Přirozená mezidruhová hybridizace Hybridizace nastává !!!!! mezi blízce příbuznými druhy !!! mezi druhy jednoho rodu ! mezi blízce příbuznými rody mezi blízce příbuznými čeleděmi plhybr Cirsium palustre Cirsium oleraceum Cirsium oleraceum × C. palustre = C. × hybridum Cirsium vulgare Cirsium oleraceum Cirsium oleraceum × C. vulgare = C. × bipontinum Cirsium heterophyllum Cirsium acaule × Cirsium acaule × C. heterophyllum = C. × alpestre Cirsium heterophyllum Cirsium palustre Cirsium heterophyllum × C. palustre = C. × wankelii Cirsium heterophyllum Cirsium oleraceum Cirsium heterophyllum × C. oleraceum = C. × affine Cirsium acaule × Cirsium oleraceum Cirsium acaule × C. oleraceum = C. × rigens Díky klonální reprodukci pomocí větvících se oddenků vytvářejí hybridi po určité době na lokalitě víceméně uzavřenou skupinku Cirsium × rigens = C. acaule × C. oleraceum V literatuře uvádění hybridi středoevropských pcháčů: 13 druhů vytváří v přírodě celkem 53 hybridních kombinací, což je téměř 68 % ze všech 78 možných kombinací které připadají teoreticky v úvahu Chromosome numbers The most of species have the same chromosome number 2n = 34 2n = 68 2n =16 30 32 2n =34 European Cirsium species Hybridization is homoploid 2n = 34 Cirsium oleraceum 2n = 34 Cirsium canum 2n = 34 C. x tataricum No alloploids have been observed among studied hybrids Trojnásobní hybridi: 1. Salix 2. Cirsium C. acaule x C. canum x C. oleraceum = C. x trigeneum Bornm. C. canum x C. oleraceum x C. palustre = C. x wettsteinii Petrak C. canum x C. oleraceum x C. rivulare = C. x podperae Fleischer 3. Viola V. collina x V. hirta x V. odorata = V. poelliana 4. Crataegus Festulolium loliaceum (Alex Lockton) x Festulolium loliaceum (= Festuca pratensis x Lolium perenne) Festuca pratensis lolpe01 Festuca pratensis Lolium perenne Mezirodoví kříženci Festuca x Vulpia Roggen × Triticosecale rimpaui Wittm . [ Triticum aestivum × Secale cereale ] – triticale tritaes7 Tritikale porost Secale cereale Triticum aestivum kulturní hybrid x_dactylodenia_st_quintinii x Dactylodenia st-quintinii (Dactylorhiza fuchsii subsp. fuchsii x Gymnadenia conopsea subsp. conopsea Dactylorhiza%20fuchsii%201 GymnadeniaConopseaLinnaeus_OrchisMoucheron_3 Gymnadenia conopsea Dactylorhiza fuchsii 1214125 x Dactyloglossum mixtum (= Coeloglossum viride x Dactylorhiza fuchsii) coeloglossumm_1 Coeloglossum viride dactylorhiza%20fuchsii_u2 Dactylorhiza fuchsii Anacamptis x Gymnadenia = x Gymnanacamptis Dactylorhiza x Orchis = x Orchidactyla Dactylorhiza x Pseudorchis = x Pseudorhiza Gymnadenia x Pseudorchis = x Pseudadenia mezirodový hybrid vytvořený zahradníky QK313J381825_0453 x Sorbopyrus auricularis = Pyrus communis x Sorbus aria sorbo Sorbus%20aria%201 graparon fatshed2 mezirodový hybrid vytvořený zahradníky cb_solidaster_luteus x Solidaster luteus (= Aster ptarmicoides x ? Solidago canadensis) AsterPtar Solidago%20canadensis27-07-04 Solidago canadensis Aster ptarmicoides Conyza x Erigeron, Anthemis x Chrysanthemum, Anthemis x Matricaria, Centaurea x Serratula Nejčastěji nademe mezirodové křížence v čeledích 1.Poaceae 2.Asteraceae (Anthemis, Chrysanthemum, Matricaria) 3.Orchidaceae (mnoho) 4. Caryophyllaceae (Lychnis, Melandrium, Silene) 5. Rosaceae (Fragaria x Potentilla, Sorbus x Aronia, Crataegus 6. Crassulaceae a 7. Cactaceae, jinde vzácně U všech skupin vyšších rostlin je mezidruhová hybridizace rozšířeným fenoménem; cltjef1b Natural interspecific hybridization in pines (Pinus): A. Coulter Pine (Pinus coulteri), with large seed cones composed of thick, hooklike scales; B. Coulter-Jeffrey Hybrid, with intermediate-sized cones composed of thick scales without conspicuous hooks; C. Jeffrey Pine (P. jeffreyi), with slightly smaller cones bearing scales with slender, downwardly-pointed prickles. In general growth aspect the Coulter-Jeffrey hybrid (B) resembles a Jeffrey pine. The bark even has the faint vanilla odor typical of Jeffrey pines. Dryopteris cristata Dryopteris cristata Dryopteris x boottii Dryopteris x boottii Dryopteris intermedia Dryopteris intermedia Celkový počet známých mezidruhových hybridů kvetoucích rostlin je odhadován na zhruba 30 000 (Arnold 1997, Rieseberg 1997). Poměr mezi počtem hybridů a počtem druhů je přibližně 1 : 10 EGEE%20countries%20map%20in%20the%20world yellowdaisy V ČR bylo zaznamenáno 621 ezidruhových a mezirodových hybridů na celkem asi 3 186 volně rostoucích původních a běžně zplaňujících či pěstovaných druhů. Pro srovnání Velká Británie (647 hybr. / 3 405 spec.), Německo (797 hybr. / 3 383 spec.) mapa-cz great-britain3 map1 ligr1 liger1 ligreinarrivo mezek2-igallery-image0000162 lazy-h-fall-extravaganza-all-breed-horse-sale donkey zj101 photo-horse-8-june Chapmans%20Zebra%20web U živočichů je hybridizace vzácnější než u rostlin U živočichů není mezidruhová hybridizace tak častá a mezi jednotlivými systematickými skupinami existují v její frekvenci značné rozdíly. lionx2b Plate 2 Parmičky: Interspecific hybrids cross between female Labeo rohita and male L. calbasu a. L. rohita b. Hybrid c. L. calbasu The liger is a hybrid between a male lion and female tiger. The hybrid between a male tiger and female lion is a tigon. [from slides donated to the Life Sciences Department at Palomar College.] The asexual whiptail species Cnemidophorus neomexicanus (center) with the sexual species that hybridized to form it, C. inornatus (left) and C. tigris (right). (c) A. J. Cullum Bičochvosti: The asexual whiptail species Cnemidophorus neomexicanus (center) with the sexual species that hybridized to form it, C. inornatus (left) and C. tigris (right). (c) A. J. Cullum Mezi čeleděmi kvetoucích rostlin je frekvence rodů s mezidruhovou hybridizací rozložena velmi nerovnoměrně, vedle čeledí s vysokou presencí rodů s mezidruhovými hybridy, je většina takových, které neobsahují žádný takový rod (viz Ellstrand et al. 1996) Obecně platí, že vyšší afinitu k tvorbě hybridů mají rostliny: -s převažující cizosprašností -se častou klonální reprodukcí 41VYFRMZ0JL 9780521589352 5019L1 OL388556M-M Great Britain 16% Scandinavia 14% Intermountain 12% Hawai 6% Great Plains 8% Just 6–16 % of angiosperm genera contain hybrids !!! Je nesporné, že rostliny se kříží častěji než živočichové. Portion of genera with hybrids Je hybridizace obecnou obecnou vlastností všech rostlin? ellstrand RW2 Loren_fieldwork The frequence of Cirsium hybrids is variable in the nature palustre oleraceum rivulare brachycephalum arvense vulgare heterophyllum canum pannonicum acaule eriophorum