MODULARIZACE VÝUKY EVOLUČNÍ A EKOLOGICKÉ BIOLOGIE CZ.1.07/2.2.00/15.0204 PF_72_100_grey_tr ubz_cz_black_transparent http://ars.els-cdn.com/content/image/1-s2.0-S1360138510000981-gr2.jpg http://www.flywings.org.uk/MorphoMeet12/images/skull_lmks.jpg http://2.bp.blogspot.com/-QQBb7pH-BFU/UBzc53AZIaI/AAAAAAAAFL4/-SA2VMszaL4/s1600/zuttiyeh.png http://host.uniroma3.it/laboratori/paleontologia/rhino2.jpg http://www.pnas.org/content/104/42/16604/F2.large.jpg http://www.flywings.org.uk/images/smallCPKSignet.JPG Genetické metody a morfologie jaká je genetická podstata morfologického znaku? (quantitative trait loci = QTL) proměnlivost znaku v čase (fylogeneze) proměnlivost znaku v závislosti na jiných faktorech některé metody společné (např. PCA) Molekulární vs. morfologické znaky množství (103 - >106 vs. 102) nezávislost fylogenetická škála (v případě mol. znaků můžeme srovnávat např. bakterie s obratlovci) větší počet taxonů znaky většinou reprezentují mnoho genů (vs. např. mtDNA, cpDNA) možnost studovat muzejní/fosilní materiál znaky proměnlivost genetické určení kvalitativní diskrétní 1 - málo genů s velkými účinky kvantitativní – plastické kontinuální mnoho genů s malými účinky + negenetické vlivy kvantitativní – meristické kontinuální škála diskrétních znaků mnoho genů s malými účinky + negenetické vlivy (prahové znaky) Mnoho tzv. kvalitativních znaků má ve skutečnosti kvantitativní základ! •kvalitativní znaky • •epigenetické znaky • •tradiční morfometrie • •geometrická morfometrie Analýza fenotypu http://www.softchalk.com/lessonchallenge09/lesson/genetics/Mendel_and_pea_plants_final.jpg mendelovská dědičnost, 1- málo genů mutace u D. melanogaster mutace Hox genů: Antennapedia, Ultrabithorax Kvalitativní znaky http://www.scielo.br/img/revistas/isz/v98n3/a09fig02.jpg Kvalitativní znaky mutace zbarvení: přástevník hluchavkový (Callimorpha dominula), páskovka hajní (Cepaea nemoralis), krovky brouků savci: asi 15 domácích a laboratorních druhů - kočka, myš, morče; kolčava, levhart, norek, kůň pigmentová barviva: eumelanin, phaeomelanin, karoteny, hemoglobin, trichosiderin Callimorpha dominula - přástevník hluchavkový Cepaea nemoralis - páskovka hajní http://www.vivarium.cz/Image/Savci/Zvirata/morcata.jpg http://4.bp.blogspot.com/-hGrfB8jGHYY/TgLC9U1OxbI/AAAAAAAAAkk/uIeGa5mLMXY/s400/IMG_6370.JPG http://www.chovatelka.cz/system/files/photos/2001/images/original.jpg?1322075554 Kvalitativní znaky hlavní alelické série: A = agouti (podélná struktura zbarvení chlupu) B = brown (proteinová složka pigmentových granulí) C = albino (snížení počtu pigmentových skvrn) D = dilute (shlukování pigmentových skvrn) E = extension (změny množství eumelaninu) DBA = dilute – brown - non-agouti musculus http://images.sciencedaily.com/2008/08/080815140250-large.jpg merle1.jpg dilute albino agouti Kvalitativní znaky hlavní alelické série: kočka domácí: A-agouti, T-tabby, B-brown, O-orange, S-white spotting, W-white, L-long hairs http://4.bp.blogspot.com/_cOYt1cVgkNw/S8TUZeKsoSI/AAAAAAAAABY/_thmaLA31YQ/s1600/normal_whiskas_cat_ 11.jpg http://loyalsnowclan.webs.com/Cindercoal.jpg http://i3.squidoocdn.com/resize/squidoo_images/250/draft_lens2340444module13089432photo_1229573686b lackcat.jpg http://i2.squidoocdn.com/resize/squidoo_images/250/draft_lens2340444module13275619photo_1230904300o rangecat.jpg http://i2.squidoocdn.com/resize/squidoo_images/250/draft_lens2340444module13089240photo_1229572704w hitecat.jpg Epigenetické znaky •Epigeneze = vývojové interakce nad úrovní akce genů • •výběr znaků: základním kritériem absence korelace mezi znakem a jeho velikostí Epi 1_1 Epigenetické znaky rozdíly mezi populacemi: index MMD (mean measure of divergence): MMD = 