Oddělení evoluční biologie rostlin

Lidé ׀ Grantové projekty ׀ Publikace

Oddělení vzniklo v roce 2017 spojením dvou, do té doby separátních oddělení, která se zabývala obdobnou problematikou – Oddělení genetické ekologie a Oddělení průtokové cytometrie. Nově vzniklá skupina je specializována na výzkum rozličných aspektů evoluce rostlin na mnoha hierarchických úrovních: počínaje I) změnami na úrovni jedinců a jejich genomů (horizontální přenos genů, endopolyploidizace, cytogenetika), přes II) studium mikroevolučních procesů na úrovni populací (interakce mezi cytotypy, fylogeografie, atd.), III) výzkum vzájemných vztahů na druhové úrovni (evoluce diploidně-polyploidních komplexů, hybridní speciace, molekulární systematika, atd.), až po IV) detekování evolučních sil uplatňujících se na rodové a vyšší úrovni (např. důvody rozdílné radiace).

Hlavním předmětem výzkumu jsou vlastní evoluční procesy a jejich vliv na rozpoznávanou biodiverzitu. Geograficky je výzkum zacílen především na Eurasii, rovníkové Andy a Kapskou květennou oblast. Základním principem práce je kombinace terénních, experimentálních a laboratorních přístupů. Nedílnou součástí oddělení je laboratoř průtokové cytometrie.

 

Hlavní směry výzkumu

Evoluce na genomové úrovni

Cizorodé části genomu u trav z tribu Triticeae

Trávy ze skupinyTriticeae (čeleď lipnicovité – Poaceae) jsou fascinující ukázkou toho, jak spletitá může evoluce být, neboť se v ní uplatňují takové jevy, jako je např. vzájemná hybridizace mezi příslušníky jiných skupin (u živočichů naprosto nemyslitelná záležitost) a častá polyploidizace. Mnohé trávy z této skupiny ve svém genomu obsahují i cizorodé úseky, které pochází z fylogenetického hlediska z velmi vzdálených zdrojů, a předpokládá se, že se do genomu dostaly jinou cestou než křížením, tzv. horizontálním přenosem genů. Předmětem výzkumu je zejména zjištění původu a dalšího vývoje tohoto cizorodého genetického materiálu v rámci genomu. S pomocí molekulárních, bioinformatických a cytogenetických nástrojů jsou cizorodé úseky v genomech studovaných rostlin lokalizovány, charakterizovány a fyzicky mapovány.

DNA endoreplikace

DNA endoreplikace, tj. polyploidizace určitých pletiv a buněk na úrovni jedince, je poměrně častým fenoménem některých rostlinných čeledí, ale její evoluční význam je stále předmětem diskuzí a polemik. Jednoznačný názor na věc je navíc komplikován faktem, že nedávno byla u orchidejí objevena tzv. částečná enodreduplikace, při které není polyploidizován celý genom, ale jen jeho část, která je navíc druhově specifická (každý druh má jinak velkou část genomu, která se v rámci endoreplikace multiplikuje). Výzkum je zaměřen na nalezení konkrétních ekologických, fyziologických či jiných faktorů, které různou míru endoreplikace podmiňují.

 

Mikroevoluční procesy v populacích rostlin (příkladové studie)

Pilosella echioides (jestřábník hadincový) představuje unikátní polyploidní komplex, který navzdory výhradně pohlavní tvorbě nažek vytváří ojediněle populace s převahou triploidů (což je vlastnost u pohlavně se množících organismů velmi neobvyklá). Takoví triploidi v populacích interagují s dalšími hlavními cytotypy (diploidy a tetraploidy) a produkují životaschopné potomstvo. Na druhou stranu se zdá, že smíšené populace více cytotypů jsou u tohoto druhu udržovány hlavně klonálním růstem, který je u polyploidních jedinců mnohem výraznější než u diploidů.

Tripleurospermum inodorum (heřmánkovec nevonný) je široce rozšířeným plevelem obdělávané půdy, typicky se vyskytující ve dvou ploidních úrovních (diploidní a tetraploidní), které v Evropě vytváří širokou kontaktní zónu. Její mozaikovité uspořádání napomáhá častému kontaktu obou ploidií a tvorbě smíšených populací, kde dochází k vzájemné hybridizaci a vzniku triploidů. Triploidní jedinci jsou životaschopní, částečně fertilní a produkují většinou aneuploidní potomstvo. Ve smíšených populacích tak vznikají reprodukční vztahy, které vedou ke vzniku cytogenetické diverzity a zajišťují genetický tok mezi diploidy a tetraploidy. Navíc mají heřmánkovce díky převážně jednoletému životnímu cyklu výraznou meziroční dynamiku jak v populačních hustotách, tak v ploidním složení, a vytváří tím unikátní systém umožňující studium podmínek koexiestence cytotypů na lokální úrovni.

