Jak pomocí cytometrie odhalit, k čemu jsou rostlinám holocentrické chromosomy

Transkript

1 Jak pomocí cytometrie odhalit, k čemu jsou rostlinám holocentrické chromosomy Petr Bureš, František Zedek, Jakub Šmerda, Pavel Veselý & Klára Plačková Ústav botaniky a zoologie, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita, Brno

2 Monocentrické Holocentrické Dvě strukturní alternativy u eukaryot Kinetochor omezený na malou oblast = centromeru Kinetochor pokrývající většinu hřbetního povrchu chromosomů

3 záření Acentrický fragment ztracen Monocentrické Mikrotubuly táhnou za malý kinetochor, vlající ramena tažena pasivně V anafázi buněčného dělení Holocentrické Vyztužené chromatidy se rozestupují paralelně, jsou zapřaženy v celé své délce Fragment s kinetochorem zachován záření

4 Holocentrické chromosomy u rostlin (a živočichů) scorpions of family Buthidae 800 spp. spider families of Dysderidae & Segestriidae 600 spp. basal angiosperms monocots Trithuria Hydatellaceae 10 ssp. Myristica Myristicaceae 180 spp. Thurniaceae 4 spp. Odonata = order of dragonflies spp. Myriapoda = subphyllum of centipeds; and millipedes spp. eudicots Juncaceae 430 spp. Cuscuta Convolvulaceae subgen. Cuscuta, subgen. Grammica 60 spp. Drosera Droseraceae 110 spp. Cyperaceae 5430 spp. Chionoghraphis Melanthiaceae 6 spp. Lepidoptera = order of butterflies spp. Auchenorrhyncha = suborder of cicads spp. Heteroptera = suborder of bugs spp. Trichoptera = order of sedgeflies spp. Phthiraptera = order of louses spp. Sternorrhyncha = suborder of scale insects and aphids spp. charophycean green algae class Zygnematophyceae 4100 spp. Nematoda = phyllum of roundworms spp. Onychophora = archaic primitive phyllum of velvet worms of wet tropics 80 spp.

5 Holocentrické chromosomy u rostlin (a živočichů) Holocentrismus vzniká opakovaně a nezávisle Myristica 10 ssp. basal Myristicaceae angiosperms monocots Trithuria Hydatellaceae mělo by to být k něčemu dobré... Juncaceae 5430 spp. 430 spp. K eudicots čemu je dobrý chromosomální Auchenorrhyncha = suborder of cicads spp. Heteroptera Phthiraptera = suborder of bugs = order of louses holocentrismus? Cuscuta Convolvulaceae subgen. Cuscuta, subgen. Grammica 60 spp. Drosera Droseraceae 110 spp. 180 spp. Thurniaceae 4 spp. Cyperaceae Chionoghraphis Melanthiaceae 6 spp. scorpions of family Buthidae 800 spp. Odonata = order of dragonflies spp. Když ale něco vzniká v evoluci opakovaně, Lepidoptera = order of butterflies spp. spider families of Dysderidae & Segestriidae 600 spp spp. Myriapoda = subphyllum of centipeds; and millipedes spp. Trichoptera = order of sedgeflies spp spp. Sternorrhyncha = suborder of scale insects and aphids spp. charophycean green algae class Zygnematophyceae 4100 spp. Nematoda = phyllum of roundworms spp. Onychophora = archaic primitive phyllum of velvet worms of wet tropics 80 spp.

6 záření Monocentrické V anafázi buněčného dělení Acentrický fragment ztracen Mikrotubuly táhnou za malý kinetochor, vlající ramena tažena pasivně Holocentrické Mohlo by to souviset se zářením... Výbuchy supernov? Změny polarity zemského magnetismu? Sopečné erupce?? Vyztužené chromatidy se rozestupují paralelně, jsou zapřaženy v celé své délce Fragment s kinetochorem zachován záření Co terestrializace?

