Jakou jednotku mJakou jednotku mááme chrme chráánit? (populaci, druh, nit? (populaci, druh, poddruh)poddruh)

Jak genetickJak genetickéé faktory ovlivfaktory ovlivňňujujíí žživotaschopnost a ivotaschopnost a ppřřeežžíívváánníí populacpopulacíí? Kolik jedinc? Kolik jedincůů je potje potřřeba k eba k zzááchranchraněě druhu?druhu?

Kolik genetickKolik genetickéé variability mvariability máá k dispozici k dispozici ohroohrožžený druh k tomu, aby se pený druh k tomu, aby se přřizpizpůůsobil sobil budoucbudoucíím zmm změěnnáám?m?

OchranOchranáářřskskáágenetikagenetika

((Conservation GeneticsConservation Genetics))Význam a využití genetických informací v praxi

OchranOchranáářřskskáá genetikagenetikaochranářská genetika = použití molekulárně-genetických

metod k ochraně druhů, jakožto dynamických jednotek

schopných evoluce a adaptace v měnícím se ŽP(R. Frankham et al. 2002)

hnacím motorem je tzv. šesté hromadné vymírání

Velmi mladá věda:První časopis 2000První učebnice 2002

ProPročč je genetickje genetickáá variabilita dvariabilita důůleležžititáá??

• Jedinci téhož druhu se liší ⇒⇒⇒⇒ fenotypová variabilita

P = G + E + G×E

fenotyp = genotyp + env. prostředí + interakce

to co vidíme je fenotyp!

ProPročč je genetickje genetickáá variabilita dvariabilita důůleležžititáá??

• Část této variability je dědičná ⇒⇒⇒⇒ genotypová variabilita

• Přežití a reprodukce nejsou náhodné ⇒⇒⇒⇒ přírodní výběr, selekce

Jedinci, kteří přežijí a vyprodukují nejvíce potomků jsou ti,

jejichž genetická výbava je nejvýhodnější v daném prostředí

• Ale občas náhodné jsou ⇒⇒⇒⇒ neutrální teorie evoluce (60/70. léta)

Diverzita je výsledkem hromadění selektivně neutrálních mutací,

které neovlivňují fitness

(genetický drift působící na neutrální alely)

(silent mutations, TTC a TTT obě fenylalanin)

GenetickGenetickáá variabilita je zvariabilita je záásadnsadníí

pro evoluci a adaptaci!pro evoluci a adaptaci!

GenetickGenetickáá a druhova druhováá diverzita se vzdiverzita se vzáájemnjemněě udrudržžujujíí((LankauLankau && StraussStrauss, Science 2007), Science 2007)

Brassica nigra

glukosinolát sinigrinallelopatický a fungicidní

různá koncentrace

imigrant

druhověbohaté

druhověchudé

vysokákonc.

nízkákonc.

genetická diverzita

(genotypy hořčice)

druhová diverzita

společenstva

FenotypovFenotypováá plasticitaplasticita

• organismus mění fenotyp v závislosti na svém prostředí• rozdíly dané geneticky, ale nedědí se• výhodné v měnícím se prostředí

(adaptace)• transplantační experimenty

př. sociální hmyz a kasty

komplikuje taxonomiikomplikuje taxonomii

dva fenotypy, ale jeden druhmorfologická vs. molekulární fylogeneze

komplikuje ? co chrkomplikuje ? co chráánitnit

• geneticky jedinečný organismus• a/nebo unikátní prostředí, kde exprese různých fenotypů může vést

ke vzniku nového druhu

„Dělnice nebo voják: To je vše co můžete nabídnout? To je tedy výběr!“

Vznik genetickVznik genetickéé diverzitydiverzity• rekombinacerekombinace

• mutacemutace – rychlost za normálních okolnostílidé : 0.5 až 4 / 100 tisíc gametbaktérie : 0.00007 až 0.41 / 100 tisíc gametale bakterie krátké generace, rychlá adaptace

– obvykle recesivní, projev u homozygotů

– polyploidiepolyploidie – zmnožení chromozomové sádky– 47-70% všech rostlin– mnoho zemědělských plodin– sympatrická speciace– reprodukční izolace v rámci 1 generace

Genetický driftGenetický drift

náhodný posun v četnosti alel mezi generacemialely se mohou snadno ztratit nebo zafixovat

přírodní výběr – výhodné alelyx genetický drift – výhodné, neutrální, nevýhodné alely

HlavnHlavníí typy geneticktypy genetickéé variabilityvariability

• neutrneutráálnlníí variabilita variabilita – neovlivňuje fitness

• adaptivnadaptivníí – variabilita zvyšující fitness

• detrimentdetrimentáálnlníí -- – variabilita snižující fitness (mutace, genetický drift)

• genetickgenetickáá zzááttěžěž ((geneticgenetic loadload) ) – snížení průměrného fitness populace např. vlivem inbreedingu oproti populacím bez zátěže

• genetickgenetickáá obnova (obnova (geneticgenetic restorationrestoration) ) – eliminace a sníženíškodlivých genotypů a návrat k normálu introdukcí jedinců z geneticky zdravých populací

nekorelované!