1/rΣ[(θ1-θ2)2 - V] θ = arcsin (1-2p), r = počet znaků V = 1/(n1+1/2)+1/(n2+1/2) statistická významnost měřena jako standardní odchylka MMD: SD = (varMMD)-1/2 = [4/r(1/n1+1/n2)]-1/2 výstupy: symetrická matice rozdílů ® korelace mezi maticemi (Mantelův test, prostorová autokorelace), shluková analýza, minimum spanning tree (MST) •Vztah genotypu a fenotypu: •VP = VG + VE –VP = celková fenotypová variance –VG = variance genotypu –VE = variance způsobená vlivem prostředí –VG = VA + VD + VI A = aditivita; D = dominance; I = epistáze – Kvantitativní znaky Kvantitativní znaky Dědivost (heritabilita), h2: = míra dědičné složky fenotypové proměnlivosti udává, do jaké míry lze varianci v rozložení fenotypu přičíst na vrub genetických příčin Skutečná dědivost: v užším smyslu h2 = VA / VP v širším smyslu h2 = VG / VP Kvantitativní znaky Realizovaná dědivost: h2 = R/S R = selekční odpověď (s. efekt): Xf – X S = selekční diference: Xp-X = zlepšení nad průměr populace vzhledem k rozdílu mezi rodiči a průměrem populace Xf = hodnota znaku u potomstva Xp = hodnota znaku u rodičů X = průměrná hodnota znaku Měření dědivosti nejčastěji jako podobnost mezi příbuznými 9.2.JPG Tradiční morfometrie kvantitativní (metrické i meristické) znaky měření vzdáleností, úhlů, ploch atd. vstup: posunová měřítka, měřicí okulár, měřicí mikroskop, analýza digitálního obrazu výstupy: ordinační analýza, shluková a., fylogenetická a., alometrie, srovnávací analýzy atd. systematika, studium fylogeneze, morfologie, srovnání morfologické evoluce s molekulární, behaviorální studie atd. software: STATISTICA, SPSS, JMP, NT-SYS, MATLAB, SPLUS, programy v R atd. IW ZW BCW OL RW IOCW •Analýza hlavních komponent •(Principal components analysis, PCA) Zi = ai1X1 + ai2X2 + … + aipXp … ai = cos a n jedinců, p proměnných latentní kořen (eigenvalue, latent root) latentní vektor (eigenvector, latent vector) Obrázek1.jpg zátěže (loadings) PC skóre PC1 PC2 Kaiserovo kritérium suťový graf vektor velikosti kolik komponent? •Problém více vzorků: •MGPCA (multiple-group PCA) •CPCA (common PCA) 1xx CPCA MGPCA PC1 PC2 Problém velikosti: vyřazení PC1 Burnabyho metoda •Analýza hlavních koordinát (Principal coordinates analysis, PCoA): matice distancí/podobností • •Faktorová analýza (Factor analysis, FA): speciální model; společné faktory + specifický faktor • •Diskriminační analýza (Discriminant function analysis, DFA) a kanonická analýza (Canonical a., CVA): Mahalanobisovy (generalizované) vzdálenosti MANOVA (Wilk’s Lambda, Pilai’s trace) Hotellingův T2 test kroková DFA • •Shluková analýza (Cluster analysis) •Diskriminační analýza (Discriminant function analysis, DFA) a kanonická analýza (Canonical a., CVA): 1_11 Minimum spanning tree (MST) 1 3 2 6 4 8 7 5 CV1 CV2 A. Dürer (1524): Vier Bücher von Menlicher Proportion. Durer Geometrická morfometrie Darcy W. A. Thompson (1917): On Growth and Form Absence kvantifikace tvarových změn! V historii zkoumání tvaru biologických objektů existovaly 2 odlišné strategie: 1. W. D’Arcy Thompson V historii zkoumání tvaru biologických objektů existovaly 2 odlišné strategie: 2. Tradiční morfometrie: F. Galton, K. Pearson, R.A. Fisher, S. Wright, H. Hotelling... rozměry, váhy, úhly, plochy... PCA, DFA, CVA, FA, PCoA, shluková a. Absence informace o tvaru (morfometrie)! Geometrická morfometrie I. Analýza uzavřených křivek Zub2 Fourier1 cos sin harmonické složky (harmonics), koeficienty Fourierova analýza Fourier2 Tradiční Fourierova a. Zub2 x y Eliptická Fourierova a. F1 F2 F3 F4 F5 Error význačné body (landmarks) kvantifikace tvaru pomocí tvarových koordinát odlišení různých tvarových složek informace o tvaru zachována po celou dobu matematické analýzy velikostní