7 Přestože je holocentrismus chromosomů méně častý než monocentrismus... holo holo holo holo?? holo Hypotéza: Holocentrici přežívali při terestrializaci lépe než monocentrici? Dalo by se to testovat? Co to zkusit cytometricky?... mezi liniemi, které přešly z vody na souš nápadně převažuje! holo

8 Flow-cytometrická detekce holocentrismu Monocentrický druh Kalanchoë delagoensis Ozářeným monocentrikům se zastaví dělení v G2 fázi Holocentrický druh Luzula sylvatica Holocentrici se i po ozáření dělí vesele dál

9 Flow-cytometrická detekce holocentrismu Monocentrické Asplenium bulbiferum Aspleniaceae, Ferns Peperomia glabella Piperaceae, Piperales Kalanchoë delagoensis Crassulaceae, Saxifragales Sedum spurium Crassulaceae, Saxifragales Euonymus japonicus Celastraceae, Celastrales Pisum sativum Fabaceae, Fabales Begonia bowerae Begoniaceae, Cucurbiales Silene nocturna Caryophyllaceae, Caryophyllales Lysimachia nemorum Primulaceae, Ericalales Cymbalaria muralis Plantaginaceae, Lamiales Plectranthus amboinicus Lamiaceae, Lamiales Lavandula angustifolia Lamiaceae, Lamiales Senecio articulatus Asteraceae, Asterales Holocentrické Nárůst podílu tetraploidních buněk Drosera scorpioides Droseraceae, Caryophyllales Isolepis prolifera Cyperaceae, Poales Carex pilulifera Cyperaceae, Poales Carex grayi Cyperaceae, Poales Prionium serratum Thurniaceae, Poales Drosera capensis Droseraceae, Caryophyllales Eleocharis palustris Cyperaceae, Poales Scirpus cernuus Cyperaceae, Poales Carex humilis Cyperaceae, Poales Luzula sylvatica Juncaceae, Poales Většina druhů klonálních 13 druhů / 11 čeledí 10 druhů / 4 čeledi

10 UV-B záření rostliny lesního podrostu rostliny lesního podrostu

11 Pokus 1: Les-neles UV-B záření Deforestace --- z hlediska nárůstu UV-B záření analogie přechodu z vody na souš rostliny lesního podrostu rostliny lesního podrostu na pasece

12 Pokus 1: Les-neles Holo Carex digitata Carex leporina Carex pilosa Luzula luzuloides Mono Alliaria petiolata Convallaria majalis Galium odoratum Melica nutans Melica uniflora Poa nemoralis Primula veris Urtica dioica rostliny lesního podrostu párový design 5 vers 5 rostliny lesního podrostu

13 Pokus 1: Les-neles Pro každý druh na každé lokalitě Podobá se to sice patternu který jsme viděli u gama záření, nicméně G2 / (G1+G0) 5x v sousedním lese G2 / (G1+G0) G1 + G0 G2 5x na pasece Nakonec jsme pro každý druh nárůsty G2 / (G1+G0) na pasece G2 / (G1+G0) v sousedním lese zprůměrovali a porovnali jsme... Holocentriky s monocentriky

14 Pokus 1: Les-neles Pro každý druh na každé lokalitě spočítán nárůst poměru G1 G2 / (G1+G0) + G2 na pasece G0 oproti tomuto poměru, naměřeném G2 / (G1+G0) v sousedním lese Nakonec jsme pro každý druh nárůsty Podobá se to sice patternu který jsme viděli u gama záření, nicméně 4 holocentrics 8 monocentrics Mann-Whitney p = rozdíl mezi Holo a Mono není signifikantní G2 / (G1+G0) na pasece G2 / (G1+G0) v sousedním lese zprůměrovali a porovnali jsme... Holocentriky s monocentriky

15 Pokus 1: Les-neles absorbance při nm V regresním modelu vyšla signifikantní interakce mezi UV-B a typem struktury chromosomů (Holo nebo Mono) S rostoucím UVb roste poměr G2 / (G1 + G0) N = 1009: 314 holo, 695 mono

16 Pokus 1: Les-neles Monocentrici: G2 / (G0 + G1) roste v závislosti na UV-B protektivech rychleji Holocentrici: sklon růstu G2 / (G0 + G1) v závislosti na UV-B protektivech se neliší signifikantně od nuly

