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/