Rekonstrukce evoluce plastidů

Podobné dokumenty
Testování hypotéz o vzniku eukaryotické buňky

Strom života. Cíle. Stručná anotace

trubicovitá pletivná vláknitá, větvená vláknitá

6. Kde v DNA nalézáme rozdíly, zodpovědné za obrovskou diverzitu života?


Hemoglobin a jemu podobní... Studijní materiál. Jan Komárek

Evoluce rostlinné buňky

BUNĚČ ORGANISMŮ KLÍČOVÁ SLOVA:

Fylogeneze a diverzita obratlovců I.Úvod

Systém a evoluce obratlovců I.Úvod

Buňka. Kristýna Obhlídalová 7.A

Aplikované vědy. Hraniční obory o ţivotě

Evoluce rostlinné buňky

Barbora Chattová. Fylogeneze a diverzita řas a hub: 2. přednáška Euglenophyta, Dinophyta, Cryptophyta

BUŇKA ZÁKLADNÍ JEDNOTKA ORGANISMŮ

Od sinice k první kytce...

Diverzita autotrofních protist

Evoluce primárních producentů. Pavel Škaloud katedra botaniky PřF UK

Po stopách rané evoluce primárních producentů. Pavel Škaloud katedra botaniky PřF UK

Bioinformatika a výpočetní biologie KFC/BIN. I. Přehled

Využití metod strojového učení v bioinformatice David Hoksza

Paleogenetika člověka

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Využití DNA markerů ve studiu fylogeneze rostlin

Biologie - Oktáva, 4. ročník (humanitní větev)

FLUORESCENČNÍ MIKROSKOP

Metody studia historie populací. Metody studia historie populací

Systematická biologie B51 volitelný předmět pro 4. ročník

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Jaro 2010 Kateřina Slavíčková

Jak měříme genetickou vzdálenost a co nám říká F ST

Biologie - Oktáva, 4. ročník (přírodovědná větev)

Maturitní témata BIOLOGIE

Taxonomický systém a jeho význam v biologii

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Využití metagenomiky při hodnocení sanace chlorovaných ethylenů in situ Výsledky pilotních testů

Teorie neutrální evoluce a molekulární hodiny

Výuka genetiky na Přírodovědecké fakultě UK v Praze

Vzdělávání středoškolských pedagogů a studentů středních škol jako nástroj ke zvyšování kvality výuky přírodovědných předmětů CZ.1.07/1.1.00/14.


Buňka buňka je základní stavební a funkční jednotka živých organismů

"Učení nás bude více bavit aneb moderní výuka oboru lesnictví prostřednictvím ICT ". Molekulární základy genetiky

Vzdělávací obsah vyučovacího předmětu

Aplikace DNA markerů v mykologii a molekulárni taxonomii

Saprofité-rozklad org. zbytků Paraziticky- mykosy... Symbioticky- s cévnatými rostlinami(mykorhiza)- 95% rostlinných druhů, rostlina poskytuje

Buňka. Buňka (cellula) základní stavební a funkční jednotka organismů, schopná samostatné existence. Cytologie nauka o buňkách

MOLEKULÁRNÍ FYLOGENETIKA A TAXONOMIE

PŘÍPRAVY K VYUČOVACÍM HODINÁM PRO TÉMATA BIOLOGICKÁ SYSTEMATIKA + NOVÝ SYSTÉM EUKARYOT

MODERNÍ POHLED NA VYŠŠÍ SYSTEMATIKU EUKARYOT. (učební text pro žáky středních škol)

Biologie - Sexta, 2. ročník

Maturitní témata Biologie MZ 2017

Název: POZOROVÁNÍ PLASTIDŮ,VAKUOL, BUNĚČNÉ STĚNY Autor: Paed.Dr.Ludmila Pipková

Jak se matematika poučila v biologii

Maturitní témata - BIOLOGIE 2018

Populační genetika III. Radka Reifová

Šablona č.i, sada č. 2. Buňka, jednobuněční. Ročník 8.