17 Pokus 2: Graminoidi na altitudinálním gradientu 2900 m 2320 m 2020 m 1480 m 920 m 270 m Brno Holo Carex flacca Luzula nemorosa Kobresia myosuroides Juncus compressus Carex digitata Carex leporina Luzula spicata Mono Sesleria caerulea Koeleria insubrica Deschampsia cespitosa Festuca filiformis Festuca rubra ssp. juncea Nardus stricta

18 Pokus 2: Graminoidi na altitudinálním gradientu Ze střední části listu jsme odebrali 2x stejnou délku Made by O. Knápek = Odběry:

19 Pokus 2: Graminoidi na altitudinálním gradientu S rostoucí nadmořskou výškou roste poměr G2 / (G0 + G1) V regresním modelu je signifikantní interakce chromosomálního typu (holo- nebo monocentrické) a nadmořské výšky 827 hodnot pro G2 / (G0+G1)

20 Pokus 2: Graminoidi na altitudinálním gradientu Monocentrici: G2 / (G0 + G1) roste s nadmořskou výškou rychleji Holocentrici: sklon růstu G2 / (G0 + G1) v závislosti na nadmořské výšce se neliší signifikantně od nuly 827 hodnot G2/(G0+G1), z toho 427 pro holo a 400 pro mono

21 Beckman et al. (2014) in Methods in Ecology and Evolution 5: Miehe et al. (2008) in Ambio 37:

22 Pokus 3 : Holo- a monograminoidi v kompetici síť: 0.05 x 0.05 UV-B každá půlhodina od do GB dat georeferencovaných vegetačních snímků bez stromového patra s přítomností Poaceae + (Cyperaceae nebo Juncaceae) Excerpovány průměrné denní dávky z vegetačních sezón

23 Pokus 3 : Holo- a monograminoidi v kompetici pro každý snímek spočítán poměr pokryvností (Cyper + Junc) / Poaceae pro každý snímek spočítán vážený průměr indikačních hodnot pro vlhkost pro celý soubor spočítána regrese: vlhkost (Cyper + Junc) / Poaceae = Holo/Mono Analyzována rezidua georeferencovaných vegetačních snímků bez stromového patra s přítomností Poaceae + (Cyperaceae nebo Juncaceae)

24 Pokus 3 : Holo- a monograminoidi v kompetici Analýza reziduí (Cyper + Junc) / Poaceae UV-B georeferencovaných vegetačních snímků bez stromového patra s přítomností Poaceae + (Cyperaceae nebo Juncaceae) Excerovány průměrné denní dávky z vegetačních sezón ( )

25 Pokus 3 : Holo- a monograminoidi v kompetici S rostoucím UV-B zářením se poměr holo / mono u graminoidů zvyšuje snímků bez stromového patra s přítomností Poaceae + (Cyperaceae nebo Juncaceae) Excerovány průměrné denní dávky z vegetačních sezón ( )

26 Závěry: - Také dnešní monocentrici mohou mít ve vyšším UV-B větší problémy než holocentrici (les-neles, altitudinální gradient). - Menší kompetitivnost dnešních holocentriků je o něco méně malá pokud soutěží s monocentriky ve vyšším UV-B záření. - V žádném případě nechceme říci, že je (z dlouhodobého hlediska) holocentrismus výhodnější než monocentrismus!!! - Rovněž zkoumání role šáchorovitých a trav v dnešních ekosystémech předmětem našeho výzkumu opravdu nebylo!!! - Jen jsme podpořili naši hypotézu, že terestrializace pozemského života mohla být jedním z evolučních kontextů, při kterých mohl být holocentrismus k něčemu dobrý

27 Mgr. František Zedek, Ph.D. Mgr. Jakub Šmerda, Ph.D. Mgr. Pavel Veselý, Ph.D. Mag.Dr. Alois W. Schmalwieser Unit of Physiology and Biophysics University of Veterinary Medicine, Vienna, Austria Mgr. Jakub Nezval, Ph.D. Katedra Fyziky Mgr. Petr Šmarda, Ph.D. Děkuji za prof. RNDr. Milan Chytrý, Ph.D. Klára Plačková Mgr. Lucie Horová pozornost Mgr. Ilona Knollová, Ph.D. Mgr. Daniela Bártová doc. Mgr. Lubomír Tichý, Ph.D. Jana Kocmanová