Fylogeografie Alnus glutinosa (olše lepkavé) a Alnus incana (olše šedé)

V současné době sílí množství důkazů proti původnímu konceptu postglaciální kolonizace Evropy z jižně položených refugií. Zdá se, že situace je mnohem složitější a šíření některých druhů probíhalo zcela určitě jinak. Naším cílem v rámci tohoto projektu je zrekonstruovat pravděpodobnou rekolonizaci Evropy u dvou stromů – boreální olše šedé a temperátní olše lepkavé. K tomuto účelu je využit moderní fylogeografický přístup založený na kombinaci molekulárních (chloroplastových i mikrosatelitových) a paleoekologických dat spojený s modelováním ekologických nik a následným testováním pomocí bayesovského (ABC) modelování.

Hieracium podrod Pilosella (chlupáčci), je velmi složitá skupina jestřábníků, která je částečně apomiktická a je proslulá olbřímí variabilitou (která vedla k popisu tisíců taxonů). Hlavními zdroji spletité struktury této skupiny jsou polyploidizace, kombinace pohlavního a apomiktického způsobu tvorby nažek, široce rozšířená hybridizace a vegetativní rozmnožování. Náš tým je zaměřen na zkoumání cytogeografie (zejména s využitím průtokové cytometrie), reprodukční mozaiky (experimentální křížení, FCSS analýza nažek) a interakci jednotlivých ploidních úrovní v modelových populacích (tok genů). Zvláštní pozornost je dále věnována roli zbytkové sexuality fakultativních apomiktů na složení a strukturu populací ve střední Evropě a na Balkáně.

 

Evoluce na druhové úrovni (příkladové studie)

Polyploidi u olší

V nedávné době byly nalezeny a pro vědu poprvé popsány dva nové druhy tetraploidních olší – Alnus lusitanica, endemit Pyrenejského poloostrova a A. rohlenae, endemit Dinárských alp. Předmětem našeho výzkum je původ těchto tetraploidních stromů, jejich postglaciální historie a interakce s blízce příbuznou diploidní olší lepkavou (A. glutinosa) v oblastech vzájemného kontaktu. Metodicky výzkum využívá průtokovou cytometrii i molekulární markery (chloroplastovou DNA a analýzu mikrosatelitů) a výsledná data jsou inetrpretována v širším kontextu s využitím modelování ekologických nik a ABC testování evolučních scénářů.

Anthoxanthum odoratum (tomka vonná) tvoří komplex několika diploidních taxonů, vyskytujících se zejména v Mediteránu, Makaronésii a v horách Eurasie, a polyploidních taxonů, které jsou buď široce rozšířeny (např. A. odoratum s. str.) nebo tvoří lokální typy (např. A. amarum z Pyrenejského poloostrova). Dosavadní výzkum ukázal, že evropské tomky (Anthoxanthum sect. Anthoxanthum) vznikly v Mediteránu a první speciace na diploidní úrovni byla spojena s klimatickými změnami, které se v tomto regionu odehrály na začátku Miocénu. Pozdější diverzifikace nastala pravděpodobně v Pleistocénu a stála u zrodu nových polyploidních linií, které spoluvytvářejí současnou podobu celého rodu. Nicméně je zřejmé, že speciace některých diploidních taxonů ještě nebyla dokončena a stále probíhající evoluční procesy neumožňují správně interpretovat původ polyploidů.

Bolboschoenus – kamýšník

Výzkum je zaměřen na mokřadní druhy rodu kamýšník (Bolboschoenus), které jsou specifické tím, že se u nich opakují stejné morfologické změny napříč kontinenty. Nicméně konkrétní morfotypy jsou v Eurasii, Austrálii a v Severní Americe rozpoznávány pod jinými jmény. Vzájemná podobnost morfotypů může být důsledkem paralelní evoluce nebo migracemi napříč kontinenty, případně kombinací obou jevů. V evropském kontextu se zdá, že mezidruhová diferenciace se mnohem více odráží v ekologických nárocích než v morfologii, a jednotlivé druhy jsou vnímány spíše jako extrémní varianty jednoho komplexu adaptované na různá prostředí. Proto jsou ekologické nároky druhů považovány za klíčový faktor určující rozšíření, frekvenci výskytu a případně sympatrický růst (tedy i potenciál pro vzájemné křížení) jednotlivých taxonů.