VZNIK ZEMĚ. Obr. č. 1

Oddělení: CRYPTOPHYTA

2. Maximální úspornost (Maximum Parsimony, MP)

Číslo a název projektu Číslo a název šablony

UNIVERZITA KARLOVA V PRAZE 3. LÉKAŘSKÁ FAKULTA (tématické okruhy požadavků pro přijímací zkoušku)

Tento materiál byl vytvořen v rámci projektu Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost.

9. Evo-devo. Thomas Huxley ( )

EVOLUCE ČLOVĚKA. úlohy k tématu + autorské řešení. Radka M. Dvořáková, Karolína Absolonová

PT#V/4/2012 Stanovení mikroskopického obrazu v pitné a surové vodě (obrazová dokumentace a prezentace ze semináře vyhodnocení kola)

Populační genetika II

PRAPRVOCI A PRVOCI Vojtěch Maša, 2009

orientuje se v přehledu vývoje organismů a rozliší základní projevy a podmínky života

Stavba dřeva. Základy cytologie. přednáška

Inovace studia molekulární a buněčné biologie reg. č. CZ.1.07/2.2.00/

Dědičnost pohlaví Genetické principy základních způsobů rozmnožování

Malý test na znalosti odběrových skupin ODPOVĚDI. PT#V/6/2010 Odběry vzorků koupaliště ve volné přírodě

Vlastnosti řas Tělo řas Rozmnožování řas Životní prostředí řas. Jaké jsou rozdíly v zařazení řas ve starších a novějších systémech?

Teorie neutrální evoluce a molekulární hodiny

ŘÍŠE ROSTLINY (PLANTAE)

Buňka. základní stavební jednotka organismů

Typy nukleových kyselin. deoxyribonukleová (DNA); ribonukleová (RNA).

Inovace studia molekulární a buněčné biologie

Projekt realizovaný na SPŠ Nové Město nad Metují

Název: Vývoj rostlin. Autor: Mgr. Blanka Machová. Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy. Předmět, mezipředmětové vztahy: Biologie

Buňka cytologie. Buňka. Autor: Katka Téma: buňka stavba Ročník: 1.

Anotace: Materiál je určen k výuce přírodopisu v 6. ročníku ZŠ. Seznamuje žáky se základní stavbou rostlinné a živočišné buňky.

M A T U R I T N Í T É M A T A

PROKARYOTICKÁ BUŇKA - příručka pro učitele

Srovnávací a historická gramatika, historicko-srovnávací metoda Franz Bopp, Jacob Grimm, Karl Brugmann

Rozvoj vzdělávání žáků karvinských základních škol v oblasti cizích jazyků Registrační číslo projektu: CZ.1.07/1.1.07/

Biologie - Kvinta, 1. ročník

Doprovodný materiál k práci s přípravným textem Biologické olympiády 2014/2015 pro soutěžící a organizátory kategorie B

téma: Úvodní praktikum autor: Mgr. Michal Novák cíl praktika: Seznámit žáky s náplní praktika doba trvání: 2 místo: odborná učebna biologie

Mgr. et Mgr. Lenka Falková. Laboratoř agrogenomiky. Ústav morfologie, fyziologie a genetiky zvířat Mendelova univerzita

ŘASY PRACOVNÍ LIST PRO STŘEDNÍ ŠKOLY

Fyzikální veličiny. - Obecně - Fyzikální veličiny - Zápis fyzikální veličiny - Rozměr fyzikální veličiny. Obecně

Obsah Navigace... 2 Primární ovládací prvky... 3 Sekundární ovládací prvky... 4 Slovní zásoba Ukončení programu... 14

Gymnázium Aloise Jiráska, Litomyšl, T. G. Masaryka 590

Očekávané výstupy podle RVP ZV Učivo předmětu Přesahy, poznámky. Poznáváme přírodu

