Druhová a genetická diverzita - k lepšiemu pochopeniu evolúcie

Abstrakt: 

Polyploidia (duplikácia celého genómu), je u rastlín všadeprítomným javom a podľa súčasných odhadov až 15% speciačných udalostí krytosemenných rastlín bolo doprevádzaných zvýšením ploidnej úrovne. To vyzdvihuje polyploidiu ako jednu z hlavných hybných síl evolúcie. Polyploidia je dynamický a stále priebiehajúci proces, ktorý si zasluhuje pozornosť. Mnohé z polyploidných línií sú pomerne mladé, s predpokladaným vznikom v priebehu posledných 5 miliónov rokov. Zdá sa, že existuje výrazná súvislosť medzi klimatickými výkyvmi v štvrtohorách a výskytom polyploidizačných udalostí. Klimatické zmeny počas pleistocénnych ľadových dôb vyvolali posuny v rozšírení druhov, zapríčinili kontakty medzi predtým izolovanými populáciami a umožnili ich hybridizáciu, ktorá bola často sprevádzaná polyploidizáciou. Kým v pôvodne zaľadnených severoeurópskych územiach výrazne prevládajú polyploidné taxóny, v južnejších oblastiach, v mediteránnych refúgiách a v strednej Európe sa často spoločne s nimi vyskytujú aj pôvodnejšie, fylogeneticky staršie diploidy. Tento obraz súhlasí aj s mierou druhovej diverzity, ktorá je výrazne vyššia v južných a horských oblastiach ako v severných územiach.

Odbor: 
Botanika
Vedecká časť: 

Hlavnou témou je polyploidia, evolučný fenomén, ktorý sa vyskytuje v mnohých rastlinných skupinách. Genetické a ekologické dôsledky zmnoženia celého genómu (t.j. polyploidie) sú v súčasnosti jednou z najaktuálnejších tém botanického výskumu. Nielen preto, že polyploidia je u krytosemenných rastlín všeobecne rozšírená či už ako palaeo- alebo neopolyploidia, ale taktiež preto, že existuje stále veľké množstvo nezodpovedaných otázok a neznámych aspektov tohoto fenoménu. Predpokladáme, že lokálne a výškové migrácie v období glaciálu spôsobili stretávanie predtým izolovaných populácií, čo malo za následok príležitostný medzidruhový génový tok. Balkánsky polostrov je charakterizovaný ohromnou druhovovu diverzitou a zložitou štruktúrou genetickej a morfologickej variability, ktorá odráža retikulátnu evolúciu, procesy minulej a nedávnejšej izolácie, alopatrickej diferenciácie, sekundárne kontakty a opakovaný vznik polyploidov. Španiel, S., Marhold, K., Passalacqua, N. G. & Zozomová-Lihová, J. (2011): Intricate variation patterns in the diploid-polyploid complex of Alyssum montanum-A. repens (Brassicaceae) in the Apennine Peninsula: Evidence for long-term persistence and diversification. – Amer. J. Bot. 98: 1887-1904. [IF2011 = 2.664]. Článok bol charakterizovaný hlavným editorom časopisu American Journal of Botany ako “model pre komplexnú genetickú, morfologickú a cytologickú analýzu rastlinných druhových komplexov”. Zjednocujúci prístup, využívajúci AFLP markery, sekvencie chloroplastovej DNA, morfometrické dáta a overenie ploidnej úrovne, umožnil revidovaťtaxonomický koncept študovaných apeninských populácií, odhalil ich genetickú štruktúru a evolučnú históriu a prispel k lepšiemu pochopeniu postglaciálnej histórie apeninskej flóry. Prezentované genetické dáta taktiež podporili hypotézu „refúgií vo vnútri refúgií“. Tento článok patrí k tým, ktoré poskytujú dôležitý základ pre navrhovaný projekt. Marhold, K., Kudoh, H., Pak, J-H., Watanabe, K., Španiel, S. & Lihová, J., 2010: Cytotype diversity and genome size variation in eastern Asian polyploid Cardamine (Brassicaceae) species. – Ann. Bot. (Oxford) 105: 249-264. [IF2010=3.388]. Článok opisuje kontrastné príklady cytotypovej variability v rámci široko poňatých východoázijských druhov rodu Cardamine. Prípad šiestich rôznych cytotypov u druhu C. yezoensis a až štyroch rôznych ploidných úrovní zachytených v jeho cytotypovo zmiešaných populáciách bol už viackrát citovaný ako príklad extrémnej cytologickej variability cievnatých rastlín. Lihová, J., Kudoh, H. & Marhold, K., 2010: Genetic structure and phylogeography of a temperate-boreal herb, Cardamine scutata (Brassicaceae), in northeast Asia inferred from AFLPs and cpDNA haplotypes. – Amer. J. Bot. 97: 1058-1070. [IF2010=3.052]. V článku sme odhalili genetickú štruktúru ázijského druhu Cardamine, zrekonštruovali jeho glaciálne prežívanie a postglaciálne kolonizačné cesty a migrácie. Zistili sme existenciu efektívneho génového toku naprieč morskými úžinami, ktorý podporuje úlohu pevninských mostov vytvorených pri poklese morskej hladiny počas poslednej ľadovej doby. Odhalili sme výraznú nedávnu expanziu a diverzifikáciu, vrátane len nedávnej kolonizácie Kamčatky. Celkovo táto štúdia prispieva k lepšiemu pochopeniu biogeografie severovýchodnej Ázie. Lihová, J., Carlsen, T., Brochmann, C. & Marhold, K., 2009: Contrasting phylogeographies inferred for the two alpine sister species Cardamine resedifolia and C. alpina (Brassicaceae). – J. Biogeogr. 36: 104-120. [IF2009=4.087]. V rámci tejto práce sme odhalili odlišnú fylogeografiu dvoch sesterských druhov s rôznymi ekologickými nárokmi, Cardamine alpina a C. resedifolia, Toto štúdium, pokrývajúce hlavné európske horstvá (Pyreneje, Alpy a Karpaty), prispelo k lepšiemu pochopeniu postglaciálnej histórie vysokohorskej flóry v Európe. Článok je obzvlášť dôležitý v kontexte iných paralelných štúdií postglaciálnej histórie flóry európskych pohorí (napr. Thiel-Egenter et al. 2009 a práce tu citované). Shimizu-Inatsugi, R., Lihová, J., Iwanaga, H., Kudoh, H., Marhold, K., Savolainen, O., Watanabe, K., Yakubov, V. V. & Shimizu, K. K., 2009, The allopolyploid Arabidopsis kamchatica originated from multiple individuals of Arabidopsis lyrata and Arabidopsis halleri. – Molec. Ecol. 18: 4024-4048. [IF2009=5.960]. Arabidopsis kamchatica je jedným z divorastúcich druhov, ktoré sú príbuzné široko využívanému modelovému druhu A. thaliana. Článok poskytuje dôkaz o viacnásobnom vzniku tohoto polyploidného druhu vo východnej Ázii na základe analýzy jednokópiových jadrových génov. Ako modelová štúdia bol článok mnohokrát citovaný v kontexte prebiehajúcich štúdií v rode Arabidopsis. Článok je taktiež jedným z tých, ktoré predstavujú dôležitý základ pre tento projekt. Zozomová Lihová, J., Malánová Krásna, I., Vít, P., Urfus, T., Senko, D., Svitok, M., Kempa, M., Marhold, K. Cytotype distribution patterns, ecological differentiation, and genetic structure in a diploid-tetraploid contact zone of Cardamine amara. In American Journal of Botany, 2015, vol. 102, no. 8, p. 1380-1395. [2.603 – IF2014]. (2015 – Current Contents). ISSN 0002-9122. Typ: ADCA Pozorované priestorové a genetickej vzory pravdepodobne reflektujú na evolučnú a kolonizačnú históriu oboch cytotypov a boli udržiavané mnohými faktormi, ako sú ekologické odlišnosti, obmedzené genové prúdenie a limity rozšírenia.