Chenopodium album agg. – komplex merlíku bílého

Evoluce mnoha druhů, které patří do diploidně-polyploidního komplexu merlíku bílého (C. album agg.), v sobě kombinuje hybridizaci a polyploidizaci. Dosud publikované dílčí studie tak často poskytují protichůdný náhled na evoluci celého komplexu, což může být dáno nezahrnutím všech klíčových druhů. Právě proto se náš výzkum opírá o rozsáhlou kolekci druhů z celé Eurasie i S. Ameriky a řeší problematiku komplexu v co možná nejširším kontextu. Na tomto rozsáhlém materiálu je aplikována řada metodických přístupů zahrnujících karyologii, průtokovou cytometrii, GISH a FISH analýzy a sekvenaci chloroplastových i jaderných úseků. Naším cílem je stanovit ploidii a velikost genomu všech zahrnutých taxonů, určit jejich evoluční vztahy a pokusit se zrekonstruovat způsob vzniku polyploidních druhů.

 

Adaptivní radiace

Evoluce nejrozmanitější skupiny orchidejí – Pleurothallidinae

Projekt si klade za cíl odhalit roli dvou význačných speciačních procesů – změn na úrovni celého genomu a ekologické speciace – u nejbohatšího subtribu orchidejí, Pleurothallidinae. Pomocí moderních metod (Hyb-Seq, cytogenomika, průtoková cytometrie, modelování nik) provedeme fylogenetickou rekonstrukci celé skupiny a na jejím základě budeme interpretovat změny velikosti jaderného genomu, identifikovat frekvenci polyploidie a charakterizovat ekologické niky. Multidisciplinární analýza takto získaných dat nám umožní lépe porozumět evolučním procesům generujícím biologickou rozmanitost v největší čeledi krytosemenných rostlin.

Evoluce rodu Oxalis (šťavel)

Cílem výzkumu je otestovat, zda v druhové diverzifikaci šťavelů (Oxalis) hrála nějakou roli, a pokud ano, tak jak významnou, polyploidizace a hybridizace. Rod je totiž znám velkou variabilitou ploidních úrovní. Geograficky je výzkum zacílen na Kapskou květennou oblast, která vedle J. Ameriky tvoří jedno z center biodiverzity rodu. Metodicky se výzkum opírá o fylogenetický (Hyb-Seq) a cytogenetický (průtoková cytometrie, karyologie, FISH) přístup, který umožní poodhalit význam polyploidizace a hybridizace jak na fylogenetické, tak populační úrovni.

 

Další projekty a aktivity oddělení

Databáze velikosti genomu Kapské květenné oblasti

Ambiciózním cílem tohoto projektu je získat a postupně publikovat údaje o velkosti a složení (proporce AT/GC) genomu u většiny druhů rostlin jednoho z celosvětových center biodiverzity – Kapské květenné oblasti. Projekt je uskutečňován v součinnosti s jihoafrickými vědeckými institucemi (Univerzita ve Stellenboschi, Národní botanická zahrada v Kirstenboschi) i s místními floristickými nadšenci. V současné době máme k dispozici údaje ca pro 10 % rozpoznávaných druhů, které budou postupně publikovány.

 

Laboratoř průtokové cytometrie

Laboratoř průtokové cytometrie byla založena v září 2000. Zabývá se rychlým stanovením obsahu jaderné DNA (velikosti genomu) v relativních i absolutních jednotkách. Získané údaje jsou využívány ke studiu diverzity a dynamiky polyploidních komplexů cévnatých rostlin či ke zhodnocení evolučních a ekologických důsledků genomové duplikace (polyploidie) a variability v chromozomových počtech (aneuploidie). Další okruhy řešených otázek zahrnují studium vlivu velikosti jaderného genomu na vlastnosti organismů a stanovení způsobů reprodukce. Nespornou výhodou průtokové cytometrie je značná rychlost analýz, která umožňuje analyzovat rozsáhlé populační vzorky a získat tak informace o cytotypové variabilitě na různých úrovních organizace i na různých prostorových a časových škálách. Ve studiích je kladen důraz na propojení cytometrických technik s dalšími metodickými přístupy, zejména s molekulárními analýzami.

Přístrojové vybavení laboratoře čítá dva průtokové cytometry Partec PA II (s argonovým laserem 488 nm a rtuťovou UV výbojkou) a jeden průtokový cytometr Partec CyFlow Space (vybavený UV-čipem) využívané zejména pro stanovení stupně ploidie a průtokové cytometry Partec CyFlow SL a Partec CyFlow Space (oba vybavené diodovým laserem 532 nm) využívané zejména pro stanovení absolutní velikosti jaderného genomu.