Propojení výuky oborů Molekulární a buněčné biologie a Ochrany a tvorby životního prostředí. Reg. č.: CZ.1.07/2.2.00/

ŠKOLNÍ VZDĚLÁVACÍ PROGRAM

Malcomber S.T. (2000): Phylogeny of Gaertnera Lam. (Rubiaceae) based on multiple DNA markers: evidence of a rapid radiation in a widespread,

HYDROBOTANIKA. CHLOROPHYTA zelené řasy

Transkript:

Rekonstrukce evoluce plastidů Koncept aktivity: Studenti se v rámci práce po skupinách pokusí zrekonstruovat evoluci sekundárních plastidů a do fylogenetického stromu na pracovním listu zakreslit, kde různé typy sekundárních plastidů vznikly či byly naopak ztraceny, plastidy kterých skupin mají společný původ a které naopak vznikly nezávisle. Část studentů ( morfologický tým ) přitom bude vycházet z reálných fenotypových dat o morfologii a chemickém složení plastidů, druhá část ( genetický tým ) ze simulované genetické informace představující plastidový genom. Studenti si vyzkouší, jak se z útržkovitých dat skládají evoluční příběhy a rekonstruuje historie života. Neexistuje jedno správné řešení, pluralita a inovativní přístupy jsou podporovány. Na závěr proběhne diskuze, při níž se porovnají teorie, které formuluje morfologický tým a genetický tým - studenti se následně mohou pokusit vytvořit novou, společnou teorii, která by skloubila výsledky morfologického týmu i genetického týmu - a srovnání s vývojem reálných hypotéz o evoluci plastidů a v současnosti přijímanou teorií (str. 7-9). Pomůcky: pro každou skupinu: barevně vytištěný list se zjednodušeným fylogenetickým stromem (str. 4), psací potřeby, nůžky pro morfologický tým : vytištěná tabulka s vlastnostmi plastidů (str. 5) pro genetický tým : ideálně barevně vytištěná tabulka se sekvencemi představujícími plastidové genomy (str. 6) Zadání (str. 3) může být buď vytištěno a rozdáno studentům nebo slovně zprostředkováno vyučujícím. Prerekvizity: Pro úspěšnost této aktivity je nutné, aby studenti rozuměli konceptu fylogenetického stromu, dokázali ze stromu odvodit evoluční historii a vztahy mezi organismy, chápali význam větví a jejich uzlů, rozuměli základním pojmům jako taxon či sesterská linie a byli schopni jednoduchý strom sami načrtnout. Následující list (str. 2) poskytuje základní návod, který lze případně použít jako samostatný materiál pro výuku na toto téma. Několik článků zaměřených přímo na fylogenetiku naleznete např. v Živě 2016, 3. 1

Jak rozumět fylogenezi a jak ji rekonstruovat? Na následujícím obrázku je jednoduchý fylogenetický strom čtyř imaginárních organismů, které jsou zobrazeny vpravo, společně s krátkou sekvencí jejich DNA představující stejný gen. Vlevo, u kořene stromu, je jejich společný předek, rovněž včetně sekvence DNA. V průběhu času dochází v DNA k mutacím: těmi nejjednoduššími jsou substituce, tedy záměny jednoho znaku (nukleotidu, A, T, C nebo G) za jiný. Spolu s DNA se samozřejmě může měnit i fenotyp daného organismu, tedy to, jak organismus vypadá, jak se chová a co se v něm chemicky děje. Mutace a přechodné fáze vývoje našich čtyř organismů jsou vyznačeny podél větví stromu. Například při vývoji prvního z organismů tedy došlo ve sledovaném genu ke dvěma mutacím: nejprve T na C a poté G na C. Zároveň se změnila morfologie organismu: trochu se zakulatil a přišel o tykadla. Z fylogenetického stromu je také zjevné, že kulatý organismus s nožičkami je nejblíže příbuzný kulatému organismu s křidélky, zatímco oba podlouhlé organismy s ocásky jsou si blízce příbuzné a tvoří skupinu, která je sesterská ke skupině tvořené kulatými organismy. Jak ale takový strom zkonstruovat, pokud bychom měli k dispozici jen informace o tom, jak organismy vypadají nebo jaká je jejich DNA sekvence námi sledovaného genu? Musíme nějakým způsobem vyhodnotit, které organismy jsou si příbuznější a které méně příbuzné. U morfologických znaků je takové posouzení veskrze kvalitativní. Pro porovnávání sekvencí DNA existují sofistikované počítačové algoritmy. Základní představu si ale lze udělat například z toho, kolik pozic v sekvenci je mezi různými dvojicemi genů shodných. 2