Data from the Czech Republic based on 1136 herbarium specimens Line thickness equals to the number of herbarium spe- cimens Větší čeledi (sensu APG) zcela bez hybridizace (u nás): Solanaceae (32 druhů) Alliaceae (25 druhů) Crassulaceae (23 druhů) Geraniaceae (23 druhů) Liliaceae (16 druhů) Iridaceae (15 druhů) Convolvulaceae (13 druhů) Valerianaceae (11 druhů) Solanum%20nigrum27-07-04 Allium%20schoenoprasum%20var sedum-glass-house pic445 Lilium bulbiferum UK: Orange lily DK: Brannlilje FI: Ruskolilja FR: Lis bulbeux orangé NL: Oranje lelie IT: Giglio rosso con bulbilli HU: Tüzes liliom Tüzliliom DE: Feuerlilie PL: Lilia bulwkowata SK: ľalia cibuľkonosná CZ: lilie cibulkonosná SE: Brandlilja iris-tenax2_lg Convolvulus%20tricolor24-09-05 Valeriana%20tuberosa Větší rody zcela bez hybridizace (u nás): Taraxacum (319 druhů) Hieracium (115 druhů) Alchemilla (25 druhů) Vicia (24 druhů) Trifolium s.l. (23 druhů) Sedum (19 druhů) Lathyrus (18 druhů) Geranium (18 druhů) Artemisia (17 druhů) Orobanche (16 druhů) Solanum (16 druhů) taraxacum-flower Hieracium%20aurantiacum Alchemilla-vulg vesce1 Trifolium 030524taito Větší čeledi (sensu APG) s malým počtem hybridů vůči počtu druhů (u nás): Apiaceae (2 hybridi / 87 druhů) Fabaceae (4 hybridi / 142 druhů) Rubiaceae (1 hybrid / 34 druhů) Hyacinthaceae (1 hybrid / 16 druhů) Brassicaceae (10 hybridů / 134 druhů) Plantaginaceae (6 hybridů / 74 druhů) Ericaceae (2 hybridi / 24 druhů) Primulaceae (2 hybridi / 24 druhů) Saxifragaceae (2 hybridi / 19 druhů) Malvaceae (3 hybridi / 27 druhů) Caryophyllaceae (13 hybridů / 113 druhů) heracleum_mantegazzianum_Norman_Hagen02 Větší rody s malým počtem hybridů vůči počtu druhů (u nás): Rubus (1 hybrid / 90 druhů) Galium s.l. (1 hybrid / 25 druhů) Silene s.l. (1 hybrid / 18 druhů) Sorbus (1 hybrid / 17 druhů) rubus_armeniacus-thumb Galium odoratum silene sorbus%20aucuparia-lijsterbes-01 Čeledi (sensu APG) s relativně největším počtem hybridů vůči počtu druhů (u nás): Scrophulariaceae (27 hybridů / 16 druhů) Onagraceae (54 hybridů / 36 druhů) Salicaceae (38 hybridů / 33 druhů) Polygonaceae (38 hybridů / 42 druhů) Fagaceae (10 hybridů / 13 druhů) Orchidaceae (29 hybridů / 58 druhů) Nymphaeaceae (2 hybridi / 4 druhy) Dipsaaceae (6 hybridů / 15 druhů) Betulaceae (5 hybridů / 13 druhů) Cyperaceae (39 hybridů / 110 druhů) Lamiaceae (35 hybridů / 99 druhů) Rody s největším počtem hybridů na počet druhů (u nás): Verbascum (27 hybridů / 9 druhů) Cirsium (33 hybridů / 11 druhů) Epilobium s.l. (46 hybridů / 18 druhů) Mentha (8 hybridů / 5 druhů) Arctium (6 hybridů / 4 druhy) Thymus (11 hybridů / 8 druhů) Crataegus (11 hybridů / 8 druhů) Dactylorhiza (11 hybridů / 8 druhů) Rumex (27 hybridů / 20 druhů) Salix (35 hybridů / 27 druhů) Viola (29 hybridů / 23 druhů) Carduus (5 hybridů / 4 druhy) verbascum%20thapsus Cirsium%20vulgare1 Ma030343 Mentha%20spicata%20var arctium%20minus-kleine%20klit-04 thymus%20pulegioides-grote%20tijm-03 Rody s největším počtem hybridů (u nás): Epilobium s.l. (46 hybridů) Carex s.l. (35 hybridů) Salix (35 hybridů) Cirsium (33 hybridů) Viola (29 hybridů) Verbascum (27 hybridů) Rumex (27 hybridů) Potentilla (21 hybridů) Thymus (11 hybridů) Crataegus (11 hybridů) Dactylorhiza (11 hybridů) Quercus (10 hybridů) flower27c_sp sp-1y Salix flowering Cirsium%20pannonicum%20(L viola_riviniana2 verbascum-camiranda1 sp-1x Prostorová distribuce hybridů: -náhodná -hybridní roje -hybridní zóny Examples of natural variation in a hybrid zone between A. Formosa Examples of natural variation in a hybrid zone between Aquilegia formosa and A. pubescens in the Sierra Nevada Mountains of California - Justen Whittall , University of California, Santa Barbara . Důsledky hybridizace 1: speciace, allopolyploidie, apomixie Alchemilla%20thriller%203040201-3 Vznik polyploidie - 3 základní způsoby (v přiroz. podm.) (i)na počátku F1 splynutím neredukovaných gamet, neredukované vajíčko + redukovaný pyl = triploidní zygota, nejčastější případ redukované vajíčko + neredukovaný pyl = triploidní zygota, neredukované vajíčko + neredukovaný pyl = tetraploidní zygota polyploidspec Takto vzniká autopolyploidie i allopolyploidie méně častý případ (ii) homoploidní hybrid v důsledku meiotických disturbancí vytvoří při meiozi neredukované gamety, tj. polyploidie se projeví až v následující generaci F2 (= F1 × F1), BC1 (F1 × P1 nebo F1 × P2), nebo F1 × jiný druh polyploidspec častý případ tragopogon Recentní alloploidní hybridogeneze v rodu Tragopogon State Distributional Map for Tragopogon dubius Scop. State Distributional Map for Tragopogon porrifolius L. State Distributional Map for Tragopogon mirus Ownbey State Distributional Map for Tragopogon miscellus Ownbey State Distributional Map for Tragopogon lamottei Rouy T. pratensis, krátkověký monokarpický T. porriifolius, krátkověký monokarpický morfotypy diploidního 2n = 12 hybrida T. ×mirabilis od Roudnice nad Labem je vytrvalý polykarpický !!! Alternativní homoploidní hybridizace Retikulární evoluce v rodu Polypodium Polypodium%20vulgare%20BotKA%20F2 Polypodium%20vulgare (iii) k chromosomálnímu zdvojení dojde v somatické buňce během mitózy, pravděpodobně nejméně frekventovaný způsob, prokázáno jen velmi vzácně např. u homoploidního hybrida Primula kewensis, u něhož vedlo k odstranění sterility, dále také u Nicotiana digluta, nebo diploidního hybrida mezi Mimulus nelsoni a M. lewisii f2681 Mimulus%20lewisii%205 tetra2 vzácný případ Kdy vznikají neredukované gamety? 1. větší afinita tvořit neredukované oosféry častěji než neredukovaný pyl, který je také méně životaschopný než pyl redukovaný 2. tendence tvořit neredukované gamety stoupá s rostoucí úrovní ploidie, také u populací s fakultativní apomixií nebo inbredních populací je tvorba neredukovaných gamet vyšší. 3. u hybridů byla prokázána až 50× větší frekvence neredukovaných gamet než u nehybridních jedinců (Ramsey & Schemske 1998). 