Jakou jednotku máme m me chránit? (populaci, druh, poddruh) Jak genetické faktory ovlivňuj ují životaschopnost a přežívání populací?? Kolik jedinců je potřeba k záchraně druhu? Kolik genetické variability mám k dispozici ohrožený druh k tomu, aby se přizpp izpůsobil budoucím m změnám? m?
Ochranářsk ská genetika (Conservation Genetics) Význam a využití genetických informací v praxi
Ochranářsk ská genetika ochranářská 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: Prvníčasopis 2000 První učebnice 2002
Proč je genetická variabilita důled ležitá? Jedinci téhož druhu se liší fenotypová variabilita to co vidíme je fenotyp! P = G + E + G E fenotyp = genotyp + env. prostředí + interakce
Proč je genetická variabilita důled ležitá? 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) Genetická variabilita je zásadnz sadní pro evoluci a adaptaci!
Genetická a druhová diverzita se vzájemn jemně udržuj ují (Lankau & Strauss,, Science 2007) glukosinolát sinigrin allelopatický a fungicidní různá koncentrace druhově chudé Brassica nigra imigrant genetická diverzita (genotypy hořčice) druhově bohaté druhová diverzita společenstva vysoká konc. nízká konc.
Fenotypová plasticita 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 taxonomii dva fenotypy, ale jeden druh morfologická vs. molekulární fylogeneze Dělnice nebo voják: To je vše co můžete nabídnout? To je tedy výběr! komplikuje? co chránit geneticky jedinečný organismus a/nebo unikátní prostředí, kde exprese různých fenotypů může vést ke vzniku nového druhu
Vznik genetické diverzity rekombinace mutace rychlost za normálních okolností lidé : 0.5 až 4 / 100 tisíc gamet baktérie : 0.00007 až 0.41 / 100 tisíc gamet ale bakterie krátké generace, rychlá adaptace obvykle recesivní, projev u homozygotů polyploidie zmnožení chromozomové sádky 47-70% všech rostlin mnoho zemědělských plodin sympatrická speciace reprodukční izolace v rámci 1 generace
Genetický drift náhodný posun v četnosti alel mezi generacemi alely se mohou snadno ztratit nebo zafixovat přírodní výběr výhodné alely x genetický drift výhodné, neutrální, nevýhodné alely
Hlavní typy genetické variability neutráln lní variabilita neovlivňuje fitness nekorelované! adaptivní variabilita zvyšující fitness detrimentáln lní - variabilita snižující fitness (mutace, genetický drift) genetická zátěž (genetic load load) snížení průměrného fitness populace např. vlivem inbreedingu oproti populacím bez zátěže genetická obnova (genetic( restoration restoration) eliminace a snížení škodlivých genotypů a návrat k normálu introdukcí jedinců z geneticky zdravých populací
Genetická diverzita obsažen ená v druzích existuje na 3 základnz kladních úrovních:
Jak měřm ěříme geneticg enetickou variabilitu variabilita mezi geny alely (AA Aa aa) & haplotypy (kombinace alel různých lokusů, AbCD) variabilita v rámci r jedince individuální heterozygozita podíl heterozygotních lokusů variabilita uvnitř populací Míra polymorfizmu: Heterozygozit ita (H): Diverzita alel (A): podíl polymorfních lokusů v populaci podíl jedinců v populaci, kteří jsou heterozygotní (polymorfní) v určitém lokusu průměrný počet alel na lokus (závislé na Ne) variabilita mezi populacemi genetická rozrůzněnost (divergence) (sub) populací Wrightovy F-statistiky, fixační index F ST : diferenciace populací dle heterozygotnosti, vliv rozdělení populace na subpopulace (0 panmiktická, 1 izolovaná), alozymy Nei koeficient genetické rozrůzn zněnosti nosti G ST (Nei 1973): srovnává gen. variabilitu mezi populacemi vůči sloučené diverzitě všech populací, pracuje s frekvencí alel, někdy se označuje F ST, mtdna, mikrosatelity
rychlá výměna generací rychlá akumulace gen. diverzity
Allelic richness (A) Molekulárn rní markery a jejich využit ití: Výběr markeru záleží na otázce, kterou chceme zodpovědět! Proteinové markery alozymy (isozymy) - levné a rychlé, živá tkáň - genetická struktura populací - způsob rozmnožování Gentiana pneumonanthe Polymorphism Cross-fertilization rate (Raijmann et al. 1994 )
Molekulárn rní markery a jejich využit ití: DNA markery - jaderný, chloroplastový a mitochondriální genom pořad adí nukleotidů sekvence, např. ITS rdna analýza celého genomu délkový polymorfismus fragmentů RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA) AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) informace z konkrétn tníchčástí genomu PCR-RFLP (Polymerase Chain Reaction-RFLP) mikrosatelity (Simple Sequence Repeats - SSRs)
Molekulárn rní markery a jejich využit ití: DNA markery nekódující repetitivní DNA ITS rrna geny pro rdna nejrozšířenější marker v systematice mikrosatelity opakování krátkých motivů na určitém lokusu vysoce variabilní, vysoká rychlost mutací design mikrosatelitu trvá až půl roku, drahé ATGACACACACAGTA 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