Zadání: Fylogenetický strom ukazuje evoluční příbuznost dvaceti šesti linií představujících určité taxonomické skupiny či jejich konkrétní zástupce. Barevným oválkem na koncích větví jsou označeny organismy s plastidy: zelenými, červenými či bezbarvými (nefotosyntetickými). Větve bez oválků představují organismy či skupiny organismů, které plastidy nemají. Tyrkysová hvězda označuje místo na evolučním stromě, kde došlo ke vzniku primárního plastidu endosymbiózou eukaryota se sinicí: u společného předka zelených řas, červených řas a glaukofyt, které se rozvětvily až po této události a jejichž plastidy jsou všechny stejného původu. Všechny ostatní plastidy vyznačené na fylogenetickém stromě jsou sekundárního původu: vznikly až druhotně, a to právě ze zelených nebo červených řas. Vašim úkolem bude na tento strom doplnit další hvězdy (zelené a červené), které budou označovat místa, kde k těmto sekundárním vznikům plastidů došlo. Je také možné, že některé plastidy ztratily svou schopnost fotosyntézy (a tedy barvu) nebo že byly zcela ztraceny. Větve vedoucí k organismům či skupinám organismů, jejichž předek podle vaší teorie plastid měl, ale které o něj následně přišly, označte křížkem. Morfologický tým bude evoluční scénář vymýšlet na základě informací o tom, jak vypadají plastidy jednotlivých zástupců počtu membrán, přítomnosti nukleomorfu (pozůstatku jádra původního symbionta), toho zda je plastid propojený membránou s endoplasmatickým retikulem (ER), přítomnosti různých pigmentů a dalších látek atd. Genetický tým bude evoluční scénář vymýšlet na základě informace obsažené v genomu plastidu budou porovnávat proteinové sekvence a určovat, které jsou si podobnější, a které jsou vzdáleněji příbuzné. TIP: Pro porovnávání sekvencí i morfologických znaků v tabulce může být užitečné si tabulku rozstříhat na řádky a řadit si je podle podobnosti. Můžete také postupovat po sloupcích tabulky a zapisovat si podskupiny organismů, které sdílejí stejné morfologické znaky nebo písmena sekvence na stejné pozici, a následně se podívat, zda se některé tyto podskupiny podezřele často neopakují takové si budou pravděpodobně blízce příbuzné. Při hledání postupu řešení se fantazii meze nekladou fantazii skutečných evolučních biologů a bioložek také nikdo neomezuje! 3