GenetickGenetickáá diverzita obsadiverzita obsažženenáá v druzv druzíích ch existuje na 3 zexistuje na 3 záákladnkladníích ch úúrovnrovníích:ch:

•• variabilita mezi genyvariabilita mezi genyalely (AA Aa aa) & haplotypy (kombinace alel různých lokusů, AbCD)

Jak mJak měřěřííme gme geneticenetickoukou variabilituvariabilitu

•• variabilita v rvariabilita v ráámci jedincemci jedince

individuální heterozygozita – podíl heterozygotních lokusů

•• variabilita uvnitvariabilita uvnitřř populacpopulacíí

•• MMíírara polymorfizmu:polymorfizmu: podíl polymorfních lokusů v populaci•• HeterozygoHeterozygozzititaa (H):(H): podíl jedinců v populaci, kteří jsou

heterozygotní (polymorfní) v určitém lokusu•• Diverzita Diverzita alelalel (A)(A):: průměrný počet alel na lokus (závislé na Ne)

•• variabilita mezi populacemivariabilita mezi populacemi

genetická rozrůzněnost (divergence) (sub) populací

•• WrightovyWrightovy FF--statistiky, fixastatistiky, fixaččnníí index Findex FSTST :: diferenciace populací dle

heterozygotnosti, vliv rozdělení populace na subpopulace(0 – panmiktická, 1 – izolovaná), alozymy

•• NeiNei koeficient genetickkoeficient genetickéé rozrrozrůůznzněěnosti Gnosti GSTST (Nei 1973):: srovnává gen.

variabilitu mezi populacemi vůči sloučené diverzitě všech populací, pracuje s frekvencí alel, někdy se označuje FST , mtDNA, mikrosatelity

rychlá výměna generacírychlá akumulace gen. diverzity

MolekulMolekuláárnrníí markerymarkery a jejich vyua jejich využžititíí::

ProteinovProteinovéé markerymarkery – alozymyalozymy - levné a rychlé, živá tkáň

((isozymyisozymy)) - genetická struktura populací

- způsob rozmnožování

Výběr markeru záleží na otázce, kterou chceme zodpovědět!

(Raijmann et al. 1994 )

Gentiana pneumonanthe

Poly

mo

rph

ism

Allelic rich

ness (A

)

Cro

ss-f

erti

liza

tion

rate

MolekulMolekuláárnrníí markerymarkery a jejich vyua jejich využžititíí::DNA DNA markerymarkery -- jaderný, chloroplastový a mitochondriální genom

•• popořřadadíí nukleotidnukleotidůů – sekvence, např. ITS rDNA• analýzaanalýza celcelééhoho genomugenomu – délkový polymorfismus fragmentů

RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA)AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism)

•• informaceinformace z z konkrkonkréétntnííchch ččááststíí genomugenomu

PCR-RFLP (Polymerase Chain Reaction-RFLP)mikrosatelity (Simple Sequence Repeats - SSRs)

MolekulMolekuláárnrníí markerymarkery a jejich vyua jejich využžititíí::DNA DNA markerymarkery – nekódující repetitivní DNA

ITS ITS rRNArRNA – geny pro rDNA – nejrozšířenější marker v systematice

mikrosatelitymikrosatelity – opakování krátkých motivů na určitém lokusu

– vysoce variabilní, vysoká rychlost mutací

– design mikrosatelitu trvá až půl roku, drahé

mikrosatelity lze identifikovat - jedince, blízce příbuzné druhy

- způsob rozmnožování, paternita

- genetická struktura populací

- zdroj invaze, cesty kolonizace

- introgrese a hybridizace

- tok genů, fragmentace

- populační fylogeneze

ATGACACACACAGTA

mikrosatelitymikrosatelity

ne vždy junk DNA(odpadní DNAs žádnou nebo neznámou funkcí)

př. náhodné mutacemikrosatelitu ovlivňujísociální chování hrabošů

MolekulMolekuláárnrníí markerymarkery a jejich vyua jejich využžititíí::organelovorganelováá DNA DNA –– mtDNAmtDNA (mitochondriální) – u živočichů vysoká mutační rychlost

– u rostlin nízká m. r.