4. vliv různých abiotických faktorů na vznik diploidních gamet byl také prokázán (McHalle 1983). Potenciální důsledky polyploidizace Restrukturalizace genomu polyploida, která eliminuje sterilitu hybridů s rekombinovaným genomem, generuje novou genetickou variabilitu ta může způsobit: - vyšší adaptabilitu - větší schopnost invadovat do nových území a obsazovat jiné ekologické niky - vyšší toleranci ke stresu vyvolanému změnami prostředí, jakými může být nutriční deficience, sucho, chlad či tlak parazitů nebo patogenů - vyšší toleranci vůči inbrední depresi Circaea alpina x C. lutetiana - klonálně stabilizovaný hybrid Reynoutria japonica x R. sachalinensis – klonálně stabilizovaný Mentha aquatica x M. arvensis – klonálně stabilizovaný Spartina alternifolia x S. maritima – S. anglica allopolyploid Viola reichenbachiana x V. riviniana Elytrigia intermedia x E. repens reynoutria_japonica reynoutriaherb Etna 1883_019 1217_005 Senecio aethnensis 2n = 20 = 2x Porosty Astragalus siculus na lávových svazích Etny =hybridní zóna Senecio siculus Senecio chrysanthemifolius 2n = 20 = 2x 1. Distribution maps showing spread of S. squalidus throught England and in parts of Scotland and Ireland Z Oxfordu se během průmyslové revoluce Senecio squalidus rozšířil podél komunikací na celé území britských ostrovů full ca 1690 byl hybrid Senecio squalidus přivezen do Anglie a pěstován v botanické zahradě v Oxfordu, First specimen of Oxford Ragwort 1690 Herbářový doklad Senecio squalidus od Oxfordského zahradníka Jacoba Bobarta 2. ?search=search&Inst=6&taxon=Senecio+squalidus+x+vulgaris+%3D+S Senecio x baxteri 2n = 3x = 30 sterilní hybrid Fotografie von Senecio squalidus, Fels-Greiskraut Senecio squalidus 2n = 2x = 20 senecio_vulgaris1 mattfigure1 Senecio vulgaris 2n = 4x = 40 3. Secam Senecio cambrensis; 2n=6x = 60; nalezen poprvé na železničních náspech 1948 v severním Walesu fertilní, schopen se rychle šířit pomocí generativních diaspór mattfigure1 4. Viola riviniana Viola riviniana Viola_reichenbachiana ? 2n = 20 2n = 40 large hybrid populations? Fotografie Dita Blažková Důsledky polyploidizace – vyšší heterozygozita Prezence více kopií různých genomů u allopolyploidů podmiňuje výrazně vyšší alelickou diverzitu a díky disomické dědičnosti fixovanou heterozygositu, stejně jako zvyšuje možnost vzniku nových genových kombinací v důsledku případné další hybridizace (Samuel et al. 1990, Wolf et al. 1990, Brochmann et al. 1992, Bretagnolle et al. 1998, Soltis & Soltis 2000); také u autopolyploidů hetereozygosita vyšší než u diploidů díky polysomické dědičnosti (Soltis & Soltis 2000). Polyploidie může způsobovat eliminaci genových duplikací vedoucí k úbytku množství DNA, jak bylo prokázáno např. srovnáním množství DNA u přirozených a nově indukovaných autotetraploidů např. u Cochlearia pyreneica (Gupta 1981) nebo u Plantago media (van Dijk & van Delden 1990). cochlearia_pyrenaica Plantago media. Visible light Frekvence polyploidie Na základě studia průduchů na listech fosilních rostlin předpokládá Masterson (1994), že 40–70% druhů kvetoucích rostlin prošlo minimálně jedenkrát ve své historii polyploidizací, jiní autoři uvádějí rozmezí 30–80% (Stebbins 1971, Grant 1981, Wendel 2000). leafmag I10-22a-stomata 2210_02 Frekvence polyploidie Mnoho kvetoucích rostlin považovaných za typické diploidy, např. Arabidopsis thaliana, jsou ve skutečnosti velmi staří polyploidi (paleopolyploids). V minulosti podstoupili jednou nebo vícekrát zdvojení chromosomové sady, přestože se dnes chromosomálně jeví jako diploidní. Arabidopsis thaliana klein.jpg chromosomes fig7_32 989331026 Frekvence polyploidie Všechny kvetoucí rostliny prošly minimálně 3x paleopolyploidizací: první před 225-300 miliony lety, druhou před 150-170 miliony lety a třetí před 25 miliony let. U rostlin poprvé polyploidii pozoroval a popsal holandský botanik a znovuobjevitel Mendelových zákonů Hugo de Vries (1905) u Oenothera lamarckiana, když vedle normálního 2n = 14 zaznamenal také tetraploidní 2n = 28; nositele této vlastnosti pojmenoval jako nový druh Oenothera gigas. Termín polyploidie pak zavedl Eduard Strassburger (1910). První experimenty s umělým vyvoláním allopolyploidizace (při hybridizaci Solanum lycopersicon a S. nigrum) uskutečnil Hans Winkler (1916). Význam autopolyploidního vzniku taxonů pak shrnul Müntzing (1936), který uvádí celkem 58 příkladů autopolyploidně vzniklých taxonů. oenogla2 000490ef Eduard Strasburger tomate solanumnigrum1 helpar Helianthus paradoxus 2n = 34 Helianthus_annuus_plant Helianthus annuus 2n = 34 flowers and foliage of Helianthus petiolaris Helianthus petiolaris 2n = 34 Homoploidní hybridogenní speciace State Distributional Map for Helianthus petiolaris Nutt. ssp. fallax Heiser State Distributional Map for Helianthus annuus L. State Distributional Map for Helianthus paradoxus Heiser Encelia actoni Encelia virginensis Encelia frutescens Homoploidní speciace v rodu Encelia v pouštních pohořích a v Mohavské a Sonorské poušti Encelia virginensis instead typifies hybrid speciation with external barriers. Encelia species are obligate outcrossers, and ordinarily form fertile F 1 interspecific hybrids, but there is strong selection against backcross progeny in the natural environment. Encelia virginensis appears to have originated on the periphery of the ranges of its parent species; selection for the adapted F 1 phenotype allowed it to expand its range to the east as it stabilized its genotype. Circaea x intermedia circaea-x-intermedia-1 2n=22,33 Circaea intermedia Dwarf Enchanter's Nightshade2 by corey.raimond. Circaea alpina 2n=22 Circaea lutetiana Circaea lutetiana 2n=22 symphytum_x_uplandicum sympasp1 symphytum%20officinale-gewone%20smeerwortel-04 Symphytum uplandicum 2n = 40 Heteroploidní hybridogenní speciace Symphytum asperum 2n = 32 Symphytum officinale 2n = 48 sympoffv sympupln sympaspv 2313992615_e2f82e4f91 Potentilla%20inclinata%20BotKA%20G1 Potentilla inclinata 2n = 14, 28, 35, 42, 84 Evropa až J Sibiř často na sekundárních stanovištích argentea-1U Potentilla argentea 2n = 14 suché trávníky antropicky ovlivněné Eurasie Potentilla_recta_plant Potentilla recta 2n = 42 stepní druh Evropa, S. Afrika, Z Asie giliaspec giliaaq littlegilia4 Alloploidní hybridogenní speciace – Gilia malior 2n = 36 (Polemoniaceae) Gilia aliquanta 2n = 18 Gilia minor 2n = 18 State Distributional Map for Gilia aliquanta A.& V. Grant State Distributional Map for Gilia minor A.& V. Grant State Distributional Map for Gilia malior Day & V. Grant Důsledky hybridizace: retikulární evoluce př. Polypodium Důsledky hybridizace 2: introgrese znaků euphrasia%20stricta-stijve%20ogentroost-02 Euphrasia stricta lysé listy a listeny E. tatarica – štětinatě chlupaté V teplejším období se E. tatarica dostala do vyšších poloh, kde se setkala s E. stricta, dnes některé populace E. stricta mají štětinaté chlupy Důsledky hybridizace: concerted evolution nukleárních DNA repeats Důsledky hybridizace: ? zmenšování genomu The frequence of Cirsium hybrids is variable in the nature palustre oleraceum rivulare brachycephalum arvense vulgare heterophyllum canum pannonicum acaule eriophorum Data from the Czech Republic based on 1136 herbarium specimens Line thickness equals to the number of herbarium spe- cimens C. eriophorum C. brachycephalum C. arvense C. acaule C. palustre C. pannonicum C. rivulare C. erisithales C. oleraceum C. canum C. heterophyllum Nuclear DNA amount differs among species in diploid level Based on 738 DAPI flow-cytometry measurements of 11 species represented by 66 populations / 220 individuals; internal standard: the same plant of tetraploid Cirsium vugare = 1 A.U. in all measurements (Bureš P. et al. 2004. Annals of Botany. 