Výzkum

V rámci výzkumné práce na oddělení cévnatých rostlin se věnujeme studiu evolučních mechanismů u vyšších rostlin v širokém slova smyslu včetně přesahů do biosystematiky, taxonomie, ekologie a fytogeografie. Pro zodpovězení našich otázek využíváme široké spektrum metod od základní terénní práce, přes ekologické a hybridizační experimenty, morfometriku, průtokovou cytometrii, moderní cytogenetiku až po rozličné molekulární metody. Naše oddělení mimojiné úzce spolupracuje s Botanickým ústevem AV ČR v Průhonicích. Konkrétní výzkum se vydává několika základními, vzájemně se prolínajícími směry (viz níže).

Výzkum na oddělení by se neobešel bez grantů a spolupráce se zahraničními institucemi.

Výzkumné skupiny

Plant ecological genomics - https://botany.natur.cuni.cz/ecolgen/
Filip Kolář, Emma J. Morgan, Guillaume Wos, Magdalena Holcová, Veronika Konečná, Magdalena Lučanová, Doubravka Požárová
We are interested in the evolutionary processes shaping diversity in natural plant populations. The main focus of our group is to reveal triggers and evolutionary consequences of whole genome duplication, and parallel environmental shifts across multiple populations. To do so, we combine a wide range of genetic (genome resequencing, RNAseq, flow cytometry) and ecological (field surveys, chamber and transplant experiments) approaches. We build our hypotheses using comprehensive knowledge of range-wide natural variation of our study systems, primarily wild members of the leading plant model genus Arabidopsis . This enables us to leverage the extensive knowledge on Arabidopsis thaliana to understand the links between the variation observed in the field and the genomic, functional and eco-physiological background of our study species.

Genome size, polyploidy and reproductive strategies of alpine plants along cordilleras in the Americas
Petr Sklenář, Tomáš Urfus and Jan Ptáček
Our group is interested in genome size variability, polyploidy and reproductive strategies of alpine plants of Andes in Ecuador, Bolivia and Argentina with comparison to Rocky Mountains in the USA. We use Flow Cytometry for evaluation of the absolute genome size and DNA ploidy level. We use FCSS (Flow Cytometric Seed Screening) to test angiosperm reproductive modes and combination of in vitro cultures of gametophytes and Flow Cytometry to find out the breeding system of ferns.

Mikroevoluční procesy u kryptogamických rostlin
Tomáš Urfus, Kristýna Hanušová and Jan Ptáček
Jsme skupina zabývající se polyploidií, hybridizací a reprodukčními způsoby kapraďorostů. Mezi naše hlavní metody patří in vitro kultivace gametofytů, průtoková cytometrie (všech vývojových stádií od spor přes gametofyty až po sporofyty), morfometrika včetně kalkukulace indexu abortace spor a délky exospor a experimentální křížení gametofytů. Naším spolupracovníkem je skupina Libora Ekrta z Přírodovědecké fakulty v Českých Budějovicích.

Apomixis research group
Patrik Mráz, Jindřich Chrtek, Matthias Hartmann, Viera Mrázová, Ladka Paštová, Jan Pinc, Pavel Zdvořák
Apomixis (agamospermy) is an asexual reproduction of plants by means of seeds which are formed from the unreduced female gametes parthenogenetically. Although apomixis is relatively rare, being found in ca 2.2 % of angiosperm genera, in those groups where it occurs it seems to be very successful. Apomixis is tightly coupled with interspecific hybridization and polyploidization, and provides a reproductive assurance in otherwise sterile hybrids. Furthermore, apomixis represents one of the most effective reproduction barriers and therefore it plays an important role in plant speciation. Despite its evolutionary significance we know still little about its origin, expression, transfer to sexual congeners and impact on fitness, distribution (geographical parthenogenesis) and adaptive potential of apomitic lineages.
Using representatives of the genera Hieracium L. (s.str.) characterized by diplosporic apomixis and in less extent also Pilosella Hill with aposporic apomixis (both Asteraceae, tribus Lactuceae) we study evolutionary and ecological aspects of apomictic reproduction. To these aims and in close collaboration with Judith Fehrer and Alexander Belyayev's research groups from the Institute of Botany, the Czech Academy of Sciences in Průhonice, we use large spectrum of methodological approaches starting from field survey, ecological field or greenhouse experiments, experimental hybridization, multivariate morphometrics, herbarium revisions and embryology, and ending with genetic analyses which cover karyology (including fluorescense and genomic in situ hybridization), flow cytometry, molecular fingerprinting and phylogenetic analyses based on single or multicopy genes, including next generation sequencing methods. An importnat part ouf our work are taxonomic revisions of selected species groups providing a basis for evaluation of diversity and distributional patterns.