– děděna maternálně

–– ccppDNADNA (chloroplastová) – u krytosemenných děděna přes matku

– u nahosemenných přes otce

rychlost mutací cpDNA je 2x menší než u nDNA, ale 4x

větší než u mtDNA

využití - fylogenetické rekonstrukce- delimitace druhů a poddruhů- demografické změny- migrace mezi populacemi – míra filopatrie (věrnosti místu narození)

rozdíly v podobnosti jaderné a mitochondriální DNA

IUCN – conservation dependent → least concern (2008) Pohled do minulosti Pohled do minulosti plejtvplejtváákovcekovce ššededééhoho

diverzita mtDNA 42 jedinců⇒ historická populace mezi 78 500 – 117 000 jedincivelrybí populace nedosáhla své nosné kapacity, ale je omezovaná nízkou produktivitou prostředí (oteplování oceánů) Alter et al., PNAS 2007

26000 100

0

Genetika jako demografický nGenetika jako demografický náástrojstroj

ale 10% velryb podvyživených, málo mláďat, změna potravního chování

předpokládaná obnova při 22 tis. jedincích

Netopýr Netopýr velkouchývelkouchý ((MyotisMyotis bechsteiniibechsteinii))(Kerth et al. 2002)

• letní kolonie samic (15-40 jedinců)

• vzorky - jen ♀♀

• nukleární i mitochondriální DNA

• ♀♀ filopatrie

• ♂♂ disperze

Studium populaStudium populaččnníí strukturystruktury

rrůůznznéé markerymarkery detekujdetekujíí rrůůznzněě velkou genetickou variabilitu !! velkou genetickou variabilitu !!

př. gepard východoafrický

nízká variabilita v alozymecha nDNA

mnohem vyšší variabilita v mtDNA a mikrosatelitech

ProPročč? Z? Záávisvisíí rrůůznzněě na Ne, historii druhu (na Ne, historii druhu (bottleneckbottleneck), r), růůznznáá rychlost rychlost mutacmutacíí rrůůzných zných markermarkerůů

hlavnhlavníí genetickgenetickáá ttéématmataa v v BOPBOP

1. Taxonomické nejasnosti maskující skutečnou biodiverzitu(Identifikace druhů, Taxonomická jedinečnost, Genealogie druhů, Stanovení evolučně významných jednotek, Hybridizace a introgrese)

2. Bionomie druhů (Složení stravy, Rozmnožování)

3. Forenzní analýzy (CITES)

4. Rekonstrukce vyhynulých druhů

5. Genetická struktura populací(Nežádoucí vliv inbrední a outbrední deprese na rozmnožování a přežívání, Fragmentace populací a ztráta toků genů, Ztráta genetickédiverzity a schopnosti adaptace, Odhad efektivní velikosti populace, MVP)

6. Genetické změny v chovech (Důsledky pro záchranné programy a reintrodukce)

TaxonomicTaxonomickkéé nejasnostinejasnosti

1. diverzita „neviditelných“ a „neznámých“ organismů

DNA DNA barcodingbarcoding

– identifikace biologických druhů– ideálně jeden primer s vysokou diskriminační schopností

– matK a rbcL cpDNA u rostlin, CO1 mtDNA u živočichů

př. rbcL + matK - 72% z 397 druhů rostlin Hollingsworth et al., PNAS 2009

databáze Barcode of Life Data Systems (BOLD)

formálně popsané druhy 65 tis. (2009), 87 tis. (2010)počet záznamů 718 tis. (GenBank, Canadian Centre), 1 mil.

www.boldsystems.org

př. rbcL, matK + trnH-psbA – 98% z 296 dřevin trop. lesa v PanaměKress et al., PNAS 2009

TaxonomicTaxonomickkéé nejasnostinejasnosti

2. definice jednotek (conservation units) – druh, poddruh, varieta

Jak velká musí být genetická vzdálenost pro „dobrý druh“?

Ideální jednotkou ochrany je druh, ale v praxi populace.

Kterým populacím dáme prioritu?

morfologická def. druhu:

skupina jedinců, která je svou některou vlastností morfologicky, anatomicky, fyziologicky nebo biochemicky odlišná od jiných skupin

evoluční (fylogenetická) def.:

nejmenší evolučně izolovaná linie, která si udržuje v čase i prostoru svou identitu a která má svůj vlastní nezávislý evoluční vývoj

a co a co kryptickkryptickéé druhy?druhy?

biologická def.:

skupina přírodních populací, které se mezi sebou skutečně nebo potenciálně kříží a které jsou reprodukčně izolovány od populací jiných druhů a co hybridizace ?a co hybridizace ?

