce mezi rostlinou a jejími opylovači, symbionty (např. mykorhizními houbami), herbivory (hmyzem) a parazity (např. rzemi). Ačkoliv evoluce vztahů mezi různými cytotypy a dalšími skupinami organismů může hrát významnou roli při strukturování terestrických ekosystémů, studií zabývajících se uvedeným problémem je mizivý počet. Cílem studia je zjistit: 1) zda-li vybrané skupiny symbiotických či parazitických organismů "dovedou číst" rozdíly spojené se změnou stupně ploidie a preferují tedy určité cytotypy, 2) jaké vlastnosti cytotypů (morfologické, anatomické, sekundární metabolity, …) jsou určující pro vznik takových vazeb.

Diplomová témata budou probíhat ve spolupráci s katedrou zoologie PřF UK, oddělením bezcévných rostlin katedry botaniky či Botanickým ústavem AV ČR Průhonice.

Role diploidních sexuálních typů v mikroevoluci apomiktických komplexů - studie vybraných typů Hieracium subgen. Hieracium

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

Hieracium subgen. Hieracium zahrnuje v současné době vesměs polyploidní, apomikticky se rozmnožující typy. Sexualita je omezena pouze na diploidní typy (populace), kterých je sice velmi málo, ale v současné době mají zásadní význam v diferenciačních a mikroevolučních procesech. Práce je zaměřena na experimentální křížení (1) dvou sexuálních diploidů H. alpinum x H. transsilvanicum a H. alpinum x H. umbellatum (reciproká křížení) a (2) pyl produkujícího apomiktického tetraploida se sexuálním diploidem. Experimentálně získané rostliny následně porovnat s v přírodě rostoucími typy vzniklými pravděpodobně křížením stejných rodičovských druhů. Žádná podobná studie pro Hieracium subgen. Hieracium dosud není, jednalo by se tedy mimo jiné i první důkaz možnosti recentní hybridizace v tomto podrodu.

Srovnání ekologické úspěšnosti sexuálních a apomiktických rostlin

Vedoucí: František Krahulec, BÚ AV ČR Průhonice (krahulec@ibot.cas.cz)

Srovnání úspěšnosti apomiktických a sexuálních rostlin je většinou komplikováno skutečností, že se liší ploidií: apomikté jsou polyploidy, sexuální rostliny diploidy. Mezi zástupci jestřábníků podrodu Pilosella je však celá řada druhů či hybridogenních druhů, kde je možno najít sexuální i apomiktické rostliny na stejné ploidní úrovni. Proto výše uvedená problematika přímého srovnání není ovlivněna ploidií a je možno dělat přímé srovnání ekologické úspěšnosti. Práce je finančně podpořena grantem GAČR 206/08/0890.

Původ polyploidie u jestřábníků: produkují hybridy diploidních jestřábníků častěji neredukované gamety než rodiče?

Vedoucí:František Krahulec, BÚ AV ČR Průhonice (krahulec@ibot.cas.cz)

Diploidní zástupci jestřábníků z podrodu Pilosella mají extrémně pravidelnou meiosu a z tohoto důvodu neprodukují neredukované gamety ve snadno detekovatelných frekvencích. Je pravděpodobné, že jejich hybridy se chovají odlišně a proto by bylo možno využít cílené hybridizace a analýzy potomstva pro vzájemné srovnání druhů a hybridů z hlediska frekvence neredukovaných gamet, které znamenají start polyploidizačního procesu. Práce je finančně podpořena grantem GAČR 206/08/0890.

Ploidní variabilita v rámci Chenopodium album agg.

Vedoucí: Bohumil Mandák, BÚ AV ČR Průhonice (mandak@ibot.cas.cz)

Rod Chenopodium je z taxonomického hlediska velmi nedokonale prozkoumán. Zejména druhy patřící do skupiny C. album agg. jsou značně proměnlivé a v některých případech od sebe obtížně odlišitelné. Příčinou je (1) vysoký podíl autogamie, (2) přítomnost několika ploidních hladin, (3) v podstatě neznámá schopnost hybridizace mezi jednotlivými autogamickými liniemi a ploidními hladinami a (4) vysoká fenotypová plasticita.

Druhy skupiny C. album agg. vytváří polyploidní komplex, jež je na území České republiky reprezentován dvěma diploidními druhy (2n = 2x = 18) – C. suecicum a C. ficifolium, dvěma tetraploidními druhy (2n = 4x = 36) – C. strictum a C. striatiforme a třemi hexaploidními druhy (2n = 6x = 54) – C. album s. s., C. opulifolium a C. pedunculare.

Vymezení jednotlivých druhů je značně problematické a nedostatečně prozkoumané. Nevíme téměř nic o vazbě jednotlivých morfotypů na konkrétné ploidní hladiny, v podstatě neznámá je úloha hybridizace, podíl kříženců v populacích či možnost zpětného křížení a introgrese.

Cíle (jednotlivé body jsou spíše témata pro samostatné diplomové práce):

Analýza rodičovských vztahů uvnitř komplexu Chenopodium album agg. pomocí nového molekulárního markeru

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

Současným trendem moderní taxonomie je hledání a využívání jaderných markerů pro objasnění fylogenetických souvislostí a pro identifikaci rodičovských taxonů u polyploidních druhů. Podařilo se nám najit velmi dobrý marker, odlišující populace i druhy v rámci komplexu Chenopodium album agg., a to třetí intron genu FTL1 (homolog FLOWERING LOCUS T, klíčový gen regulace kvetení, kóduje faktor zvaný florigen). Aplikujeme tento marker pro objasnění původu Chenopodium quinoa, ve spolupráci s Brigham Young University, Provo, Utah, USA. Nicméně tento marker je vhodný pro studium všech druhů v rámci komplexu Chenopodium album agg., možná i ostatních druhů rodu Chenopodium. Diplomant si může vybrat okruh druhů, kterými se bude zabývat, zajímavé je srovnání druhů zavlečených k nám z USA a jejich protějšků z amerického kontinentu. Případnou hybridizaci zavlečených a domácích druhů z tohoto okruhu dosud nebylo možno studovat, nyní máme v rukou molekulární nástroj, který to umožní. Je zajištěna spolupráce s taxonomy, kteří určí jednotlivé taxony (dr. Rick Jellen z USA a dr. Jiří Dostálek z Průhonic).

Vlastní práce spočívá v PCR amplifikaci FTL1 intronu, klonování fragmentů v plazmidu, sekvenování a fylogenetické analýze (PAUP, MrBayes). Jsou možné i exkurze do oblasti květní biologie C. quinoa a C. rubrum, včetně studia genové exprese nejmodernějšími metodami. Diplomová práce je vhodná pro odvážné studenty- studentky, kteří se nebojí laboratoře a chápou, že to nejzajímavější se odehrává na hranici zelené a bílé biologie.

Literatura: