8. Syntéza a aplikace výsledků fylogenetických analýz • molekulární vs. morfologická data ve fylogenetické analýze • časté zdroje chyb • kombinovaná vs. oddělená analýza • využití fylogenetických analýz pro: – klasifikaci – testování evolučních scénářů a adaptací – historickou biogeografii a testy kospeciace •©Tom Stidham •, www.phylo.org/sub-sections/outreach/outreach_c Kladistický software •kompletní přehled fylogenetických programů: http://evolution.genetics.washington.edu/phylip/software.html •NONA 2.0 (Goloboff 1993) + Winclada 1.00.08 (Nixon 2002) •TNT (Goloboff, Nixon & Farris 2008) •PAUP* 4.0 beta (Swofford 2002) + MacClade 4.07 (Maddison & Madison 2002) •Hennig86 (Farris 1989) + TreeGardener (Ramos 1996) Výhody molekulárních dat •velký počet znaků k dispozici •široké rozpětí substitučních rychlostí (použitelnost pro různé úrovně hierarchie) •dědičnost, nezávislost (neplatí absolutně) •objektivní výběr a definice • •Výhody morfologických dat • • •umožňují zahrnout více taxonů (lepší dostupnost materiálu, fosilie, cena) •každý znak kódován jiným genem/souborem genů •morfologie je stále hlavní metodou rozpoznávání organizmů, možnost definovat klády pomocí synapomorfií • • wiens1 •Hillis & Wiens 2000 wiens2 •Hillis & Wiens 2000 Příčiny konfliktů a chyb ve výsledcích •celkově slabá data v jedné/obou analýzách (viz např. bootstrap; často vlivem nezahrnutí důležitých znaků/taxonů) •„šum“ ve znacích –znaky nejsou homologické (konvergence, analogie, špatný alignment) –špatné vážení znaků, znaky nejsou nezávislé (nedocenění nebo přecenění v analýze) –chybné určení základního plánu vyšších taxonů –artefakty (kontaminace, špatná determinace, chyba v přepisu dat) •špatná volba outgroup a chybná polarizace (seskupování na základě symplesiomorfií, domnělá outgroup ve skutečnosti součástí ingroup apod.) •evoluce genu se liší od evoluce taxonu (paralogie, horizontální přenos genu, neúplné sortování linií) •porušení předpokladů metody konstrukce stromu (špatný model, problém dlouhých větví) Long-branch attraction •problém při určité kombinaci dlouhých a krátkých větví •pokud metoda předpokládá, že se všechny lokusy mění stejným tempem (např. parsimonie) •nahromadění náhodných změn v sekvencích, setření fylogeneticky podstatné informace – špatná topologie • longbranchatt •skutečný strom •získaný strom •McKenna & Farrell (2010) •analýza sekvencí 9 jaderných genů •příklad problému dlouhých větví: postavení řasníků (Strepsiptera) v systému hmyzu •Blanke et al. (2013) •příklad problému závislosti znaků – sladěná konvergence (concerted convergence) morfologických znaků: vzájemné příbuzenské vztahy jepic, pošvatek a Neoptera •Blanke et al. (2013) •odhalení sladěné konvergence: identifikace skupin závislých znaků: klik (cliques: Holland et al. 2010) • •příklad dosud nevyjasněného konfliktu v datech: nejasná monofylie srpic (Mecoptera) oproti blechám – dvě protichůdné hypotézy • • •ribosomální geny, morfologie •(Whiting 2002) •protein-kódující geny (Wiegmann et al. 2009) Boreus_brumalis_male_by_Tom_Murray Kombinovaná vs. oddělená analýza kitching2 •různé typy dat: morfologie/molekuly, gen1/gen2, dospělci/larvy, embryologie apod. •Kitching et al. 1998 •total •evidence Kombinovaná analýza •simultánní analýza, total evidence, supermatrix approach •z pohledu kladistiky filozoficky lepší přístup, testuje soulad (homologii) znaků v maximální míře •často je výsledný strom lépe rozlišen kitching1 •Kitching et al. 1998 Oddělené analýzy •partitioned analysis, separate analysis •možnost vzájemného testu datových souborů různé podstaty •snižuje