Selected publications

  • Belyayev A, Paštová L, Fehrer J, Josefiová J, Chrtek J, Mráz P. 2018. Mapping of Hieracium (Asteraceae) chromosomes with genus-specific satellite DNA elements derived from next generation sequencing data. Plant Systematics and Evolution (in press). https://doi.org/10.1007/s00606-017-1483-y
  • Chrtek J Jr. 1997. Taxonomy of the Hieracium alpinum group in the Sudeten Mts., the West and the Ukrainian East Carpathians. Folia Geobotanica et Phytotaxonomica 32: 69–97.
  • Chrtek J jun. 2004. Hieracium L. – jestřábník. In: Slavík B, Štěpánková J (eds.), Květena České republiky 7: 540–701, Academia, Praha.
  • Chrtek J jun, Mráz P & Severa M. 2004. Chromosome numbers in selected species of Hieracium s.str. (Hieracium subgen. Hieracium) in the Western Carpathians. Preslia 76: 119–139.
  • Chrtek J, Plačková I. 2005. Genetic variation in Hieracium alpinum (Asteraceae) in the Krkonoše Mts (West Sudeten Mts, Czech Republic). Biologia (Bratislava) 60: 387–391.
  • Chrtek J jr, Tomková M, Mráz P, Marhold K, Plačková I, Krahulcová A, Kirschner J. 2007. Morphological and allozyme diversity in the Hieracium nigrescens group (Compositae) in the Sudety Mountains and the Western Carpathians. Botanical Journal of the Linnean Society 153: 287–300.
  • Chrtek J jun, Mráz P. 2007. Taxonomic revision of Hieracium nigrescens agg. in the Western Carpathians. Preslia 79: 45–62.
  • Chrtek J, Zahradníček J, Krak K, Fehrer J. 2009. Genome size in Hieracium subgenus Hieracium (Asteraceae) is strongly correlated with major phylogenetic groups. Annals of Botany 104: 161–178.
  • Chrtek J, Hartmann M, Mrázová V, Zdvořák P, Štefánek M, Mráz P. 2018. Seed traits, terminal velocity and germination in sexual diploid and apomictic triploid Hieracium alpinum (Asteraceae): are apomicts better dispersers? Flora 240: 76–81.
  • Fehrer J, Krak K, Chrtek J. 2009. Intra-individual polymorphism in diploid and apomictic polyploid hawkweeds (Hieracium, Lactuceae, Asteraceae): disentangling phylogenetic signal, reticulation, and noise. BMC Evolutionary Biology 9: 239.
  • Frey DJ, Haag CR, Kozlowski G, Tison J-M, Mráz P. 2012. High genetic and morphological diversity despite range contraction in the diploid Hieracium eriophorum (Asteraceae) endemic to the coastal sand dunes of South-Western France. Botanical Journal of the Linnean Society 169: 365–377.
  • Hand ML, Vít P, Krahulcová A, Johnson SD, Oelkers K, Siddons H, Chrtek J, Fehrer J, Koltunow AMG. 201. Evolution of apomixis loci in Pilosella and Hieracium (Asteraceae) inferred from the conservation of apomixis-linked markers in natural and experimental populations. Heredity 114: 17–26.
  • Hartmann M, Štefánek M, Zdvořák P, Heřmann P, Chrtek J, Mráz P. 2017. The Red Queen hypothesis and geographical parthenogenesis in the alpine hawkweed Hieracium alpinum (Asteraceae). Biological Journal of the Linnean Society 122: 681–696.
  • Herben T, Trávníček P, Chrtek J. 2016. Reduced and unreduced gametes combine almost freely in a multiploidy systém. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics 18: 15–22.
  • Mráz P. 2003. Mentor effects in the genus Hieracium s.str. (Compositae, Lactuceae). Folia Geobotanica 38: 345–350.
  • Mráz P, Szeląg Z. 2004. Chromosome numbers and reproductive systems in selected species of the genera Hieracium L. and Pilosella Hill. (Asteraceae) from Romania. Annales Botanici Fennici 41: 405–414.
  • Mráz P, Paule J. 2006. Experimental hybridization in the genus Hieracium sstr (Asteraceae): crosses between selected diploid taxa. Preslia 78: 1–26.
  • Mráz P, Šingliarová B, Urfus T, Krahulec F. 2008. Cytogeography of Pilosella officinarum (Compositae): Altitudinal and longitudinal differences in ploidy level distribution in the Czech Republic and Slovakia and the general pattern in Europe. Annals of Botany 101: 59–71.
  • Mráz P, Chrtek J, Šingliarová B. 2009. Geographical parthenogenesis, genome size variation and pollen production in the arctic-alpine species Hieracium alpinum. Botanica Helvetica 119: 41–51.
  • Mráz P, Chrtek J, Fehrer J. 2011. Interspecific hybridization in the genus Hieracium s.str. – evidence for bidirectional gene flow and spontaneous allopolyploidization. Plant Systematics and Evolution 293: 237–245.
  • Peckert T, Chrtek J, 2006. Mating interactions between coexisting diploid, triploid and tetraploid cytotypes of Hieracium echioides (Asteraceae). Folia Geobotanica 41: 323–334.
  • Rotreklová O, Krahulcová A, Mráz P, Mrázová V, Mártonfiová L, Peckert T & Šingliarová B. 2005. Chromosome numbers and breeding systems in some species of Hieracium subgen. Pilosella from Europe. Preslia 77: 177–195.
  • Šingliarová B, Hodálová I, Mráz P. 2011. Biosystematic study of the diploid-polyploid Pilosella alpicola group with variation in breeding system: patterns and processes. Taxon 60: 450–470.
  • Šingliarová B, Chrtek J, Plačková I, Mráz P. 2011. Allozyme variation in diploid, polyploid and mixed-ploidy populations of the Pilosella alpicola group (Asteraceae): relation to morphology, origin of polyploids and breeding systém. Folia Geobotanica 46: 387–410.
  • Šingliarová B, Šuvada R, Mráz P. 2013. Allopatric distribution, ecology and conservation status of the Pilosella alpicola species group (Asteraceae). Nordic Journal of Botany 31: 122–128.
  • Trávníček P, Dočkalová Z, Rosenbaumová R, Kubátová B, Szeląg Z, Chrtek J. 2011. Bridging global and microregional scales: ploidy distribution in Pilosella echioides (Asteraceae) in Central Europe. Annals of Botany 107: 443–454.
  • Zahradníček J, Chrtek J. 2015. Cytotype distribution and phylogeography of Hieracium intybaceum (Asteraceae). Botanical Journal of the Linnean Society 179: 487–498.