Socioekonomický a technologický dopad: 

Cieľom je porozumieť evolucií našom území, ako aj v priľahlých oblastiach európskeho kontinentu, aby sme dokázali zachovať jeho nenahraditeľnú funkciu v ekosystémoch, ktoré poskytujú ľudstvu služby a úžitky, a tak predstavujú pre spoločnosť významnú ekonomickú hodnotu.

Technická časť: 

Na počitanie by sme chceli využiť prevažne klaster v Žiline, a to GRASS GIS, Quantum GIS, Maxent, OpenModeller, Mr. Bayes, Structure, Beast, Trinity (transkriptom) a i. DNA sekvencie vyhodnotíme metódami maximálnej parsimónie (PAUP), maximálnej vierohodnosti a Bayesovej analýzy (MrBayes, BEAST). Následne zhodnotíme kongruenciu medzi fylogenetickými stromami založenými na rôznych jadrových génoch ako aj medzi fylogenetickými stromami génov a druhov napríklad pomocou programov PADRE, PhyloNet, BEST a BEAST. Sekvencie chloroplastovej DNA budeme analyzovať aj metódami generujúcimi siete, akými sú štatistická parsimónia (TCS) a mediánová metóda (Network).

Prepojenie s grantovými úlohami: 
APVV-0139-12
Spolufinancovanie: 
1 000.00
Výstupy: 
Mereďa, Jr., P., Kučera, J., Marhold, K., Senko, D., Slovák, M., Svitok, M., Šingliarová, B., Hodálová, I. Ecological niche differentiation between tetra- and octoploids of Jacobaea vulgaris. Preslia 88: 113–136, 2016.