94: 353–363.) Maximum difference 57 % DNA amount variability Relative DNA content in A.U. average ± stand. dev. oleleraceum x 290 146 176 102 3 23 5 1 0 0 canum x 290 78 11 45 21 1 1 0 0 0 palustre x 146 78 137 4 1 20 6 3 0 0 rivulare x 176 11 137 1 8 6 1 0 0 0 acaule x 102 45 4 1 29 3 4 6 0 0 pannonicum x 3 21 1 8 29 0 0 0 0 0 heterophyllum x 23 1 20 6 3 0 0 1 0 0 arvense x 5 1 6 1 4 0 0 0 0 0 vulgare x 1 0 3 0 6 0 1 0 3 0 eriophorum x 0 0 0 0 0 0 0 0 3 0 brachycephalum x 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 x ole x can x pal x riv x aca x pan x het x arv x vul x eri x bra SUM 746 447 395 340 194 62 54 17 14 3 0 ole can pal riv aca pan het arv vul eri bra Number of herbarium specimens of hybrids Hybrid promiscuity of Cirsium species Hybrid promiscuity of species is variable Data from the Czech herbaria based on revision of 1136 herbarium specimens vul erio bra arv aca pal pan riv ole can het herb. specimens of hybrids 400 600 800 1. 0 0. 8 0. 6 relative genome size large genome many hybrids few or no hybrids small genome rSpearman = – 0.72 p = 0.013 Relative DNA content of Cirsium species is negatively correlated with intensity of hybridization. Genome size vers. hybrid promiscuity: Species with smaller genomes hybridize more frequently Genome size Hybrid promiscuity Based on 738 DAPI flow-cytometry measurements of 11 species represented by 66 populations / 220 individuals; internal standard: the same plant of tetraploid Cirsium vugare = 1 A.U. in all measurements Data from the Czech herbaria based on revision of 1136 herbarium specimens Do Cirsium hybrids have the mid-parent genome size ? heterophyllum x rivulare palustre x rivulare oleraceum x rivulare heterophyllum x oleraceum erisithales x palustre acaule x oleraceum oleraceum x palustre erisithales x oleraceum canum x palustre canum x oleraceum heterophyllum x palustre erisithales x heterophyllum relative genome size 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 acaule palustre rivulare erisithales canum oleraceum heterophyllum Genome size of parental species Expected genome size of hybrids 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 expected genome size of hybrid = average of parental genomes Expected genome size of hybrid lies in the middle of parental taxa genomes heterophyllum x rivulare palustre x rivulare oleraceum x rivulare heterophyllum x oleraceum erisithales x palustre acaule x oleraceum oleraceum x palustre erisithales x oleraceum canum x palustre canum x oleraceum heterophyllum x palustre erisithales x heterophyllum relative genome size 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 acaule palustre rivulare erisithales canum oleraceum heterophyllum Genome size of parental species Expected genome size of hybrids 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 Genome size of parental species is based on 436 DAPI flow-cytometry measurements of 7 species represented by 43 populations / 163 individuals; internal standard: the same plant of tetraploid Cirsium vugare = 1 A.U. in all measurements heterophyllum x rivulare palustre x rivulare oleraceum x rivulare heterophyllum x oleraceum erisithales x palustre acaule x oleraceum oleraceum x palustre erisithales x oleraceum canum x palustre canum x oleraceum heterophyllum x palustre erisithales x heterophyllum relative genome size 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 acaule palustre rivulare erisithales canum oleraceum heterophyllum Genome size of parental species Expected genome size of hybrids 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 = real genome size of hybrid heterophyllum x rivulare palustre x rivulare oleraceum x rivulare heterophyllum x oleraceum erisithales x palustre acaule x oleraceum oleraceum x palustre erisithales x oleraceum canum x palustre canum x oleraceum heterophyllum x palustre erisithales x heterophyllum relative genome size 4.0 4.2 4.4 4.6 4.8 mean of genome size of parent with smaller genome real genome size of hybrid average of parental genomes (expected genome size of hybrid) mean of genome size of parent with larger genome Cirsium hybrids have a smaller genome size than the average of parental genomes Genome size of hybrids is based on 202 DAPI flow-cytometry measurements of 12 hybrids represented by 24 populations / 53 individuals; internal standard: the same plant of tetraploid Cirsium vugare = 1 A.U. in all measurements Genome size of parental species is based on 436 DAPI flow-cytometry measurements of 7 species represented by 43 populations / 163 individuals; internal standard: the same plant of tetraploid Cirsium vugare = 1 A.U. in all measurements Genus No. hybr No. spec hybr/spec C-value Epilobium 46 16 2,875 0,36 Fragaria 3 3 1 0,37 Hypericum 2 8 0,25 0,4 Potentilla 21 23 0,913043 0,4 Carex 35 76 0,460526 0,42 Scirpus s.l. 2 6 0,333333 0,45 Betula 2 10 0,2 0,48 Alnus s.l. 3 4 0,75 0,55 Salix 30 23 1,304348 0,59 Persicaria 10 9 1,111111 0,62 Prunella 3 3 1 0,65 Rorippa 3 4 0,75 0,7 Drosera 1 3 0,333333 0,74 Mentha 8 5 1,6 0,74 Amaranthus 3 19 0,157895 0,78 Atriplex 1 10 0,1 0,81 Juncus 5 21 0,238095 0,86 Quercus 10 10 1 0,88 Thymus 11 8 1,375 1,09 Lamium 1 5 0,2 1,1 Plantago 3 9 0,333333 1,12 Fallopia 1 3 0,333333 1,21 Medicago 1 7 0,142857 1,23 Oenothera 8 20 0,4 1,26 Chenopodium 8 32 0,25 1,27 Leontodon 1 3 0,333333 1,31 Luzula 4 10 0,4 1,32 Galium 1 25 0,04 1,35 Cirsium 33 11 3 1,41 Saxifraga 2 15 0,133333 1,49 Vaccinium s.l. 1 3 0,333333 2,1 Calamagrostis 1 8 0,125 2,2 Silene 1 15 0,066667 2,26 Rumex s.l. 36 19 1,894737 2,31 Melica 1 6 0,166667 2,53 Campanula 2 18 0,111111 2,65 Lolium 1 4 0,25 2,74 Bupleurum 1 5 0,2 2,83 Poa 6 16 0,375 2,94 Xanthium 1 5 0,2 3,15 Papaver 1 10 0,1 3,41 Agrostis 6 7 0,857143 3,62 Glyceria 2 6 0,333333 3,93 Achillea 5 11 0,454545 3,94 Vicia 1 26 0,038462 5,67 Senecio 6 18 0,333333 6,03 Anthemis 2 6 0,333333 6,57 Ranunculus s.l. 8 24 0,333333 6,95 Alopecurus 1 4 0,25 8,91 Euphorbia 