Vedoucí: Ing. Mgr. Pavel Trávníček, Ph.D.

Lidé ׀ Grantové projekty׀ Publikace ׀ Web oddělení

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.

Výzkumná témata

• Změny na úrovni jedinců a jejich genomů (horizontální přenos genů, endopolyploidizace, cytogenetika)
• Mikroevoluční procesy na úrovni populací (interakce mezi cytotypy, fylogeografie, atd.)
• Vzájemné vztahy na druhové úrovni (evoluce diploidně-polyploidních komplexů, hybridní speciace, molekulární systematika, atd.)
• Detekování evolučních sil uplatňujících se na rodové a vyšší úrovni (např. důvody rozdílné radiace)

Vybrané výsledky z posledních let

1/ Vztah transposonů a ekologie u rodu Pteronia

V rámci studia Kapské květeny jsme se zaměřili na výzkum rodu Pteronia (hvězdnicovité), který představuje jeden z velmi diverzifikovaných endemických rodů místní flóry. V první fázi jsme na základě širokého screeningu ca 60 zástupců rodu vytipovali 31 diploidních druhů, u kterých byla navíc detekována významná variabilita ve velikosti genomu. U těchto druhů jsme rekonstruovali fylogenetické vztahy s využitím cíleného obohacení specifických úseků DNA a následného sekvenování metodou Illumina. Tytéž vzorky byly použity i na sekvenování s nízkým pokrytím celého genomu za účelem získání kvalitativních i kvantitativních informací o opakujících se elementech genomů (transposonů, satelitní DNA, atp.) pro komparativní analýzu. Naše výsledky ukázaly, že změna velikosti genomu je spojená s rapidním nárůstem Tekay elementů z Ty3-gypsy rodiny a je navázána výlučně na ty druhy, které rostou pouze ve fynbosu (specifická vegetace mediteránního typu Kapské oblasti). Lze předpokládat, že nárůst velikosti genomu spojený s výraznou akumulací Tekay elementů je úzce spjat s přechodem druhů původně adaptovaných na aridní vegetaci sukuletního karoo do fynbosu.

• Chumová Z., Belyayev A., Mandáková T., Zeisek V., Hodková E., Šemberová K., Euston-Brown D. & Trávníček P. 2022: The relationship between transposable elements and ecological niches in the Greater Cape Floristic Region: A study on the genus Pteronia (Asteraceae). Frontiers in Plant Science 13, 1 – 18. doi: 3389/fpls.2022.982852

Fylogeneze druhů rodu Pteronia se zjištěnými rodinami satelitní DNA. (A) Druhový strom ASTRAL rodu Pteronia založený na 244 jaderných lokusech COS s evolucí velikosti genomu. (B-D) Lokalizace chromozomů satelitních rodin 1 (zeleně), 2 (červeně) a 4 (purpurově) zobrazená u P. unguiculata (B), P. ovalifolia (C) a P. incana (D).

2/ CACTA transposony u rodu merlík (Chenopodium)

CACTA transposony představují jednu z nejčastěji se vyskytujících se rodin Class 2 (tzv. Cut-and paste) transposonů. V této studii jsme pomocí technologie Illumina sekvenovali s nízkým pokrytím genomy 22 druhů ze skupiny Chenopodium album agg a identifikovali úplné sekvence CACTA elementů, které jsme podrobili komparativním analýzám.

Odhalili jsme, že CACTA elementy se vyznačují proměnlivou strukturou. Celkem jsme identifikovali čtyři typy těchto elementů, lišících se počtem a kombinací konzervovaných proteinových domén. U některých z nich jsme identifikovali přítomnost kódujících sekvencí, představující fragmenty genů zodpovědných za regulaci kvetení. U některých studovaných druhů se vyskytovaly současně dva různé typy CACTA elementů. Analýzou veřejně dostupných databází  sekvencí DNA jsme zjistili, že tyto různé typy CACTA elementů jsou zastoupeny i u jiných skupin krytosemenných rostlin.

CACTA transposony mají sice konzervovanou určitou elementární strukturu sekvence DNA,  na druhou stranu nad rámec této struktury kumulují širokou škálu modifikací kódujících i nekódujících sekvencí. Takto pozměněné CACTA elementy můžou získat nové funkční vlastnosti, které můžou ovlivnit evoluční trajektorii hostitelského genomu.