4

Srovnání fenotypů plastidů jednotlivých zástupců (morfologií a obsahu barviv a dalších látek) organismus počet membrán stěna nukleomorf propojení s ER chlorofyl a chlorofyl b chlorofyl c chlorofyl d fykobiliny fukoxanthin peridinin zásobní látka Bigelowiella 4 ne ano ano ano ano ne ne ne ne ne? Cyanophora 2 ano ne ne ano ne ne ne ano ne ne florideový škrob Ectocarpus 4 ne ne ano ano ne ano ne ne ano ne laminarin Emiliania 4 ne ne ano ano ne ano ne ne ano ne chrysolaminarin Euglena gracilis 3 ne ne ne ano ano ne ne ne ne ne paramylon Euglena longa 3 ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne paramylon Heterocapsa 3 ne ne ne ano ne ano ne ne ne ano florideový škrob Chlamydomonas 2 ne ne ne ano ano ne ne ne ne ne škrob Chromera 4 ne ne ne ano ne ne ne ne ano ne? Chromulina 4 ne ne ano ano ne ano ne ne ano ne laminarin Noctiluca 3 ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne florideový škrob Pinnularia 4 ne ne ano ano ne ano ne ne ano ne chrysolaminarin Plasmodium 4 ne ne ne ne ne ne ne ne ne ne florideový škrob Porphyra 2 ne ne ne ano ne ne ano ano ne ne florideový škrob Rhodomonas 4 ne ano ano ano ne ano ne ano ne ne florideový škrob 5

Srovnání proteinové sekvence stejného plastidového genu jednotlivých zástupců (písmena označují různé aminokyseliny) Bigelowiella Cyanophora Ectocarpus Emiliania Euglena gracilis Euglena longa Heterocapsa Chlamydomonas Chromera Chromulina Noctiluca Pinnularia Plasmodium Porphyra Rhodomonas M A S S G K R R A T L E L H F K S A D I V G R N V A M T P K I V T D G V L A A K E V D I F G A K L V R Q A A L K Q C D A D G M A S T G K R K V S A E L H F K S A D L V G R N V V Y S P K I V N D G V T V A K E V E L I G A K L V R Q A A A K T N D A D G M A S Y G K R R V S S A L H F K S A D L A I G N V A Y S P K I V N D C A L A A K E V E L I G A S R V R Q A A R K Y T D A E C M A A T N K R R V S A E F A K K S A D L V G R N V A Y S L N I V N D G I I A A K E V E L I G A K L V R K K V A K T N E A D E M A S T C K R R A S A E L H A K S A D A V G R N V A Y T P K I V N D G V V A I R D V E L I G A K L V R N T V L K T N D A D G M A S T C K R R A S A E L H A K T A D A V G R N V L Y T P K I V N D G V V A I R K V E L I G A K L V R N T V L K T N D A D G M S S A R P R R V S A E L H F N C S E V L L R S P A Y S K V I L E R G V A A A K D V D L L S A K H A A L I S A K T N E P E G M A S T G K R R A S A E L H F K S A D I V G R N V A Y T P K I V N D G V V A A K E V E L I G A K L V R Q A A L K T C D A D G M A S A R K R R V S A E L H F N C S E V V G K S P A Y S P K L L N D G V V A A K E V E L I G A K H I A L A A A K T N E A D G M A S Y G R K R V S F A L H F K S A D L A I G N V A T S P K I V N D C A L A A K E V E L L G A S R V R Q A A R K T T D A E C M S S A R P R R V S S E L H F N C S E V L L R S P A Y S K V I L E R G V A A L K D V D L L S A K H A L L I S A K T N E P E E M A S Y G K R R V S S A L H F K S A D L A I G N V A Y S P K I V N D C A L A A K E V E L I G A S R V R Q A A A K T T D A E C M A S A R K R R V S A E L H F N C S E V V G K S P A Y S K V I L E R G V V A A K E V E L I G A K H I A L I S A K T N E P D G M A S T G K R R V S A E L H F K S A D L V G R N V A Y S P K I V N D G V V A A K E V E L I G A K L V R Q A A A K T N D A D G M A S T G K R A L S A D I R S K S A D L V T R N V A Y S P K I V N E S I A A A K E V E L I C C K L V R H A A K K T N D I D G 6