mikrosatelity ne vždy junk DNA (odpadní DNA s žádnou nebo neznámou funkcí) př. náhodné mutace mikrosatelitu ovlivňují sociální chování hrabošů
Molekulárn rní markery a jejich využit ití: organelová DNA mtdna (mitochondriální) u živočichů vysoká mutační rychlost u rostlin nízká m. r. děděna maternálně cpdna (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
Genetika jako demografický nástrojn Pohled do minulosti plejtvákovce šedého IUCN conservation dependent least concern (2008) předpokládaná obnova při 22 tis. jedincích 0 26000 100 ale 10% velryb podvyživených, málo mláďat, změna potravního chování diverzita mtdna 42 jedinců historická populace mezi 78 500 117 000 jedinci velrybí populace nedosáhla své nosné kapacity, ale je omezovaná nízkou produktivitou prostředí (oteplování oceánů) Alter et al., PNAS 2007
Studium populační struktury Netopýr velkouchý (Myotis bechsteinii) (Kerth et al. 2002) letní kolonie samic (15-40 jedinců) vzorky - jen nukleární i mitochondriální DNA filopatrie disperze
různé markery detekují různě velkou genetickou variabilitu!! př. gepard východoafrický nízká variabilita v alozymech a ndna mnohem vyšší variabilita v mtdna a mikrosatelitech Proč?? ZávisZ visí různě na Ne, historii druhu (bottleneck( bottleneck), různr zná rychlost mutací různých markerů
hlavní genetická témata v BOP 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 genetické diverzity a schopnosti adaptace, Odhad efektivní velikosti populace, MVP) 6. Genetické změny v chovech (Důsledky pro záchranné programy a reintrodukce)
Taxonomické nejasnosti 1. diverzita neviditelných a neznámých organismů DNA barcoding 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 př. rbcl, matk + trnh-psba 98% z 296 dřevin trop. lesa v Panamě 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 Kress et al., PNAS 2009
Taxonomické nejasnosti 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 a co kryptické 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? evoluční (fylogenetická) def.: nejmenší evolučně izolovaná linie, která si udržuje v čase i prostoru svou identitu a která má svůj vlastní nezávislý evoluční vývoj
Kryptické druhy morfologicky identické, reprodukčně oddělené slon africký slon pralesní rozlišení v 2001 více geneticky nepodobné než sloni Afriky a Asie
Taxonomické nejasnosti fylogenetický přístup o 48% více druhů než biologický koncept Split or lump? Limitace molekulární genetiky v ochraně přírody př. někteří hnědí medvědi jsou si více geneticky bližší (mtdna) s ledními medvědy než s ostatními hnědými medvědy lední medvěd geneticky není druh evolutionary significant unit (ESU) evolučně významná jednotka - koncept 1986 - jednotka ochrany pod úrovní druhu - představuje novou evoluční linii - má genetické vlastnosti významné pro současné a budoucí generace významná adaptivní variabilita kritéria : 1. současná geografická izolace (reprodukční izolace) 2. genetická rozrůzněnost v neutrálních markerech (F ST ) 3. unikátní lokální adaptace (functionally significant unit) distinct population segments - koncept 1991, pro USA Endangered Species Act (1973), často ryby
Taxonomické nejasnosti 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 přístupp : - molekulární (variabilita v neutrálních markerech) - evoluční (adaptivní variabilita, kvantitativní genetika lokusy ovlivňující kvantitativní znaky, polygeny) - morfologický
Taxonomické nejasnosti 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. vlk rudohnědý 1980 nákladný záchranný program 1989 hybrid vlka obecného a kojota př. puma americká floridská zachráněna zkřížením s p. a. texaskou
narušen ení stanovišť může e vést v k hybridizaci a introgresi př. borovice blatka (Pinus uncinata subsp. uliginosa ) poddruh borovice pyrenejské subendemitčr přechodová rašeliniště Třeboňsko, Šumava, Krušné Hory, Rejvíz kříží se s borovicí lesní, vysoušení kříží se s klečí ve vyšších polohách téměř neexistujíčisté populace
Bionomie druhů - 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 karet výsledek karety se vždy vrací klást do míst, kde se narodily aplikace rekolonizace obtížná zakládání nových populací transplantací vajíček
Forenzní analýzy identifikace komerčních produktů z ohrožených druhů slonovina, 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
Rekonstrukce vyhynulých druhů př. zebra Quagga 1870s vyhynula v JAR 1990s mtdna (5%), pouze varieta zpětné křížení klonování zmrazená ZOO http://www.quaggaproject.org/
Literatura 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 http://www.ceskatelevize.cz/program/port/77-o-cem-vypravi-vydri-trus/video/ Lowe A., Harris S., Ashton P. (2004): Ecological Genetics: Design, Analysis, and Application. Wiley-Blackwell. ISBN: 978-1-4051-0033-5