Tématické okruhy

Hlavní směr výzkumu na oddělení cévnatých rostlin je reprezentován následujícími okruhy.

Mechanismy evoluce polyploidních komplexů

Zmnožení celých chromosomových sad (polyploidzace) je jedním z klíčových procesů vzniku rostlinných druhů. Zásadní roli hraje také při vytváření a šlechtění kultivarů užitkových rostlin, např. potravinářských plodin. V rámci našich výzkumů se zaměřujeme na studium evoluční historie složitých polyploidních komplexů v evropské flóře i v subtropech (Kapsko) a tropech (jižní Amerika a jihovýchodní Asie). Dále se věnujeme otázkám soužití cytotypů v přirozených podmínkách a reprodukčním, morfologickým i ekologickým důsledkům polyploidie.

Příklady grantových projektů

  • Polyploidní evoluce v kapské květenné oblasti: rod Oxalis jako modelová skupina
  • Evoluce polyploidie v ekonomicky významném tropickém rodu Curcuma detekovaná pomocí analýzy velikosti genomu a molekulárních dat
  • Procesy ovlivňující vznik a evoluční úspěšnost polyploidů: co umožňuje koexistenci různých cytotypů v populacích Gymnadenia conopsea?

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Mechanismy řídící koexistenci rostlin diploidního a tetraploidního cytotypu v populacích heřmánkovce nevonného (Tripleurospermum inodorum)
  • Role triploidních hybridů v cytotypově smíšených populacích heřmánkovce nevonného (Tripleurospermum inodorum)
  • Porovnání nezávisle vzniklých polyploidních linií druhu Campanula patula L.: opakuje se evoluce?
  • Procesy řídící sympatrickou koexistenci di- a tetraploidního cytotypu v primární kontaktní zóně chrastavce
    rolního (Knautia arvensis agg.).
  • Polyploidní speciace u rodu Anthoxanthum v Evropě.

