Velikost genomu, AT/GC genomový poměr
a délka průduchů u ostřic
Ostřice (Carex)
jsou jedním z druhově nejbohatších rodů vůbec, zahrnují okolo 2000 druhů,
což je zhruba polovina všech druhů v čeledi Cyperaceae. Více jak sto let jsou
ostřice zkoumány z morfologického a zejména karyologického hlediska a
vyznačují se několika karyologickými zvláštnostmi s dalekosáhlými důsledky.
Mají chromozomy postrádající centromeru, kinetochor je tedy rozprostřen
poocelé délce chromozomu (tzv. holocentrické chromozomy). Další
neobvyklostí je mikrosporogeneze se 3 abortovanými a jediným zralým
pylovým zrnem. Sotím je spojený velmi častý výskyt fúzí a rozpadů
chromozomů jakožto hlavního způsobu karyotypické evoluce rodu a na druhé
straně nízká frekvence polyploidních událostí. Důsledkem je velká variabilita
vopočtu chromozomů mezi druhy i v rámci druhů, která může být jedním
zomotorů evoluce ostřic.
Rozsah hodnot, variabilita a potažmo evoluce velikosti genomu a AT/GC
genomového poměru jsou naproti tomu téměř neznámé.
Ivana Hralová & Petr Bureš
Ústav botaniky a zoologie, Masarykova univerzita, Brno
Materiál a metody
Rostliny byly sbírány v průběhu let 2006-2009 v terénu i z botanických zahrad,
celkem 159 druhů. Velikost genomu a zastoupení AT bazí v DNA byly změřeny
průtokovou cytometrií two-step metodou s barvami propidium jodid a DAPI,
standardem bylo Lycopersicon esculentum cv. ’Stupické polní tyčkové rané’.
Pro vyjádření ekologických nároků druhů jsme využili ve fytocenologii často
používané Ellenbergovy indikační hodnoty (EIH), délky průduchů jsme změřili
z lakových otisků epidermis. ITS sekvence použité pro tvorbu stromu
pocházejí z databáze NCBI GenBank (105 ostřic a 2 outgroupové druhy),
fylogenetický strom byl sestaven Bayesiánskou metodou algoritmem MonteCarlo
Markovových řetězců (viz prezentovaný strom, čísla pod větvemi
označují míru spolehlivosti, tzv. posterior probabilities, vyznačeny jsou některé
sekce morfologického systému). Získaný strom jsme využili k testování vztahů
analýzou fylogenetických kontrastů a k sledování prezence fylogenetického
signálu studovaných znaků.
