Lekce 04 – Hybridogenní (homoploidní a polyploidní) speciace Slide 01 – Homoploidní vs Polyploidní speciace · Hybridogenní speciace (HS) – křížením dvou druhů vzniká nový druh, který je reprodukčně a ekologicky oddělený rodičovských druhů => nutno rozlišovat mezi hybridizací (křížení za vzniku hybridních jedinců) a hybridogenní speciací (vznikem hybridogenních druhů)!!! o Homoploidní speciací vzniká stabilní, fertilní a reprodukčně izolovaný druh, aniž by došlo ke změně v počtu chromozomů (oba rodiče 2n, hybrid 2n) o Polyploidní speciací vzniká stabilní, fertilní a reprodukčně izolovaný druh a současně dochází součtu chromozomů/součtu genomů rodičovských druhů § Allopolyploidie, autopolyploidie Slide 02 – Jak poznat homoploidní hybridogenní druh · Homoploidní HS – polyploida poznáme (relativně) snadno – má prostě víc chromozomů a větší genom, ale jak poznáme homoploidní hybridogenní druh? o Aditivita – homoploidní hybrid bude něco mezi rodiči (fenotypově i genotypově) (NÁSLEDUJÍCÍ VLOŽENÝ SLIDE!!! – Senecio squalidus) § U primárních hybridů (F1) skutečně fenotyp bývá někde uprostřed, ale už v F2 mohou hybridi vykazovat tzv. transgresivní (extrémní) znaky, které jsou mimo rozsah obou rodičů => schopnost osidlovat nové niky o Když to nemusíme poznat podle fenotypu, tak co genotyp? § To by skutečně šlo, v hybridogenním druhu bychom měli vidět půlku genomu od rodiče A a půlku od rodiče B – případně jiný poměr podle toho, jestli k reprodukční izolaci od rodičů došlo v F1, F2, BC1, BC2 či jiné fázi. § Problém ale je, že takový pattern může vzniknout i jinak, např.: - Incomplete lineage sorting – zejména, pokud zkoumáme malé množství genetických markerů - Sekundární genový tok - Hybridní roj, kde hybridní jedinci různých fází vznikají opakovaně, ale o reprodukčně oddělený druh nejde § Při hybridogenní speciaci by tedy mělo v důsledku hybridizace dojít k vytvoření reprodukčních bariér a ke vzniku znaků, které umožní hybridogennímu druhu se ekologicky odlišit a díky tomu přežít buď v sympatrii/parapatrii s rodiči nebo ve zcela (geograficky/ekologicky oddělené) nice. Slide 03 – Homoploidní speciace v alopatrii · Nejjednodušší cesta k homoploidní speciaci je alopatrická speciace. o Senecio squalidus – převezen z hybridního roje na Etně do Oxfordu v roce 1700, odkud se skrze železnici rozlezl po celé Británii § Fenotypově i geneticky se liší od svých rodičů i od hybridů v hybridním roji § V Británii se teď vesele kříží za tvorby polyploidních hybridů Slide 04 – Homoploidní speciace v sympatrii/parapatrii – chromosomální izolace · Rekombinační model homoploidní speciace o Pokud se rodičovské druhy liší alespoň ve dvou chromozomálních přestavbách (např. translokacích), pak bude hybrid vzniklý z těchto rodičů produkovat 75% neviabilních gamet (v důsledku duplikací nebo delecí), z viabilního zbytku bude půlka gamet rodičovského typu a půlka nový rekombinantní genotyp. Pokud se takový hybrid samospráší, v F2 vzniknou jedinci homozygotní pro rekombinantní genotyp, kteří budou (alespoň částečně) intersterilní při křížení s rodičovskými druhy (NAKRESLIT!!!). § => selfing podporuje vznik homoploidních hybridů o V dalších generacích se pak rodičovské chromozomy promíchají, což reprodukční bariéru ještě posílí. Příklady promíchaných bloků pro tři hybridogenní druhy slunečnic. § Meiotická rekombinace mezi rodičovskými bloky v každé generaci vede ke zmenšování těchto bloků. Místo, kde se na chromozomu potkávají různé rodičovské bloky, je „junction“. Rekombinacemi mezi rodičovskými bloky přibývá junctions, ale k rekombinacím může dojít pouze v heterozygotech pro junctions. Zmenšování (rekombinace) bloků je brzděno selekcí (např. kombinace výhodných alel) nebo driftem, čímž zároveň ubývají heterozygoti a tak se přibývání junctions postupně zpomaluje, až se zastaví, takže se postupně hybridní genom stabilizuje. Z aktuálního počtu junctions lze pak spočítat, jak rychle (měřeno počtem generací) došlo ke stabilizaci hybridního genomu (neplést s rychlostí speciace nebo se stářím druhu!!!). Slide 05 – Homoploidní speciace v sympatrii/parapatrii – ekologická izolace · Může samotná hybridizace vést ke kombinacím znaků, které povedou ke speciaci? Jak ověřit roli ekologickou divergence v homoploidní speciaci? Odpovědí na následující otázky: o Liší se hybridogenní druh ekologicky od druhů rodičovských? o Přispívá ekologická divergence k