Jakou jednotku m Jakou jednotku m á á me chr me chr á á nit? (populaci, druh, nit? (populaci, druh, poddruh) poddruh) Jak genetick Jak genetick é é faktory ovliv faktory ovliv ň ň uj uj í í ž ž ivotaschopnost a ivotaschopnost a p p ř ř e e ž ž í í v v á á n n í í populac populac í í ? Kolik jedinc ? Kolik jedinc ů ů je pot je pot ř ř eba k eba k z z á á chran chran ě ě druhu? druhu? Kolik genetick Kolik genetick é é variability m variability m á á k dispozici k dispozici ohro ohro ž ž ený druh k tomu, aby se p ený druh k tomu, aby se p ř ř izp izp ů ů sobil sobil budouc budouc í í m zm m zm ě ě n n á á m? m?
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
• 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
•• 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
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
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