6 20 0,3 9,19 Genera with at least 1 interspecific hybrid Genera with more than 2 species Genera with more than 2 or 33% species in C-value database Have genera with frequent hybridization smaller genome ? Analysis includes 632 species and 351 hybrids of the Czech flora (Kubát K. et al. [eds.] 2001 Identification key to the flora of the Czech Republic. Prague: Academia) and Kew Angiosperm C-value database (Bennett MD, Leitch IJ. 2004. Angiosperm DNA C-values database, release 5.0, Dec. 2004, http://www.rbgkew.org.uk/cval/homepage.html) 50 genera Hybrid potence of genus = No. hybrids / No. species is negative correlated with average genome size of genus rSpearman = – 0.36 p = 0.00998 Is genome size in families with frequent hybridization smaller ? Four families with the most frequent hybridization Four largest families with no or a few hybrids Hybrid frequency and family size (= no. of species) were estimated on the base of data from Great Britain flora (Stace CA. 1975. Hybridization and the flora of the British Isles. London: Academic Press; Stace CA. 1991 New flora of the British Isles. Cambridge: Univ. Press) Average family C-value is based on Kew Angiosperm C-value database (Bennett MD, Leitch IJ. 2004. Angiosperm DNA C-values database, release 5.0, Dec. 2004, http://www.rbgkew.org.uk/cval/homepage.html) 0,00 0,50 1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50 4,00 Families with 15 or more species Families with 3 or more species in C-value database Have families with frequent hybridization smaller genome ? Analysis includes 2599 species and 519 interspecific and intergeneric hybrids in 35 largest families of the Czech flora (Kubát K. et al. [eds.] 2001 Identification key to the flora of the Czech Republic. Prague: Academia) and 2447 species of these large families included in Kew Angiosperm C-value database (Bennett MD, Leitch IJ. 2004. Angiosperm DNA C-values database, release 5.0, Dec. 2004, http://www.rbgkew.org.uk/cval/homepage.html) Hybrid potence of family = No. hybrids / No. species is negative correlated with average genome size of family rSpearman = – 0.47 p = 0.004 family No.spec No.hybr hybr/spec aver(c-val) Liliaceae 16 0 0 46,39 Iridaceae 16 0 0 6,10 Orobanchaceae 17 0 0 3,01 Alliaceae 26 0 0 19,78 Crassulaceae 27 0 0 1,82 Solanaceae 32 0 0 2,84 Caprifoliaceae 40 0 0 3,16 Apiaceae 90 2 0,022222 2,58 Rubiaceae 34 1 0,029412 1,11 Leguminosae 146 5 0,034247 2,44 Primulaceae 23 1 0,043478 3,95 Hyacinthaceae 18 1 0,055556 13,88 Brassicaceae 142 8 0,056338 0,93 Malvaceae 22 2 0,090909 1,68 Saxifragaceae 20 2 0,1 1,49 Campanulaceae 25 3 0,12 3,36 Poaceae 199 24 0,120603 7,76 Chenopodiaceae 59 8 0,135593 0,89 Amaranthaceae 20 3 0,15 1,38 Caryophyllaceae s.l. 94 15 0,159574 1,70 Rosaceae s.l. 271 45 0,166052 0,72 Asteraceae 558 93 0,166667 4,30 Ranunculaceae 81 14 0,17284 8,77 Scrophulariaceae 105 23 0,219048 1,57 Betulaceae s.l. 20 5 0,25 0,51 Euphorbiaceae 28 7 0,25 4,72 Juncaceae 31 9 0,290323 1,18 Gentianaceae 19 6 0,315789 1,43 Boraginaceae 44 14 0,318182 1,76 Lamiaceae 97 33 0,340206 1,38 Orchidaceae 58 21 0,362069 7,68 Cyperaceae 104 39 0,375 0,58 Salicaceae 32 33 1,03125 0,59 Polygonaceae 43 47 1,093023 1,33 Onagraceae 42 55 1,309524 1,32 35 families Cirsium acaule C. brachycephalum C. canum C. carniolicum C. ciliatum C. dissectum cirsiumacauleherb1 C. eriophorum C. erisithales C. esculentum C. ferox C. furiens C. heterophyllum C. montanum C. monspessulanum C. oleraceum C. palustre C. pannonicum C. rivulare C. spinosissimum C. tuberosum C. vulgare C. waldsteinii cirsium_vulgare_103b Cirsium+carniolicum++rufescens+Somport+066+(2) 9553 Cirsium-canum cirsium_dissectum_1cbc cirsium_eriophorum_c30 Cirsium_erisithales_a1 DSCN2673 Puerto de Tarna, LE Devesa del Saler Cirsium 004-cirsium-heterophyllum Cirsium_montanum7 cirsium_oleraceum Cirsium%20palustre%2000003 001-cirsium-pannonicum Cirsium-rivulare 539426965_32ba32710f_o cirsium-tuberosum cirsium_vulgare cirsiumwaldherb1 22 druhů gynodioecických pcháčů v Evropě. Ostatních ca 40 druhů nebylo zatím zkoumáno. V Japonsku 28 gynodioecických pcháčů Kromě dvoudomého Cirsium arvense mají gynodioecii všechny evropské pcháče u nichž byla reprodukční strategie zkoumána f_0022bez f_0010bez P0031bez P0038 C. canum × C. oleraceum: male sterile C. oleraceum: hermaphrodite C. oleraceum: hermaphrodite florets C. canum × C. oleraceum: female florets Detekce pohlaví pcháčů: Preparací prašníkových trubiček (samice bez pylu) Fig04 hermafroditi samice aca x ole can eris x ole ole pal x ole pal pal x riv riv can x ole ole x spi het het x mon Fig05 Druhy horské Mají hodně samic ? Jak je to s frekvencí samic u hybridů? hybrid rodič 2 rodič 1 Hybrid má víc samic než je průměr samic u rodičů ! průměrná frekvence samic joseph-gottlieb-koelreuter Joseph Gottlieb Koelreuter (1733-1806) Umělé mezidruhové křížení vede často k samčí sterilitě ! Předběžná zpráva o některých pokusech a pozorováních, týkajících se pohlaví rostlin Vorläufige Nachricht von einigen das Geschlecht der Pflanzen betreffenden Versuchen und Beobachtungen Fig05 Druhy málo hybridizující Mají méně samic ? Mann-Whitney; p = 0.017 Hybridizující druhy mají více samic než nehybridizující ! Souvisí kauzálně hybridizace a gynodioecie ? druhy hybridi samice druhy hybridi Hybridizující druhy mají více samic než nehybridizující ! Souvisí kauzálně hybridizace a gynodioecie ? druhy hybridi Spencer CH. 2002. The evolution of plant sexual diversity. Nature Reviews Genetics 3: 274-284. Jaká je frekvence jednotlivých reprodukčních strategií ? Spencer CH. 2002. The evolution of plant sexual diversity. Nature Reviews Genetics 3: 274-284. Jaká je frekvence jednotlivých reprodukčních strategií ? < 0.1% druhů androdio-ecických Spencer CH. 2002. The evolution of plant sexual diversity. Nature Reviews Genetics 3: 274-284. < 0.1% druhů androdio-ecických 4 % druhů dvoudomých Jaká je frekvence jednotlivých reprodukčních strategií ? Spencer CH. 2002. The evolution of plant sexual diversity. Nature Reviews Genetics 3: 274-284. < 0.1% druhů androdio-ecických 4 % druhů dvoudomých ca 87 % druhů hermafroditních Jaká je frekvence jednotlivých reprodukčních strategií ? Spencer CH. 2002. The evolution of plant sexual diversity. Nature Reviews Genetics 3: 274-284. < 0.1% druhů androdio-ecických 4 % druhů dvoudomých 7.5 % druhů gynodioecic-kých ca 87 % druhů hermafroditních Jaká je frekvence jednotlivých reprodukčních strategií ? Spencer CH. 2002. The evolution of plant sexual diversity. Nature Reviews Genetics 3: 274-284. < 0.1% druhů androdio-ecických 4 % druhů dvoudomých 7.5 % druhů gynodioecic-kých ca 87 % druhů hermafroditních Hodnoty platí pro Evropu v tropických deštných lesích stoupá podíl dvoudomých dřevin a klesá podíl gynodioecických druhů Jaká je frekvence jednotlivých reprodukčních strategií ? 