Evoluce a ohrožení vzácných a endemických druhů české flóry

Studium vzácných druhů přináší zajímavé teoretické poznatky (principy evoluce rostlinných druhů) i konkrétní praktické výsledky uplatnitelné v ochranářské praxi. V rámci našich výzkumů se zaměřujeme na studium mechanismů vzniku druhů omezených na území České republiky, tedy našich (sub)endemitů. Morfometické, cytometrické i genetické techniky také využíváme ke konkrétním ochranářsky zaměřeným výzkumům našich vzácných druhů, které jsou ohrožovány např. křížením s blízce příbuznými běžnými druhy.

Příklady grantových projektů

  • Významný český endemitní rožec Cerastium alsinifolium – evoluční historie, reprodukční úspěšnost a důsledky křížení s Cerastium arvense
  • Evoluční vztahy a diferenciace reliktních hadcových populací Knautia arvensis s.l. (Dipsacaceae) ve střední Evropě
  • Kritické zhodnocení hybridizace mezi středoevropskými zástupci rodu Nymphaea (leknín) pomocí cytometrických a molekulárních metod: význam pro druhovou ochranu

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Využití průtokové cytometrie a molekulárních markerů při studiu endemitních a silně ohrožených druhů cévnatých rostlin ČR
  • Hybridizace a mikroevoluční vztahy u středoevropských zástupců rodu Diphasiastrum
  • Genetická variabilita a evoluční vztahy českých endemických zástupců rodu Dianthus
  • Riziko hybridizace pěstovaných třešní s ohroženou třešní křovitou (Prunus fruticosa)

Evoluční historie rostlin v kontextu čtvrtohorních klimatických změn

Střídání ledových a meziledových dob zásadně ovlivňuje vznik a rozšíření rostlinných druhů. Přežívání nepříznivých období v refugiích a směry následné rekolonizace jsou jednou z klíčových otázek současné evoluční biologie, především jejího odvětví tzv. fylogeografie. Náš výzkum se zaměřuje na rekonstrukci evolučních historií vybraných druhů po ústupu posledního zalednění zejména v prostoru střední a severní Evropy (Alpy, Karpaty, Skandinávie). Jako hlavní nástroj slouží široké spektrum molekulárních metod umožňující podrobné studium rozložení genetické variability, do níž se změny podmínek prostředí promítly.

Příklady grantových projektů

  • Migrační nebo postglaciální původ diverzity v odledněných oblastech: Příběh polyploidního komplexu Galium pumilum agg.
  • Mikrospeciační procesy a migrační historie skupiny Melampyrum subalpinum agg.
  • Fylogeografie a cytotypová struktura druhu Hieracium intybaceum (Asteraceae)
  • Molekulárně biosystematická studie sekce Pilosellina a evoluční aspekty spjaté s jejím glaciálním vývojem

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Postglaciální migrace z Alp a Karpat na příkladu druhů Cardaminopsis halleri (L.) Hayek a Hordelymus europaeus (L.) Harz
  • Lipnice komplexu Poa glauca s. l. na území Evropy - jejich původ a vzájemné vztahy

Evoluční diverzifikace ve světových centrech diverzity (jihoamerické vysokohory, kapská květenná oblast)

Jihoamerické Andy jsou jedním z center světové biodiverzity. V rámci našich výzkumů se zaměřujeme na evoluci rostlin obývajících nejvýše položený tropický ekosystém těchto hor – páramos. Zajímají nás především otázky týkající se mechanismů generujících takové bohatství rostlinných druhů a dále způsoby, kterými se tyto druhy adaptují na extrémní podmínky vysokohorských páramos (v úzké návaznosti na ekologické a ekofyziologické výzkumy probíhající v rámci katedry).

Příklady grantových projektů

  • Fylogeneze rodu Lasiocephalus (Asteraceae) - historie kolonizování prostředí rovníkových páramos
  • Fylogeografie vybraných druhů rodu Loricaria (Asteraceae) v rovníkových Andách
  • Evoluční procesy v jihoamerických Andách: Molekulární fylogeneze, biogeografie a fylogeografie r. Festuca (Poaceae)

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Lasiocephalus (Asteraceae) - historie kolonizování prostředí rovníkových páramos
  • Fylogenetika a evoluce růstových forem rodu Valeriana v páramu
  • Fylogenetika rodu Cleistocactus (Cactaceae)

Dynamika evoluce velikosti genomu u rostlin

Rostliny vykazují překvapivě obrovskou proměnlivost v obsahu DNA v buněčném jádře (jaderného genomu). Vnitřní příčiny této proměnlivosti, mechanismy její dědičnosti i ekologické a evoluční důsledky jsou však stále neznámé. Studium evoluce velikosti genomu je v současnosti bouřlivě se rozvíjející oblastí rostlinné evoluční biologie, především díky snadnému využití techniky průtokové cytometrie. V rámci našich výzkumů zaměřujeme na studium velikosti genomu u vybraných modelových systematických i ekologických skupin, které zasazujeme do širšího rámce výsledků křížících a ekologických experimentů i molekulárních studií.

