Jakou jednotku máme chránit? (populaci, druh, poddruh) Jak

Jakou jednotku máme chránit? (populaci, druh, poddruh) Jak

Jakou jednotku máme chránit? (populaci, druh,
poddruh)
Jak genetické faktory ovlivňují životaschopnost a
přežívání populací? Kolik jedinců je potřeba k
záchraně druhu?
Kolik genetické variability má k dispozici
ohrožený druh k tomu, aby se přizpůsobil
budoucím změnám?
Ochranářská
genetika
(Conservation Genetics)
Význam a využití genetických informací v praxi
Ochranářská 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:
První časopis 2000
První učebnice 2002
Proč je genetická variabilita důležitá?
• 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 důležitá?
• 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 zásadní
pro evoluci a adaptaci!
Genetická a druhová diverzita se vzájemně udržují
(Lankau & Strauss, Science 2007)
glukosinolát sinigrin
allelopatický a fungicidní
různá koncentrace
Brassica nigra
genetická diverzita
(genotypy hořčice)
nízká konc.
imigrant
vysoká konc.
druhově
bohaté
druhově
chudé
druhová diverzita
společenstva
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
• neutrální variabilita – neovlivňuje fitness
nekorelované!
• adaptivní – variabilita zvyšující fitness
• detrimentální - – variabilita snižující fitness (mutace, genetický drift)
• genetická zátěž (genetic load) – snížení průměrného fitness populace
např. vlivem inbreedingu oproti populacím bez zátěže
• genetická obnova (genetic restoration) – eliminace a snížení
škodlivých genotypů a návrat k normálu introdukcí jedinců z geneticky
zdravých populací
Genetická diverzita obsažená v druzích
existuje na 3 základních úrovních:
Jak měříme genetickou variabilitu
• variabilita mezi geny
alely (AA Aa aa) & haplotypy (kombinace alel různých lokusů, AbCD)
• variabilita v rámci jedince
individuální heterozygozita – podíl heterozygotních lokusů
• variabilita uvnitř populací
•
•
Míra polymorfizmu:
Heterozygozita (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 FST : diferenciace populací dle
heterozygotnosti, vliv rozdělení populace na subpopulace
(0 – panmiktická, 1 – izolovaná), alozymy
• Nei koeficient genetické rozrůzněnosti GST (Nei 1973): srovnává gen.
variabilitu mezi populacemi vůči sloučené diverzitě všech populací,
pracuje s frekvencí alel, někdy se označuje FST , mtDNA, mikrosatelity
rychlá výměna generací
rychlá akumulace gen. diverzity
Molekulární markery a jejich využití:
Výběr markeru záleží na otázce, kterou chceme zodpovědět!
Proteinové markery – alozymy
(isozymy)
- levné a rychlé, živá tkáň
- genetická struktura populací
- způsob rozmnožování
Cross-fertilization rate
Allelic richness (A)
Polymorphism
Gentiana pneumonanthe
(Raijmann et al. 1994 )
Molekulární markery a jejich využití:
DNA markery - jaderný, chloroplastový a mitochondriální genom
• pořadí nukleotidů – sekvence, např. ITS rDNA
• analýza celého genomu – délkový polymorfismus fragmentů
RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA)
AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism)
• informace z konkrétních částí genomu
PCR-RFLP (Polymerase Chain Reaction-RFLP)
mikrosatelity (Simple Sequence Repeats - SSRs)
Molekulární markery a jejich využití:
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
mikrosatelity lze identifikovat
ATGACACACACAGTA
- 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
Molekulární markery a jejich využití:
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 nástroj
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? Závisí různě na Ne, historii druhu (bottleneck), různá 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
Kress et al., PNAS 2009
databáze Barcode of Life Data Systems (BOLD)
formálně popsané druhy
počet záznamů
www.boldsystems.org
65 tis. (2009), 87 tis. (2010)
718 tis. (GenBank, Canadian Centre), 1 mil.
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 (FST)
3. unikátní lokální adaptace (functionally significant unit)
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 přístup :
- 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
narušení stanovišť může vést k
hybridizaci a introgresi
př. borovice blatka
(Pinus uncinata subsp. uliginosa )
• poddruh borovice pyrenejské
• subendemit ČR
• přechodová rašeliniště
• Třeboňsko, Šumava, Krušné Hory, Rejvíz
• kříží se s borovicí lesní, vysoušení
• kříží se s klečí ve vyšších polohách
• téměř neexistují čisté 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