0,25 0,75
1.00
ScirpusRadicans
ErioVaginatum
0.93
baldensis
pauciflora
0.87
0.95
0.83
0.62
0.49
capitata
obtusata
0.77
curvula
microglochin
pulicaris
rupestris
1.00
Vignea
1.00
1.00
0.41
0.68
0.66
0.31
0.36
0.42
0.50
appropinquata
0.56
divisa
1.00
remota
supina
Ammoglochin
1.00
0.38
0.64
arenaria
brizoides
1.00
curvata
praecox
pseudobrizoides
0.67
dioica
stenophylla
davalliana
diandra
canescens
1.00
1.00
bohemica
1.00
1.00
0.86
crawfordii
muskingumensis
cristatella
ovalis
1.00
1.00
brunnescens
lachenalii
chordorrhiza
1.00
0.63
C. muricata agg.
1.00
canariensis
1.00
0.79
divulsa
1.00
muricata
pairae
1.00
otrubae
vulpina
1.00
ligerica
paniculata
0.78
echinata
elongata
disticha
core Carex
1.00
atrofusca
0.59
liparocarpos
C9
0.38
0.21
0.11
0.07
0.68
0.92
0.34
0.65
alba
humilis
Microrhynchae
1.00
0.97
0.56
atrata
norvegica
parviflora
1.00
buxbaumii
hartmanii
pilulifera
digitata
0.44
0.82
1.00
Paniceae
0.98
1.00
1.00
aurea
livida
blanda
0.84
vaginata
panicea
pilosa
tomentosa
fuliginosa
0.14
0.35
0.74
Aulocystis
0.67
0.57
0.99
1.00
austroalpina
ferruginea
brachystachys
flacca
1.00
firma
sempervirens
depauperata
caryophyllea
0.20
0.62
ericetorum
pensylvanica
0.87
kitaibeliana
plantaginea
umbrosa
0.42
montana
0.69
1.00
distans
punctata
0.35
Ceratocystis
1.00
1.00
0.86
0.31
demissa
viridula
lepidocarpa
flava
hostiana
0.25
0.29
0.57
0.81
0.98
acutiformis
pallescens
sylvatica
capillaris
frigida
0.63
Phacocystis
1.00
bigelowii
0.46
0.84
aquatilis
rufina
1.00
acuta
0.34
nigra
elata
0.69
0.43
1.00
0.64
0.56
pseudocyperus
lupulina
0.96
0.66
grayi
hirta
0.94
lasiocarpa
riparia
0.72
lurida
0.68
rostrata
0.52
saxatilis
vesicaria
rariflora
1.00
limosa
paupercula
39,35 - 40,61 %
39,85 - 39,34 %
38,35 - 38,84 %
37,85 - 38,34 %
37,35 - 37,84 %
36,85 - 37,34 %
36,35 - 36,84 %
35,85 - 36,34 %
35,34 - 35,84 %
obsah GC bazí
0,25 0,75 1,2
velikost genomu (pg)
Velikost genomu
Námi studované ostřice mají malé genomy, jsou při dolní hranici
rozsahu hodnot krytosemenných rostlin. Nejmenší velikost genomu
jsme nalezli u slanomilné C. secalina (0,24 pg), největší pak
uoitalského poddruhu C. flacca subsp. serrulata (1,64 pg).
Nalezli jsme rozdíly ve velikosti genomu mezi podrodem Vignea a
podrodem Carex. Podrod Vignea, stejnoklasé ostřice, je morfologicky
poměrně homogenní, ve všech molekulárně-genetických studiích se
jeví jako velmi dobře vylišená skupina a je obecně považován
zaomonofyletický. Podrod Carex, různoklasé ostřice, je naproti tomu
mnohem diverzifikovanější, morfologicky variabilnější a jeho
vymezení a monofyletičnost jsou zpochybňované a nejasné.
Podobný obraz podává i velikost genomu – podrod Vignea je méně
variabilní než podrod Carex (CVsubg. Carex = 41 %, CVsubg. Vignea = 20.4
%), což ilustruje namapování těchto hodnot na fylogenetický strom
(viz vlevo). Červeně označené jsou uzly, které analýza
fylogenetických kontrastů označila za ty, které nejvíce přispívají k
dnešní variabilitě velikosti genomu. Jsou to uzly hluboko uvnitř
stromu, které oddělují oba výše zmíněné podrody od bazálních
skupin ostřic, oba podrody od sebe a dva velké klady uvnitř podrodu
Carex vymezeného jako klad core Carex.
Velikost genomu má taxonomický význam i na nižších úrovních,
v sekcích a příbuzenských skupinách, jejichž členové mívají obdobné
hodnoty. To platí například pro C. muricata agg., C. flava agg. (sect.
Ceratocystis), sect. Ammoglochin a další.
Délka průduchů
Silný vztah mezi velikostí genomu a délkou
průduchů (nebo velikostí buněk) byl
dokumentován několika nedávnými studiemi
u vyšších rostlin a dalších skupin organismů
(Beaulie et al. 2008 a další). Existence
tohoto vztahu napříč živými organismy je
jedním ze stavebních kamenů nukleoskeletární
teorie (Cavalier-Smith 2005),
podle které sice není přímý příčinný vztah
mezi velikostí genomu a velikostí buněk, ale
jejich nepřímá provázanost je nevyhnutelná
z důvodu cytoskeletární stavby a ekonomie
provozu proteosyntetického aparátu buněk.
Shrnutí
1. Rod Carex má jedny z nejmenších rostlinných genomů s AT/GC genomovým poměrem srovnatelným s jinými rostlinami.
2. Velikost genomu je pozitivně korelovaná s obsahem GC bazí, což je v souladu s teoriemi vysvětlujícími selektivní výhody GC bohatých molekul DNA.