6-16 % rodů s hybridy 7.5 % gynodioecických druhů (6% rodů) Spontánní hybridizace a gynodioecie napříč rostlinami Kauzální souvislost ? Rody s největším počtem hybridů na počet druhů (u nás): Verbascum (27 hybridů / 9 druhů) Cirsium (33 hybridů / 11 druhů) Epilobium s.l. (46 hybridů / 18 druhů) Mentha (8 hybridů / 5 druhů) Arctium (6 hybridů / 4 druhy) Thymus (11 hybridů / 8 druhů) Crataegus (11 hybridů / 8 druhů) Dactylorhiza (11 hybridů / 8 druhů) Rumex (27 hybridů / 20 druhů) Salix (35 hybridů / 27 druhů) Viola (29 hybridů / 23 druhů) Carduus (5 hybridů / 4 druhy) verbascum%20thapsus Cirsium%20vulgare1 Ma030343 Mentha%20spicata%20var arctium%20minus-kleine%20klit-04 thymus%20pulegioides-grote%20tijm-03 Taxonomické pojetí bylo sjednoceno na rodové, druhové či poddruhové úrovni napříč všemi 3 lokálními flórami = 856 rodů Přechodně zavlékané vzácné druhy nebyly brány v úvahu Často pěstované nepůvodní druhy nebyly vyřazeny GreatBritainFlag germany-flag Czech_flag Pro každý rod, počet hybridů a druhů byl spočten Přítomnost gynodioecie byla excerpována pro každý rod Průměrný index promiskuity = počet hybridů / počet druhů byl vypočten pro každý rod 348 rodů s méně než 2 druhy ve všech třech flórách vyřazeno z analýzy Xavier Delannay: La Gynodioécie chez les angiospermes. Nat. Belg. 59:223-237, 1978. Demyanova E. I.: Distribution of gynodioecy in flowering plants. Bot. Zh. 70: 1289-1301, 1985. Mann Whitney; p = 0.00007; analyzováno 505 rodů v rámci Evropy european-union Rody s gynodioecií častěji hybridizují !!! Vysvětlující model = samice sirotek = černá díra pro jednosměrný tok genů story_one_way1 Experimentální ověřění ? Bylo už vlastně učiněno ! Carl_Correns Carl Correns (1864 – 1933) Cirsium oleraceum Cirsium canum F1 BF1 BF2 BF3 BF4 84-1 mendel naegeli r4_c1_crop Carl Correns byl jedním ze znovuobjevitelů Mendelových zákonů dědičnosti Publikoval v roce 1906 také poprvé Mendelovu korespondenci s Carlem Wilhelmem von Nägelim, ve které si psali o křížencích pcháčů, kterými se vedle jiného oba zabývali. hjones Jones HA, Clarke AE. 1943. Inheritance of male sterility in the onion and the production of hybrid seed. Proceedings of the American Society for Horticulture Science 43: 189–194. Onions F1 Springer NM, Stupar RM. 2007. Allelic variation and heterosis in maize: How do two halves make more than a whole? Genome Res. 17: 264-275 Corrensův postup používán při šlechtění od 40. let 20. století – poprvé u cibule Důvod ? Heterózní efekt ! Detekce hybridogeneze Cirsium pannonicum Cirsium erisithales C. erisithales x C. pannonicum (C. x linkianum) Detekce hybridogeneze 1.morfologická intermediarita Detekce hybridogeneze 1-3. 1.morfologická intermediarita (problémy: F1, F2 vyštěpování, introgresivní hybridizace vers. řízená genová exprese - gene silencing) 2.snížená vitalita, fertilita, pylová viabilita (absence pylu, pylové disturbance) 3.zvláštní projevy – druhy rodu Epilobium zavírají květy při zamračeném počasí a za šera; kříženci vrbovek mají květy i za šera otevřené epilobium 1471-2229-2-10-2 Figure2 pic1310(4-20) pic1313(4-14)flo Pseudostellaria davidii 2n=32 P. palibiniana 2n=32 Detekce hybridogeneze 1,2. morfologická intermediarita sterilita pylu Pseudostellaria davidii P. palibiniana hybrid hybrid P. palibiniana Pseudostellaria davidii Detekce hybridogeneze 4: sekundární metabolity - prezence Lb-00451 Metody chemické v taxonomii cévnatých rostlin dělíme je na mikromolekulární a makromolekulární Většina metod spočívá zpravidla ve 3 základních krocích 1. extrakce nebo izolace 2. separace 3. detekce Mikromolekulární metody studují menší molekuly sekundárních metabolitů - nejčastěji fenolických sloučenin, z nichž mnohé mají funkci barviv nebo silic flavonoidy (např. u čel. Asteraceae, - flavon, flavanon, flavanonol, malvidin, betanidin nebo chalkon) a jim podobné látky jako katechiny, anthokyany (květní barviva), kumariny (Apiaceae, Fabaceae) terpenoidy a jejich deriváty - např. seskviterpenoidní laktony (u čel. Asteraceae - adenostylon, petasitin, Lamiaceae - mentol) nebo chinony (benzochinon, naftochinon, ubichinon, fyllochinon, anthrachinon, plastochinon atd. - např. u čel. Caesalpiniaceae, Resedaceae) stilbeny (např. pinosylvin - ve dřevě gymnosperm a v tropických dřevin - produkované ve zvýšené míře hlavně při poranění - plní baktericidní funkci) aldoximy (vznikají z aromatických aminokyselin) glykosidy (např. hořčičné glykosidy u čel. Brassicaceae nebo kyanogenní glukosidy u řady čeledí - např. u zástupců čel. Fabaceae, Asteraceae) karotenoidy saponiny alkaloidy (Papaveraceae, Ranunculaceae, Liliaceae, Amaryllidaceae - známy stovky - např. morfin, papaverin, thebain, atd.) Mnohé tyto látky představují selektivně pozitivní kompetiční vlastnosti rostlin ať už jde o barviva (ochranna či atraktanty), silice (atraktanty) toxiny a odpuzovače (proti hmyzu, houbám, bakteriím nebo jiným vyšším rostlinám) Základní separační technikou těchto metod je chromatografie Detekce hybridogeneze 4: sekundární metabolity - chromatogram Puolukka - Lingon Vaccinium myrtillus Detekce hybridogeneze 5. - Experimentální hybridizace Významnými byly také pokusy opakovat experimentálně vznik hybridogenních druhů spojené s testy křížitelnosti – viz klasické pokusy Müntzinga zaměřené na vysvětlení hybridního původu Galeopsis tetrahit. tetrahit-1a Galeopsis tetrahit 2n = 4x = 32 speciosa-1 Galeopsis speciosa 2n = 2x = 16 Lb-00471 Galeopsis pubescens 2n = 2x = 16 Experimentální důkaz alloploidní speciace Galeopsis tetrahit Müntzing A. Hereditas, 13: 185-341, 14: 153-172, 1930 zkřížil mateřskou rostlinu Galeopsis pubescens (PP) s otcovskou G. speciosa (SS) obdržel homoploidního hybrida F1 (PS) křížením jedinců F1 dostal triploida F2 (zřejmě PSS) toho pak zkřížil zpětně s G. pubescens = PP x PSS obdžel tetraploida (zřejmě PPSS) tetraploid se velmi podobal G. tetrahit a dal se s ní bez problémů křížit Slide2 Pires JC, J Zhao, ME Schranz, EJ Leon, PA Quijada, LN Lukens, and TC Osborn. 