• Belyayev A., Josefiová J., Jandová M., Kalendar R., Mahelka V., Mandák B. & Krak K. 2022: The structural diversity of CACTA transposons in genomes of Chenopodium (Amaranthaceae, Caryophyllales) species: specific traits and comparison with the similar elements of angiosperms. Mobile DNA 13, 1 – 16. doi:1186/s13100-022-00265-3

A) Schematická reprezetace čtyř typů CACTA elementů, vymezených na základě variability počtu a kombinace protein kódujících domén. B) Rozšíření těchto typů v rámci krytosemenných rostlin. Výskyt určitého typu CACTA transposonu je definován barvenými hvězdičkami. Řád  Carophyllales do kterého patří rod Chenopodium je zvýrazněn červeně.

3/ Chromozomální fragment z prosa, vnesený před několika miliony let do genomů ječmenů, obsahuje sadu genů souvisejících se stresem.

V evoluci rodu ječmen (Hordeum) došlo k vícenásobnému horizontálnímu přenosu genetické informace z panikoidních trav. Při jedné z těchto událostí byla přenesena DNA ze zástupce rodu proso (Panicum) do genomu předka ječmenů sekce Stenostachys. Přeneseno bylo pravděpodobně více fragmentů chromozomů z prosa, které byly v genomu ječmene přeskupeny do jednoho cizorodého fragmentu. Ten obsahuje několik protein-kódující genů, a dále ribozomální DNA a transponovatelné elementy. Panikoidní protein-kódující geny hrají roli ve stresových podmínkách, přičemž minimálně jeden se jeví jako potenciálně funkční u současných ječmenů. Horizontální přenos tak mohl sehrát roli v adaptaci ječmenů na měnící se prostředí.

• Mahelka V., Krak K., Fehrer J., Caklová P., Nagy Nejedlá M., Čegan R., Kopecký D. & Šafář J. 2021: A Panicum-derived chromosomal segment captured by Hordeum a few million years ago preserves a set of stress-related genes. Plant Journal 105, 1141 – 1164. doi:10.1111/tpj.15167

Druhy divokého ječmene (Hordeum) nesou chromozomální segment, který byl přenesen z prosa (Panicum). Zatímco linie pooidních a panikoidních trav se rozdělily asi před 50 miliony let, fragment DNA původem z prosa byl do ječmene přenesen před 2,9 až 1,7 miliony let. Fragment obsahuje protein-kódující geny, ribozomální DNA (rDNA) a transponovatelné elementy (TE). Před integrací do ječmene bylo několik různých fragmentů DNA z prosa přeskupeno do jednoho výsledného lokusu. Alespoň jeden z genů je potenciálně funkční.

4/ Zmnožení repetitivních úseků DNA a částečná endoreplikace společně utvářejí charakter evoluce velikosti genomu u orchidejí

Na modelové skupině orchidejí Pleurothallidinae jsme se pokusili posoudit roli zmnožení repetitivní DNA, chromozomální variability a typu endoreplikace v evoluci velikosti genomu. Orchideje jsou totiž jedinou skupinou rostlin, u níž je znám jedinečný typ endoreplikace, kdy se během diferenciace buněk duplikuje pouze druhově specifická část genomu. Náš výzkum ukázal, že částečná endoreplikace vede k přednostní replikaci funkčních částí genomu (např. genů). Naproti tomu části genomu bohaté na repetitivní sekvence, tj. ty, které nekódují geny, a tudíž se neprojevují ve vlastnostech organismů, se během endoreplikace nereplikují. Navíc jsme prokázali, že evoluce genomu na úrovni druhu probíhá dvojím tempem: zatímco kódující část genomu je u blízce příbuzných druhů víceméně konstantní, část DNA obsahující nekódující oblasti se neustále mění a s ní i celková velikost genomu. To vede, mimo jiné, i ke kromobyčejné variabilitě velikosti genomu u orchidejí.

• Chumová Z., Záveská E., Hloušková P., Ponert J., Schmidt P.-A., Čertner M., Mandáková T. & Trávníček P. 2021: Repeat proliferation and partial endoreplication jointly shape the patterns of genome size evolution in orchids. Plant Journal 107, 511 – 524. doi:10.1111/tpj.15306

Obrázky květů zástupců zájmové skupiny orchidejí Pleurothaliidinae seřazené od nejpůvodnějších (vpravo dole) po nejodvozenější (vlevo nahoře). Neobvyklou morfologickou rozmanitost doprovází unikátní vlastnost genomu, dosud neobjevená u jiných organismů krom orchidejí, která má zásadní vliv na jejich evoluci velikosti genomu.