KryptickKryptickéé druhydruhy

slon africký

slon pralesní

rozlišení v 2001 více geneticky nepodobné nežsloni Afriky a Asie

morfologicky identické, reprodukčně oddělené

TaxonomicTaxonomickkéé nejasnostinejasnosti

evolutionaryevolutionary significantsignificant unit (ESU) unit (ESU) –– evoluevoluččnněě významnvýznamnáá jednotkajednotka

- koncept 1986- jednotka ochrany pod úrovní druhu- představuje novou evoluční linii- má genetické vlastnosti významné pro současné a budoucí generace

významnvýznamnáá adaptivnadaptivníí variabilitavariabilita

kritéria : 1. současná geografická izolace (reprodukční izolace)2. genetická rozrůzněnost v neutrálních markerech (FST)3. unikátní lokální adaptace (functionallyfunctionally significantsignificant unitunit)

distinctdistinct populationpopulation segmentssegments

- koncept 1991, pro USA Endangered Species Act (1973) , často ryby

fylogenetický přístup o 48% více druhů než biologický konceptSplit or lump?

Limitace molekulární genetiky v ochraně přírody

př. někteří hnědí medvědi jsou si více geneticky bližší (mtDNA) s ledními medvědynež s ostatními hnědými medvědy ⇒ lední medvěd geneticky není druh

TaxonomicTaxonomickkéé nejasnostinejasnosti

Dát přednost genetické rozrůzněnosti nebo adaptivní variabilitě?

př. martináč Hemileuca maia subsp. žere pouze na vachtě (kritérium 3), ale neliší se morfologicky ani geneticky od ostatních martináčů (kritérium 2)

integrovaný pintegrovaný přříístupstup :

- molekulární (variabilita v neutrálních markerech)

- evoluční (adaptivní variabilita, kvantitativní genetika – lokusy ovlivňujícíkvantitativní znaky, polygeny)

- morfologický

TaxonomicTaxonomickkéé nejasnostinejasnosti

3. studium příbuznosti na různých úrovních - identita (př. vydry na Třeboňsku)- paternita- příbuznost jedinců, populací- druhů

4. studium hybridizace a introgrese

Proč plýtvat omezenými prostředky na záchranu hybridních populací?

př. puma americká floridskázachráněna zkřížením s p. a. texaskou

př. vlk rudohnědý1980 nákladný záchranný program 1989 hybrid vlka obecného a kojota

př. borovice blatka

(Pinus uncinata subsp. uliginosa )

• poddruh borovice pyrenejské

• subendemit ČR

• přechodová rašeliniště

• Třeboňsko, Šumava, Krušné Hory, Rejvíz

• kříží se s borovicí lesní, vysoušení

• kříží se s klečí ve vyšších polohách

• téměř neexistují čisté populace

narunaruššeneníí stanovistanoviššťť mmůžůže ve véést kst k

hybridizaci a hybridizaci a introgresiintrogresi

- složení stravy (př. tygři v Nepálu), informace o způsobu rozmnožování:

př. 1. míra závislosti obligátně cizosprašných rostlin na svém opylovači

př. 2. stupeň polygamie v živočišných populacích ovlivňuje efektivní velikost populace

př. 3. využití mtDNA RFLP k získání info o migraci a hnízdění karetvýsledek – karety se vždy vrací klást do míst, kde se narodilyaplikace – rekolonizace obtížná

– zakládání nových populací transplantací vajíček

Bionomie druhBionomie druhůů

identifikace komerčních produktů z ohrožených druhůslonovina, rohovina, maso, peří, sušené rostliny

př. velrybí trh - je povoleno odlovit určité množství velryb pro vědecké účely- maso je možné prodat- lze identifikovat druhy a geografický zdroj- legální a nelegální prodej

př. holící štětky - původně z chlupů jezevce lesního, Bernská konvence- nahrazeno asijským jezevcem bělohrdlým

př. sushi

ForenznForenzníí analýzyanalýzy

Rekonstrukce vyhynulých druhRekonstrukce vyhynulých druhůů

př. zebra Quagga – 1870s vyhynula v JAR– 1990s mtDNA (5%), pouze varieta– zpětné křížení

klonovánízmrazená ZOO

http://www.quaggaproject.org/

Arif et al. (2010): A brief review of molecular techniques to assess plant diversity. Int. J. Mol. Sci. 11:2079-2096

Alacs et al. (2010): DNA detective: a review of molecular approaches to wildlife. Forensic Sci. Med. Pathol. 6:180-194

Hollingsworth et al. (2010): A DNA barcode for land plants PNAS 106 (31): 12794-12797

Bowen (1999): Preserving genes, species or ecosystems? Healing the fractured foundations of conservation policy. Mol. Ecol. 8: S5-S10

Marris (2007): The species and the specious. Nature 446: 250-253

LiteraturaLiteratura

Lowe A., Harris S., Ashton P. (2004): Ecological Genetics: Design, Analysis, and Application. Wiley-Blackwell. ISBN: 978-1-4051-0033-5

http://www.ceskatelevize.cz/program/port/77-o-cem-vypravi-vydri-trus/video/