Příklady grantových projektů

  • Evoluce velikosti genomu a původ polyploidie v ekonomicky významné čeledi zázvorovité

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Multigene phylogeny of the subfamily Alpinioideae (Zingiberaceae) with respect to Elettariopsis Baker using next-generation sequencing
  • Evoluce velikosti genomu v čeledi Costaceae
  • Ekologické aspekty velikosti jaderného genomu rostlin
  • Evoluce velikosti genomu v rodě Globba (Zingiberaceae)

Evoluce, systematika a způsoby šíření vodních a mokřadních rostlin

Vodní a mokřadní rostliny jsou zajímavou skupinou z hlediska biosystematického, ale poskytují i zajímavé modelové příklady pro studium obecných evolučních mechanismů a procesů. V rámci této skupiny rostlin nalézáme jedny z posledních velkých taxonomicky nedořešených otázek naší flóry, které vyžadují nové systematické zhodnocení (např. lakušníky, kamyšníky, hvězdoše). Zároveň poskytují řadu lákavých obecných problémů i v oblasti populační ekologie a genetiky (např. způsoby šíření v různých typech vodního prostředí, struktura populací těchto většinou klonálních rostlin) a mikroevolučních mechanismů (hybridizace, polyploidizace apod.).

Příklady grantových projektů

  • Paralelní evoluce nebo migrace v rodu Bolboschoenus (Cyperaceae) v celosvětovém areálu?
  • Morfologická a ekologická studie okruhu Glyceria fluitans

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Polyploidizace jako zdroj nových vlastností předurčujících úspěšnost šíření mokřadní rostliny šmelu okoličnatého (Butomus umbellatus)
  • Hybridizace orobinců Typha latifolia a T. angustifolia
  • Taxonomická revize rodu Callitriche v České republice
  • Role hybridizace a klonálního rozmnožování v populacích mokřadních rostlin

Dynamika rozmnožovacích strategií, především apomixie

S apomixií (neboli klonálním rozmnožováním rostlin pomocí semen) se lze setkat v celé řadě rostlinných skupin (Asteraceae, Poaceae, Rosaceae atd.). Následkem apomiktického rozmnožování se vytváří veliké množství reprodukčně izolovaných linií, které se od sebe obtížně rozlišují. Rody, ve kterých se apomixie vyskytuje (např. Hieracium, Rubus, Taraxacum), jsou pak nechvalně pověstné tisíci popsaných druhů (tzv. mikrospecií). Současným trendem ve studiu apomiktických rostlin je však spíš studium mikroevolučních mechanismů a procesů speciace (tvorby druhů).

Příklady grantových projektů

  • Fylogeografie a cytotypová struktura druhu Hieracium intybaceum (Asteraceae)
  • Molekulárně biosystematická studie sekce Pilosellina a evoluční aspekty spjaté s jejím glaciálním vývojem

Příklady diplomových a dizertačních prací

  • Geographical parthenogenesis: evolutionary and ecological significance of apomictic reproduction in vascular plants
  • Evoluční mechanismy a vztahy mezi taxony Hieracium subgen. Pilosella
  • Molekulárna fylogenéza a evolučné trendy v rode Hieracium
  • Fylogeneze a evoluční trendy subtribu Hieraciinae (Compositae)
  • Zdroje variability Sorbus aria agg.

Flóra České republiky

Floristický výzkum je nedílnou součástí botaniky. Zabývá se vyhledáváním, určováním a evidování rostlinných druhů na určitém území (ČR). Floristické údaje se pak vkládají do nejrůznějších databází nebo červených seznamů a posléze i do ucelených publikací typu flór jednotlivých regionů. Bez náležitého floristického výzkumu by moderní biosystematika nebyla schopna identifikace vlastních problémů, takže je i dílčí floristický výzkum všestranně užitečný. V neposlední řadě se floristické údaje hojně využívají pro více efektivní ochranu přírody.

Příklady grantových projektů

  • Květena ČR – dokončení