Řešení - Jak to bylo doopravdy? Podle dlouho přijímané chromalveolátní hypotézy vznikly sekundární červené plastidy pouze jednou v evoluci a tato událost vymezila velkou skupinu zvanou Chromalveolata (na obrázku oddíl podbarvený oranžově; skrytěnky byly tehdy považovány za sesterskou skupinu haptofyt, takže do chromalveolát spadaly také, byť to na stromě s dnes platnou topologií nelze naznačit): Dříve se také vážně uvažovalo o tom, že zelený plastid, dnes přítomný u krásnooček, měly původně i trypanosomy, které o něj druhotně přišly, když se přeorientovaly na parazitický způsob života: 7

Nová sekvenční data a následné přeskupování větví na fylogenetickém stromě eukaryot ale s chromalveolátní hypotézou poněkud zamávaly. Zjistilo se, že haptofyti a skrytěnky sedí na dvou různých a výrazně vzdálenějších větvích, než se původně zdálo. Bylo tedy jasné, že své plastidy získaly nezávisle na zbytku bývalých chromalveolát: Další fylogenetické analýzy založené na kvalitnějších datech ze širšího spektra organismů ukázaly, že ani plastidy alveolát (obrněnek, výtrusovců a chromeridů) a plastidy stramenopil (rozsivek, chaluh, zlativek a dalších hnědých řas) nejsou stejného původu. V současnosti se tedy domníváme, že červené sekundární plastidy vznikly v evoluci minimálně čtyřikrát: 8

Náměty k diskuzi: Jaké jsou výhody a nevýhody rekonstrukce evoluce z fenotypových a genetických dat? Některé morfologické znaky mohou vzniknout během evoluce vícekrát (podobně jako se např. ploutve vyvinuly nezávisle u ryb, ploutvonožců, kytovců, tučňáků i ichtyosaurů a plesiosaurů) a bez genetické informace nemusíme být schopni odlišit, zda je nějaký společný znak synapomorfií, tedy znakem, který má stejný evoluční původ, či evoluční konvergencí, tedy znakem, který se vyvinul nezávisle do stejné podoby, ať už kvůli podobným vlivům prostředí (například potřebou pohybovat se ve vodě) či pouhou náhodou. Molekulárně genetické metody jsou zase limitovány dostupností dat, mnohdy vůbec možností daný organismus osekvenovat některé genomy jsou obrovské anebo složitě či netypicky uspořádané a proto důkladné sekvenaci dosud odolávají. Zdrojem zmatků může být také horizontální genový transfer (HGT), tedy situace, kdy se určitá část genetické informace přenese do zcela nepříbuzného organismu to se může stát v důsledku těsného ekologického vztahu (např. symbiózy) či třeba prostřednictvím virů. Digitální data mohou být kupodivu také kontaminována například genetickou informací z všudypřítomných bakterií či spor hub. Pro stejná data může existovat více platných vysvětlení Zvláště v evoluční biologii se u mnohých věcí nikdy nedozvíme jak to ve skutečnosti bylo - například proto, že proběhly před mnoha miliony až miliardami let a pro mnoho z nich ani nemáme žádné fosilní záznamy. Všechny scénáře, které vymyslíme, budou pouze teorie, které se mohou v něčem vylučovat a v něčem překrývat a některé jevy mohou vysvětlovat jinak, každá však zcela logicky a konzistentně. Důležité ale je tyto teorie neustále testovat a být připraven je zavrhnout, pokud je nějaká nová, dříve neznámá fakta vyvrátí. Možnosti vědeckého poznání limitují dostupné technologie a metody Před rozvojem mikroskopie a biochemie nebylo možné prvoky a řasy klasifikovat. Před rozvojem sekvenace DNA se vztahy odvozovaly pouze z fenotypu, což může být někdy zavádějící (viz synapomorfie vs. konvergence). Dnes máme k dispozici digitalizovanou genetickou informaci a programy na její zpracování. Vycházet ale pouze z ní může být také ošemetné (viz HGT či kontaminace). 9