standardizace a možnost samostatné práce s vektorem velikosti možnost zpracování dat pomocí tradičního morfometrického aparátu Geometrická morfometrie II. Analýza význačných bodů význačné body (landmarks) = body, které lze přesně lokalizovat a které jsou alespoň v geometrickém smyslu mezi objekty homologické OBRAZOVÝ PROSTOR: p – rozměrů, k – bodů; n = pk tvar = vše kromě informace o velikosti, pozici a orientaci objektu Prokrustovská superpozice = GLS (Generalized Least Squares) Prokrustovská superpozice 1. Prokrustovská superpozice 1. Prokrustovská superpozice 2. Prokrustovská superpozice 3. TVAROVÝ PROSTOR: n = pk – k – k(k–1)/2 – 1 Prokrustovská superpozice 3. Tvarové koordináty Extracting shape information: Procrustes superposition 1. Change scale so that all configurations have the same size 2. Superposition of the centers of gravity on a single point 3. Rotation to minimize the dispersion of corresponding points Original landmark configurations T C A A´ tangenciální prostor tvarový prostor tangenciální (referenční, konsensuální) konfigurace 1_18 metafora nekonečně velkého, nekonečně tenkého kovového plátu Deformace souřadnicové sítě TPS (Thin-Plate Spline) http://www.virtual-anthropology.com/virtual-anthropology/images/GMM_grid.jpg energie nutná k deformaci plátu = deformační energie (bending energy) odlišení afinní a neafinní změny tvaru projekce latentních kořenů deformační energie do jednotlivých os = parciální deformace (partial warps) parciální deformace 0 ~ uniformní složce Deformace souřadnicové sítě TPS (Thin-Plate Spline) Afinní (uniformní) změna tvaru Afinní (uniformní) změna tvaru Afinní (uniformní) změna tvaru Afinní (uniformní) změna tvaru rovnoběžky zůstávají rovnoběžné Neafinní (neuniformní) změna tvaru rovnoběžky nezůstávají rovnoběžné Neafinní (neuniformní) změna tvaru Homo referenční objekt Pan referenční objekt = Homo referenční objekt = Pan RW 1 RW 2 >2 vzorky: TPSRW (Thin-Plate Spline Relative Warps) RW 1 RW 2 RW 1 RW 2 Microtus Mus MicrotusMus http://life.bio.sunysb.edu/morph/ Software: tpsDig: úprava obrázků, digitalizace bodů, měření rozměrů tpsSplin: TPS tpsRelw: TPS Relative Warps tpsRegr: regrese na nezávislou proměnnou tpsPLS: metoda parciálních nejmenších čtverců (např. korelace 2 sad bodů) tpsSuper: deformace obrázků („unwarping“) tpsTree: analýza tvarových změn podél větví fylogenetického http://www.flywings.org.uk/MorphoJ_page_files/MorphoJ_logo.jpg 9.17.jpg 9.18.JPG Morfometrie a fylogeneze tpsTree mapování tvarových změn Metody založené na význačných bodech bez landmarků – „sliding semilandmarks“ Bookstein et al., Anat. Record (1999) creases2 corpus callosum splenium crease2 crease creases1 crease1 http://38.media.tumblr.com/407876e87b323fb462fc358fb659f7a0/tumblr_n3qyuoyjB41r46foao1_1280.png http://40.media.tumblr.com/afc72807c1db7dc44ae5b05414789b20/tumblr_n3qyuoyjB41r46foao3_500.png http://a.fsdn.com/con/app/proj/morpho-rpackage/screenshots/pcaplot.png http://www-personal.umich.edu/~emarquez/img/wing1.jpg https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSjf-wNfmNE0tlSGfMSIs6dK8C14XjH1rTPRZ3_4b1txaG TrAft http://www.biologicalpsychiatryjournal.com/cms/attachment/863924/6318619/gr1_lrg.jpg 9.19.JPG 9.20.JPG 9.21.JPG Komparativní analýza 9.22.JPG 2n(n-1) > n (!) fylogenetická korelace (phylogenetic inertia) inference změn podél větví stromu – zpravidla parsimonie Þ ve skutečnosti neřeší problém fylogenetické nezávislosti! 9.23.JPG Nezávislé kontrasty (independent contrasts) předpoklad: Brownův pohyb! Alternativy: PGLS (phylogenetic generalized least squares) lze využít i jiné modely než Brownův pohyb 9.9.JPG 9.10.JPG Model Brownova pohybu Ornstein-Uhlenbeckův model 9.12.JPG