2004. Flowering time divergence and genomic rearrangements in resynthesized Brassica polyploids (Brassicaceae). Biological Journal of the Linnean Society 82: 675-688. img00053 polyvul2 DSCN0002 Polypodium vulgare P. x mantoniae P. interjectum Detekce hybridogeneze 6b: FCM heteroploidní hybridizace Detekce hybridogeneze 6b: FCM Detekce hybridogeneze 6c: FCM Detekce hybridogeneze 7. Meiotické synapse analýza párování chromosomů (synapsí) v meiotické metafázi I, čili tvorba bivalentů, multivalentů popř. univalentů. Poprvé tvorbu bivalentů a univalentů v meiózi pozoroval Otto Rosenberg (1903) u hybrida Drosera ×obovata (2n = 30; 10II + 10I) mezi Drosera rotundifolia (2n = 20) a Drosera anglica (2n = 40). P7220621 Drosera ×obovata (2n = 30; 10II + 10I) rotundifolia_SPN05 Drosera rotundifolia (2n = 30) Drosera anglica Drosera anglica (2n = 40) Detekce hybridogeneze 7. Meiotické synapse Tato deduktivní metoda vycházela z předpokladu, že rozdíly v chromosomální architektuře rodičovských druhů jsou primární příčinou chyb v párování chromosomů při tvorbě bivalentů u jejich hybridů. Tyto rozdíly ve strukturálním uspořádání chromosomů jsou stejně jako neschopnost tvořit meiotické bivalenty obvykle příčinou sterility hybridů (Stebbins 1950, 1971). Tvorba univalentů v meioze u hybridů je určována spíše specifickými geny než příbuzností genomů, což jako první předpokládal již Darlington (1937). Gen Ph1 zodpovědný za párování meiotických chromosomů u hybrida byl objeven např. u pšenice (Riley & Chapman 1958, Benavente et al. 1998) nebo u ječmene (Zhang et al. 1999) a dalších druhů (Briggs & Walters 1997). 2321f2 a_fig013c 6p24 Alstroemeria%20pelegrina Alstroemeria pelegrina Meiosis in the sexual polyploids of A. inodora × A. pelegrina B, metaphase I stage in showing one ring quadrivalent and 14 bivalents. Detekce hybridogeneze 7. Meiotické synapse gmr0081fig2 Kvadrivalenty u autotetraploidní ropuchy 2n=4x=44 Lolium temulentum a L. perenne se liší genomově o 60 %, přesto se ale jejich chromosomy regulérně párují, to se ale mění pokud jsou přítomny B-chromosomy Lolium Lolium%20perenne%202 mouse_meta_600 FISH painted B chromosomes (u myši) Nepravidelnosti v synapsích Isoenzymy Předmětem studia jsou bílkoviny - proteiny - složené z aminokyselin je jich víc jak 100 (molek. hmotnost víc jak 10.000) spojené peptidickou vazbou Primární struktura je dána sekvencí aminokyselin a je určena geneticky. Samotné aminokyseliny mají různé molekuly ty mohou být neutrální, či mohou mít kladný nebo záporný náboj, současně může být aminokyselinový radikál buď hydrofilní nebo naopak hydrofóbní povahy tyto 3 vlastnosti velikost, náboj stupeň hydrofility ovlivňují tvar - sekundární a terciérní strukturu bílkoviny. často je funkční enzym složen z více podjednotek tvořených polypeptidickými řetězci pak hovoříme o kvartérní struktuře podle počtu podjednotek hovoříme monomerech, dimerech, trimerech, tetramerech, ... mutace v molekule DNA může rezultovat ve změnu sekvence aminokyselin, jenž se může odrazit v změně náboje velikosti tvaru aktivitě či substrátové specifitě enzymu enzymovou specifitu chápeme ve dvou smyslech: - katalýza pouze jednoho typu přeměny dané látky - schopnost katalyzovat jediný typ substrátu (jiný byť velice podobný - např. optický izomer nikoli) rozsah této specifity může však být u různých enzymů různý isoenzymy katalyzují stejnou reakci ale strukturně se liší velikostí nebo sekvencí aminokyselin i velmi drobné takové rozdíly se mohou výrazněji promítnout do změny náboje a konformace molekuly allozymy jsou isozymy kódované různými alelami téhož genu tj. v rámci jednoho lokusu Monomerní enzym 2x, 2 alely ab aa bb Monomerní enzym 4x, 2 alely aaaa aaab aabb abbb bbbb Monomerní enzym 4x, 3 alely abbc abcc bbcc aaac cccc (n+k-1)! k!.(n-1)! k=4, n=3 6!/4!.2! = 5.3 = 15 patterns 5 patterns 3 patterns Monomerní enzym 6x, 4 alely – 84 patterns Dimerní enzym 2x, 2 alely ab aa bb Dimerní enzym 4x, 2 alely aaaa aaab aabb abbb bbbb Dimerní enzym 4x, 3 alely abbc splývá 4x homodimer ββ + 2x heterodimer αγ Stejný pattern 1:4:6:4:1 má tetramerní enzym při 2 alelách margaritae4 Detekce hybridogeneze 8. isozymové patterns Zymogram pro dimerický enzym fosfoglukoizomerázu (PGI) Phlomis x margaritae 2n=30 phlomiscrinita2 Phlomis composita 2n=30 09-J86-260020 Phlomis purpurea 2n=28 homodimer a-a homodimer b-b heterodimer b-c homodimer c-c cerastium_alpinum_ssp_alpinum_Gunnar_Bureid01 Shetland mouse-ear MDH – malátdehydrogenáza - dimerický enzym, na 3 lokusech po jedné až dvou alelách, monomery a heterodimery TPI – triózofosfátizomeráza – dimerický enzym na 3 lokusech po jedné až pěti alelách Cerastium alpinum 2n=72 C. nigrescens 2n=108 ceraalpv Detekce hybridogeneze 8. isozymové patterns Potam_nod Potamogeton nodosus Potamogeton%20natans%20BotKA%20F12 Potamogeton natans potamogeton-lucens-4 Potamogeton lucens Potamogeton xfluitans Potamogeton x fluitans Detekce hybridogeneze 8. isozymové patterns – dále také u kříženců a allopolyploidů v rodu Iris (Arnold et al. 1990a) I_fulvaRBarton irishexDressler inelsoniiIriscitygardens Iris hexagona Iris nelsonii Iris fulva Photo: Rodney Barton Photo: Iris City Gardens Detekce hybridogeneze 9. RAPD Nuphar (Padgett et al. Am. J. Bot., 85: 1468-1476, 1998), ADG Nuphar microphylla BEH Nuphar x rubrodisca CFI Nuphar variegata nuphar NUPLUT drab_ladi_1 Draba ladina, 2n=32 draba_aizoides2 Draba aizoides 2n=16 Draba-tomentosa-2 Draba tomentosa 2n=16 Draba%20dubia%20BotKA%20S2 Draba dubia 2n=16 Detekce hybridogeneze 10. nukleotidový polymorfismus ITS nuclear ribosomal DNA Internal Transcribed Spacer polyploidní stenoendemit hybridogenní původ? potenciální –––––– rodiče –––––– rozšíření: Alpy rDNA bereic1 ITS z jaderné DNA trnL z chloroplastové DNA Metoda: ITS + trnL amplifikace, klonování, sekvenování Sampling: Draba aizoides: 54 individuals / 17 populations Draba ladina: 10 individuals / 2 populations Draba tomentosa: 10 individuals / 2 populations Draba dubia: 7 individuals / 2 populations Izolace DNA: z herbářového materiálu nebo z materiálu v silikagelu Sekvenovaní opakované (např. D. ladina: 20 klonů) 2 typy ITS => identifikace rodičů Výsledky 1 typ trnL => (i) identifikace matky, (ii) k allopolyploidizaci došlo 1x drab_ladi_1 Detekce hybridogeneze 10. nukleotidový polymorfismus ITS miscanthus-sacchariflorus Miscanthus sacchariflorus 2n=2x=38 Miscanthus%20sinensis%20'Graziella' Miscanthus sinensis 2n=38 or 76 Detekce hybridogeneze 10b. RFLP - ITS Metoda: ITS sekvenování rodičovských druhů, volba druhově specifické restriktázy, PCR-RFLP amplifikovaných ITS hybrida a rodičů potpec_aspect01 Potamogeton pectinatus shepond Potamogeton vaginatus Detekce hybridogeneze 10c. RFLP - ITS Detekce hybridogeneze 10c. RFLP - ITS elytrigia_repens1 img020 Detekce hybridogeneze 11: GISH Alopecurus pratensis alopecurus_geniculatus_marsh_foxtail Detekce hybridogeneze 11: GISH gishb Festuca chromosomy: žlutě Lolium chromosomy: zeleně (Thomas et al., 1994). 