3. Ostřice mají průduchy delší, než by odpovídalo velikostem jejich genomů.
log10
délky průduchů (μm)
log10
velikostigenomu(pg)
Obr. 2. Bodový graf délky průduchů a velikosti
genomu u krytosemenných rostlin. Převzato z
Hodgson et al. (2010) a upraveno.
Beulieu et al. (2008): Genome size is a strong predictor of cell size and stomatal density in angiosperms. New Phytologist 179: 975–986.; Cavalier-Smith (2005): Economy, speed and size matter: evolutionary forces driving nuclear genome miniaturization and expansion. Annals of
Botany 95: 147–175.; Eyre-Walker & Hurst (2001). The evolution of isochores. Nature Reviews Genetics 2: 549-555.; Hodgson et al. (2010): Stomatal vs. genome size in angiosperms: the somatic tail wagging the genomic dog? Annals of Botany 105: 573–584.
AT/GC genomový poměr
Obecně se soudí, že jednoděložné
rostliny mají vysoký obsah GC bazí. Pro
čeleď Poaceae toto naprosto platí, mají
jedny z nejvyšších obsahů GC bazí
uorostlin. Ostřice a celé Cyperaceae, ač
jsou řazeny do stejného řádu Poales, se
od trav liší jak menšími genomy, tak
přítomností holokinetických chromozomů.
Jak jsme zjistili, odlišují se i v obsahu
GC bazí, který je nižší než uotrav a
tedy se více blíží obsahům běžným
uodvouděložných rostlin.
Pro rozdíly v obsahu GC bazí mezi
podrody a v rámci nižších taxonomických
skupin platí to samé jako pro
velikost genomu.
Vztah velikosti genomu a obsahu GC bazí
Tento vztah byl zkoumán v různých skupinách organismů
s různými výsledky. Pro všechny krytosemenné rostliny nebyl
žádný obecný trend nalezen, v měřítku čeledí či rodů byl tento
vztah dokumentován několikrát .
U ostřic je tento vztah pozitivní (RSp
=0,588, p<0,005), se zvětšujícím
se genomem se v něm zvyšuje relativní zastoupení GC
bazí, potvrzuje ho i analýza fylogenetických kontrastů (Obr. 1).
Existence tohoto vztahu je vysvětlována různým vlivem
jednotlivých bazí na ohebnost a zejména stabilitu molekuly
DNA, která se zvyšuje s vyšším obsahem GC bazí. To by
mohlo vést jak k preferenci vyššího obsahu GC ve větších
genomech (potvrzeno, viz výše), tak k preferenci GC
bohatých genomů v extrémně teplých podmínkách
(termostabilní hypotéza, Eyre-Walker&Hurst 2001). Tuto
hypotézu jsme testovali s využitím EIH pro teplotu a dospěli
jsme k opačnému výsledku, tedy vyšší obsah GC bazí je
uochladnomilnějších ostřic.
0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
34
35
36
37
38
39
40
41
velikost genomu (pg)
obsahGCbazí(%)
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
fylogenetický kontrast velikosti genomu
fyl.kontrastobsahuGCbazí
Obr. 1. a) Závislost obsahu GC bazí na velikosti genomu. b) Pozitivní
vztah fylogenetických kontrastů velikosti genomu a obsahu GC bazí
dokazuje existenci vztahu těchto znaků i bez vlivu možného zkreslení
fylogenetickou příbuzností studovaných druhů. Regresní přímka
ukazuje převládající trend.
a) b)
Navzdory těmto očekáváním jsme závislost velikosti
genomu a délky průduchů nenalezli (RSp
=0,052, p=0,591).
Ostřice tedy mají příliš velké průduchy na to, jak mají malé
genomy, a naopak (Obr. 2).
Absence fylogenetického signálu pro délku průduchů spolu
s analýzami environmentálních faktorů naznačila, že
velikost průduchů je podmíněna nejspíše komplexním
vlivem prostředí.
C. montana 0,34 pg
C. vaginata 0,74 pg
C. ovalis 0,29 pg