pravděpodobnost závislosti znaků •lze použít rozdílné evoluční modely a algoritmy konstrukce stromu •lepší v případě velmi rozdílného – obsahu homoplázie (informace/šum) – počtu znaků •při souborech taxonů, které se překrývají jen částečně (→superstrom, supertree) •→testy nesouladu mezi dvěma datovými soubory: incongruence length difference (ILD), Templetonův test, testy založené na ML, atd. Superstromy (supertrees) •při částečně překrývajících se souborech taxonů a pro konstrukci „stromů života“ z obrovských datových souborů •mnoho různých metod konstrukce (přímé, nepřímé), ideální metoda neexistuje (např. mohou vznikat klády odporující vstupním stromům) •matrix representation with parsimony (MRP): supertree1 supertree2 •Wägele 2005 Test nesouladu mezi dvěma datovými soubory (Partition homogeneity test) •Incongruence length difference (ILD): Farris et al. 1995 ILD ILD2 Výhody klasifikací založených na fylogenezi: •objektivita (opakovatelnost) – jednoznačná kritéria pro vymezení skupin (monofylie, na základě synapomorfií), hypotézy lze testovat •informativnost – maximální vypovídací hodnota o rozložení znaků mezi taxony •přirozenost – uspořádání získané z jednoho souboru dat bude pravděpodobně shodné/podobné jako uspořádání vzniklé z jiného, nezávislého souboru dat •schopnost predikce – umožňuje zařazení nově objevených taxonů do existujícího systému včetně předpovědí o jejich pravděpodobných vlastnostech (znacích) •stabilita – vyplývá ze všech předchozích bodů •Využití fylogenetických analýz: 1) Klasifikace •graficky: –fylogenetické stromy –Vennovy diagramy – závorky Způsoby vyjádření hierarchie venn venn2 •Wägele 2005 •odsazení (indentace) mnoho monofylii Způsoby vyjádření hierarchie •Fleger 2005 Způsoby vyjádření hierarchie •číselný systém hennig-klasifikace •Hennig 1969 Linnéovský systém •Vences et al. 2013 Linnéovský systém •hierarchie vyjádřena pomocí kategorií •nevýhody: –různá pravidla pro různé říše (ICZN, ICBN, bakterie – homonymie, vyšší taxony) –nerozlišuje monofyletické skupiny od umělých –formálně neupravuje podmínky pro jednoznačné vymezení taxonů –každému popisovanému taxonu je přikázáno přiřadit kategorii –těžkopádnost změn při zjištění nových poznatků o fylogenezi (změna koncovek, malý počet kategorií apod.) –nutnost pamatovat si kategorii a její relativní umístění v hierarchii Fylogenetická nomenklatura (PhyloCode) •www.ohiou.edu/phylocode/ •bez formálních kategorií •registrace jmen ve speciální databázi •každé jméno (vyjma druhu) musí být doprovázeno fylogenetickou definicí pomocí tzv. specifikátorů (výčtu druhů, sesterské skupiny nebo synapomorfií) •z různých důvodů však spíše pro budoucnost neperspektivní Clade_types Převod fylogeneze do Linnéovského systému 1)formálně klasifikujeme jen monofyletické skupiny 2)každá klasifikace musí logicky souhlasit s hypotézou o fylogenezi, kterou zastáváme 3)klasifikace by měla odrážet sesterské vztahy mezi taxony •Doporučení: -Linnéovský systém kategorií -pokud možno minimálně měnit existující klasifikaci (nepoužívat/nevytvářet redundantní kategorie/taxony pokud to není nutné pro vyjádření sesterských vztahů skupin, zachovat kategorie stávajících taxonů) -při popisu nového taxonu výslovně uvádět a rozlišovat apomorfie od diagnostických znaků a plesiomorfií -monofyletické taxony s nejistou příbuzností zařadit jako incertae sedis na úroveň hierarchie, do které jistě patří - - • • • Logický soulad klasifikace s fylogenezí •čeleď Goodeidae • podčeleď Epetrichthyinae • rod Empetrichthys • rod Crenichthys • podčeleď Goodeinae • (mnoho rodů) •Goodeinae •Crenichthys •Empetrichthys •Crenichthys •Goodeinae •Empetrichthys • • •klasifikace je v logickém souladu s hypotézou •o fylogenezi •Wiley et al. 1991 Logický nesoulad klasifikace s fylogenezí •čeleď Cidae • podčeleď Ainae • rod Aus • rod Bus • podčeleď Cinae • rod Cus •Cus •Bus •Aus • • •Cus •Bus •Aus • •klasifikace není v logickém souladu s hypotézou •o fylogenezi •Wiley et al. 1991 kitching-klasif •Schuh 2000 • postupně se odvětvujícím skupinám lze konvenčně přiřadit stejnou kategorii (sequencing condition): plazi •Lissamphibia •Mammalia •Chelonia •Lepidosauria •Crocodylia •Aves •Tetrapoda • Lissamphibia • Amniota • Mammalia • Reptilia • Chelonia • Sauria • Lepidosauria • Archosauria Crocodylia • Aves Využití fylogenetických analýz: 2) Testování evolučních scénářů mapping 780px-Iphiclides_podalirius •Miller 1987 • character mapping – vynesení znaku na terminální taxony kladogramu • např. hostitelské rostliny otakárků •např. přítomnost křídel u bruslařek (Gerridae): původní stav - dimorfismus andersen •Andersen 1997 Rekonstrukce původního stavu znaku 800px-Water_strider_G_remigis •permanentně •bezkřídlé •permanentně •makropterní •polymorfní •character optimization – vynesení znaku na kladogram a rekonstrukce jeho evoluční historie na základě optimalizačního kritéria (parsimonie, max. likelihood, Bayesian inference) Rekonstrukce původního stavu znaku optimiz optimML 800px-Geospiza_fuliginosa_976 •Cunningham et al. 1998 Testování adaptací: pořadí ekologických/adaptivních změn pollin1 pollin2 pollin3 •Hypotéza: Červená barva květu je adaptací rostliny na opylování ptáky •testování vzájemné závislosti dvou znaků fenotypu nebo fenotypu a proměnné prostředí u různých druhů nebo vyšších taxonů •korelace, regrese, kontingenční tabulky •problém: data z různých taxonů nejsou vzájemně nezávislá – část variability znaku (pokud je dědičný) je důsledkem fylogeneze (fylogenetická korelace/setrvačnost, phylogenetic correlation/inertia) •Srovnávací studie (comparative method) • • •? •Prostředí •Fylogeneze •100 % variability znaku •Závislost dat na fylogenezi comp4 comp1 comp2 comp3 •Felsenstein 1985 •X a Y jsou •korelovány •X a Y nejsou •korelovány •Závislost dat na fylogenezi •Garland et al. 1993 • domovské okrsky masožravých šelem nejsou po zohlednění fylogeneze a váhy těla významně větší než u býložravých kopytníků Nezávislé kontrasty (Independent contrasts) •Felsenstein (1985): průměry předků vážené délkou větví, kontrasty standardizovány jejich směrodatnou odchylkou •jedna z mnoha metod, často používaná (kvantitativní znaky) indepcontrasts Kvalitativní znaky •je přítomnost znaku X spojena se znakem Y? •při zohlednění fylogeneze často málo dat zavislost •Cunningham et al. 1998 Párové srovnávání (pairwise comparisons) •Maddison (2000): algoritmus na výběr fylogeneticky nezávislých párů umožňujících srovnání (program Mesquite) •více možností: čím více párů, tím lépe pro statistiku, ale páry musí být relevantní pairwise comparisons paircom Historická biogeografie •rozšíření organismů je ovlivněno současnými podmínkami prostředí a geologickou minulostí •HB srovnává historii skupiny/skupin s dlouhodobou historií geografických oblastí nebo historií jiné skupiny organizmů (parazité-hostitelé, geny-organismy), snaží se zjistit případný soulad a roli procesů •vs. ekologická biogeografie: rozšíření organismů ve vztahu k živému a neživému prostředí coevolution1 •Page & Charleston 1998 580px-Snider-Pellegrini_Wegener_fossil_map_svg •Wiley & Lieberman 2011 •www.wikipedia.org Wiley Lieberman 2011 Phylogenetics • 4 typy událostí (events) •vicariance •cospeciation •dispersal •host-switch •sympatry •within host speciation •failure to speciate / extinction •„missing the boat“ Kladistická biogeografie •1) vstupní data: –fylogenetické stromy s taxony –oblasti endemismu » areasendemism cladogramsRosen •Rosen 1979 Xiphophorus_helleri_02 •Xiphophorus •Xiphophorus •Heterandria Kladistická biogeografie •2) nahrazení jmen taxonů na stromu označením oblastí endemismu: • taxon-area cladograms cladogramsRosen •Rosen 1979 area cladograms removeparalog Kladistická biogeografie •3) vyřešení konfliktů do jediného kladogramu: • resolved area cladogram • - více různých metod s odlišnými výsledky • - problém: taxony rozšířené ve více než jedné oblasti (widespread taxa) a chybějící oblasti (např. v důsledku vyhynutí taxonu nebo nedostatečného vzorkování) • area cladograms prunedconsensus •pruned consensus tree •(odstranění unikátních •a konfliktních větví) removeparalog •Rosen 1979 Kladistická biogeografie •Crisci et al. 2003 •- např. Brooks parsimony analysis (BPA): BPA.jpg Rekonstrukce ancestrálních oblastí výskytu •optimalizace např. pomocí Bayesiánských analýz (program BayesTraits, Pagel et al. 2004) •S-DIVA (=statistical dispersal-vicariance analysis, program RASP – Yu et al. 2015) http://journals.plos.org/plosone/article/figure/image?size=large&id=info:doi/10.1371/journal.pone.0 067957.g003 (a) The main screen of RASP. The “Analysis” menu in the menu bar provides access ... •Yu et al. 2015 •Sklenářová et al. 2013 Koevoluce parazitů a hostitelů •srovnáváme fylogenezi dvou skupin organizmů (2 stromy) •více metod náročných na výpočet (různé výsledky) •fungují při velkém podílu kospeciací, 1 parazit/1 hostitel, malé skupiny, dokonale rozlišené fylogenetické stromy koevoluce t_gophers1 sid •pytlonoši •(Geomyidae) •všenky •(Ischnocera: •Trichodectidae) •Page 1994 Koevoluce parazitů a hostitelů •Např. reconciled trees – sladí strom parazitů se stromem hostitelů adekvátním promícháním 4 evolučních událostí při maximalizaci kospeciací, test oproti náhodným topologiím stromu •TreeMap (Page 1994), TreeMap2 (Charleston & Page 2002) •Charleston & Page 2002 treemap2 •ParaFit (Legendre et al. 2002)- test globální hypotézy koevoluce pomocí shody mezi maticemi s informacemi o topologii stromů a hostitelských asociacích parazitů parafit1 •Koevoluce parazitů a hostitelů parafit2 Doporučená literatura •Brooks, D.R. & McLennan D.A. 1991: Phylogeny, ecology, and behavior: a research program in comparative biology. Univ. Chicago Press, Chicago. 434 pp. •Crisci J.V., Katinas L. & Posadas P. 2003: Historical biogeography. An introduction. Harvard University Press, Cambridge-London, 250 pp. •Harvey P. & Pagel M. 1991: The comparative method in evolutionary biology. Oxford University Press, Oxford, 239 pp. •Humphries C.J. & Parenti L.R. 1999: Cladistic biogeography. Second edition: Interpreting patterns of plant and animal Distributions. Oxford University Press, New York, 187 pp. •Maddison W.P. & Maddison D.R. 2011: Mesquite. A modular system for evolutionary analysis. http://mesquiteproject.org/mesquite/mesquite.html •Vences M., Guayasamin J.M., Miralles A. & Riva I. de La 2013: To name or not to name: Criteria to promote economy of change in Linnaean classification schemes. Zootaxa 3636(2): 201–244. •Wiley E.O., Siegel-Causey D., Brooks D.R. & Funk V.A. 1991: Compleat cladist. A primer of phylogenetic procedure. The University of Kansas Museum of Natural History Special Publication 19, 158 pp. •Wiley E.O. & Lieberman B.S. 2011: Phylogenetics: Thé theory and practice of phylogenetic systematics. Wiley-Blackwell, 406 pp. •