1214147s Festuca pratensis lolium_multiflorum Lolium multiflorum x Festulolium loliaceum Dahlia dissecta var. sublignosa (Mexican Cutleaf Dahlia) Dahlia dissecta 2n=34 Dahlia sherffii 2n=32 GISH of hybrid = 17 red chromosomes of Dahlia dissecta x 16 blue chromosomes of D. sherffii 40517441_ea39ed8d15_m Detekce hybridogeneze 11: GISH coffealiberica02flo Coffea liberica Analýza G2 hybridů (F1 hybridi měli po 11 chromosomech od každého z rodičů s 2n=22 Detekce hybridogeneze 11: GISH Detekce hybridogeneze 13. RFLP (polymorfismus délky restrikčních fragmentů) rod_big_b Rhododendron smirnovii rsf_ungernii Rhododendron ungernii rhodo_cau Rhododendron caucasicum ponticum Rhododendron ponticum Detekce hybridogeneze 13. RFLP Detekce hybridogeneze 14. AFLP (polymorfismus délky amplifikovaných fragmentů) – např. při důkazu hybridity v populacích u rodů Salix (Beismann et al. Mol. Ecol., 6: 989-993, 1997), Taraxacum (van der Hulst et al. Mol. Ecol., 9: 1-8, 2000), Quercus (Ishida et al. Am. J. Bot., 90: 769-776, 2003). Cardamine (Marhold et al. Bot. J. Linn. Soc., 139: 275-294, 2002), esturion white Detekce hybridogeneze 14. AFLP (polymorfismus délky amplifikovaných fragmentů) Acipenser naccarii A. transmontanus Detekce hybridogeneze 14. AFLP 107_1 Cardamine raphanifolia cardamine_amara_Pal_Klevan01 Cardamine amara Sampling AFLP: C. crassifolia 6 individuals / 2 populations C. amara subsp. pyrenaica 7 individ. / 5 popul. C. amara subsp. amara 5 individ. / 5 populat. C. amara subsp. austriaca 3 indvid. / 3 populat. C. amara subsp. olotensis 3 individ. / 3 populat. C. raphanifolia 3 individividuals / 3 populations C. x enriquei 5 individuals / 1 populations hybrid: Cardamine x enriquei (2n=2x=16) – methods: AFLP, pollen viability, morphological analysis pyrenaica, 2n=16 crassifolia 2n=16 crassifolia 2n=16 pyrenaica, 2n=16 hybrid 2n=16 Results: morfometrická analýza Detekce hybridogeneze 14. AFLP Detekce hybridogeneze 16. PCR-RFLP cpDNA analýza hybrida mezi Dryopteris intermedia a D. carthusiana (Xiang et al. Am. J. Bot., 87: 1175-1180, 2000); štěpení trnL úseku pomocí MseI restriktázy – u kapradin se cpDNA nemusí dědit jen matroklinně, ale také po obou rodičovských liniích (Soltis & Soltis 1989, Am. J. Bot., 50: 952-958). Analýza cpDNA pomáhá detekovat asymetrickou hybridizaci a asymetrickou introgresi tam, kde je hybrid prokázán jinými markery (Burges et al., Mol. Ecol. 14:3471-3483, 2005) dryopteris Praktické aspekty hybridizace 1: míra evoluční příbuznosti geum_urbanum_ab1266 geumhis1 Geum%20aleppicum%20BotKA%20F2 IT51235301_Lamarossa_Geum_rivale mi01071 Geum%20macrophyllum%20NAm%20BotKA%20G1 Geum Praktické aspekty hybridizace 1: alopatrická speciace 18c43710 Praktické aspekty hybridizace 2: šlechtitelská praxe wheat banana2b banana5 Praktické aspekty hybridizace 2: - křížení GMO s divoce rostoucími druhy, únik modifikovaných genů do přirozených populací - ochranářská praxe, genetická koroze druhu gmo gmo 03060127 Sinapis Gen pro herbicidní rezistenci Brassica napus Sinapis arvensis Geneticky modifikovaná řepka MVC-344L Brassica rapa 4 triticum-aestivum Triticum aestivum intermediatewheatgrass4 Spike-like Raceme Elytrigia intermedia Elytrigia repens Geneticky modifikovaná pšenice Limity přirozené mezidruhové hybridizace Mezidruhové reprodukční bariéry Izolační bariéry - udržují genetickou integritu druhu prezygotické (prepolynační & postpolinační) postzygotické (postpolinační) geografická distribuce opylovací vzdálenost fenologický překryv zygotická mortalita snížená životaschopnost hybridů genetická snížená životaschopnost hybridů ekologická snížená fertilita nebo sterilita hybridů specifita opylovačů pylová kompetice Cirsium heterophyllum Cirsium rivulare Důležitým faktorem pro mezidruhovou hybridizaci mohou být také rozdíly v rozšíření rodičov-ských druhů Místa společného výskytu Cirsium heterophyllum a C. rivulare Jen v těchto územích mohou vznikat kříženci mezi Cirsium heterophyllum a C. rivulare Cirsium palustre Cirsium oleraceum Pokud se druhy podobají svým rozšířením, mohou teoreticky tvořit hybridy častěji Ke kvantifikaci podobnosti v roz-šíření lze využít společné výskyty ve fytogeografických okresech ! Jak ale kvantifikovat míru podobnosti v rozšíření ve vztahu k hybridizaci ??? , AC1 = RI1 AC2 = RI2 (1 – AC1) AC3 = RI3 (1 – (AC1 + AC2)) ACn = RIn (1 – suma (i=1..n-1)ACi) Total bariere = T = suma ACi Relative contribution RCn = ACn/T F1 hybrid fitness RI postzygotic = 1 – –––––––––––––––––– mean parental fitness , ol x pa-al-Hl-25-2 Fenologické limity přirozené mezidruhové hybridizace 1 2a 2b 3a 3b 3c 4 5 Úbor zavřený, barva květů není vidět Úbor pootev-řený, barva květů je vidět Úbor napůl otevřený, zavřené květy tvoří plošku Ploška úboru s několika prvními otevřenými obvodovými květy Zhruba polovina květů po obvodu úboru otevřena, střední květy zavřené (zbytek plošky) Všechny nebo skoro všechny květy otevřeny = úbor zcela nebo téměř zcela otevřený Úbor se zavírá, květy zasychají, vzniká chmýr, barva květů ještě patrná Úbor se otvírá, květy (koruny) jsou zaschlé, hnědé nebo opadané, chmýr s nažkami je vytlačován z úboru Kejbaly 2005 C. pannonicum C. palustre C. heterophyllum C. acaule C. eriophorum C. rivulare C. canum C. oleraceum C. arvense C. vulgare Kraví hora 2005 C. pannonicum C. palustre C. heterophyllum C. acaule C. eriophorum C. rivulare C. canum C. oleraceum C. arvense C. vulgare Vortová 2005 C. pannonicum C. palustre C. heterophyllum C. acaule C. eriophorum C. rivulare C. canum C. oleraceum C. arvense C. vulgare Vortová 2005 C. pannonicum C. palustre C. heterophyllum C. acaule C. eriophorum C. rivulare C. canum C. oleraceum C. arvense C. vulgare Phenological overlap of parental species Table values are based on average weighted by the numbers of flowering plants in each species pairs in nine replications (three vegetation seasons in three climatically different gardens where all 11 species were cultivated together, each species represented by at least nine plants in each garden or season respectively). amax or bmax resp. = maximum number of ai or bi for i = 1...n; i.e., maximum number of flowering capitula of species A or B resp. in n estimations during one vegetation season. ai or bi resp. = number of flowering capitula of species A or B resp. in ith measurement during the season.