reprodukční izolaci? o Vznikly kombinace genů a znaků zodpovědných za ekologickou izolaci v důsledku hybridizace nebo až po speciaci postupnou akumulací nových mutací? o Jsou znaky a geny odpovědné za ekologickou divergenci v habitatech hybridních druhů také selektovány? o Je ale selekce dost silná na to, aby překonala genový tok? o Mohou homoploidní hybridogenní druhy vznikat opakovaně? · Liší se hybridogenní druh ekologicky od druhů rodičovských? o Iris nelsonii = I. fulva x I. hexagona x I. brevicaulis (Iridaceae) - I. fulva – stinné okraje mělkých mokřadů - I. hexagona – slunné hlubší mokřady - I. brevicaulis – sušší louky až lesy - I. nelsonii – stinné hlubší cypress swamps, kombinace rodičů o Helianthus annuus x H. petiolaris = H. anomalus, H. deserticola, H. paradoxus - H. annuus – mesické, jílovíté půdy - H. petiolaris – sušší, písčitější půdy - H. anomalus – písčité duny - H. deserticola – pouště Great Basin Desert (Nevada a okolí) - H. paradoxus – solné pouště · Přispívá ekologická divergence k reprodukční izolaci? o Helianthus – i když se na velké škále hybridi překrývají s rodiči, tak na malé je díky rozdílným ekologickým preferencím dělí dostatečné vzdálenosti na to, aby se nekřížili. § Transplantační experimenty s vysazením rodičovských druhů v habitatech hybridů ukázaly, že rodičovské druhy to nepřežívají. § Navíc dosud nebyl v přírodě zaznamenán kříženec mezi hybridy a některým z rodičů, přestože se v oblastech intenzivně bádá. § Krom toho, např. H. paradoxus kvete podstatně později než rodiče. · Vznikly kombinace genů a znaků zodpovědných za ekologickou izolaci v důsledku hybridizace nebo až po speciaci postupnou akumulací nových mutací? o Hybridogenní speciaciace poskytuje jedinečnou příležitost zrekonstruovat speciační událost umělým křížením. o Agryranthemum sundingii = A. broussonetii x A. frutescens § syntetičtí hybridi byli ve všech devíti měřených znacích intermediární a v osmi z devíti měřených znaků shodovali s přírodním hybridem o Helianthus – hybridi jsou v mnoha znacích extrémní ve srovnání s rodiči § křížící experimenty ukázaly, že všechny tyto extrémní znaky u všech tří hybridů mohou vzniknout hybridizací a navíc pokusy s vysazením rodičů, přírodních hybridogenních druhů a syntetických hybridů v habitatech hybridogenních druhů ukázaly na selektivní výhodu těchto extrémních znaků - H. deserticola – syntetický i přírodní hybrid vykazovali extrémní znaky, např. malé listy (nižší odpar a menší přehřívání) a dřívější kvetení (vyhnutí se letnímu pouštnímu suchu) - H. anomalus - syntetický i přírodní hybrid vykazovali extrémní znaky, např. listovou sukulenci - H. paradoxus - syntetický i přírodní hybrid vykazovali extrémní znaky, např. sukulenci, zvýšenou schopnost příjmu Ca (oba znaky časté v odpovědi na stress zasolením) a vylučování Na. Vyšší koncentrace Ca v buňkách umožňuje efektivnější vylučování Na. Větší obsah vody v listech zase snižuje celkovou koncentraci soli. · Jsou znaky a geny odpovědné za ekologickou divergenci v habitatech hybridních druhů také selektovány? o Experimenty s vysazováním umělých hybridů Helianthus v habitatech tří hybridogenních druhů (viz výše) ukázaly, že ano. Jedinci s extrémními znaky jako sukulence, dřívější kvetení, vyšší příjem Ca a nižší příjem toxických prvků měli skutečně vyšší fitness. · Je ale selekce dost silná na to, aby překonala genový tok? o Hybridi vznikají v blízkosti rodičů, takže genový tok může vznikající hybridní druh rozpustit, pokud selekce není dost silná, aby ho překonala. o Introgrese je mnohem častější důsledek hybridizace než speciace, takže buď ekologicky hnaná selekce neumí překonat genový tok, nebo nejsou k dispozici vhodné niky pro vznikající hybridogenní druh. o Alespoň v případě slunečnic se ukazuje, že při efektivní velikosti populace hybrida mezi 10 – 40 jedinci by měla být selekce dost silná na překonání genového toku. Populace slunečnic jsou většinou stovky jedinců, takže to mohlo být možné. · Mohou homoploidní hybridogenní druhy vznikat opakovaně? o Ano. o Pinus densata = P. yunnanensis x P. tabulaeformis § Chloroplasty se dědí po samčí linii a mitochondrie po samičí § Některé populace P. densata mají jako otce P. yunnanensis a matku P. tabulaeformis a jiné naopak => opakovaný nezávislý vznik Slide 06 – Polyploidní speciace · Allopolyploidie vs. Autopolyploidie (x krát větší genom, x krát víc chromozomů) o Dělení je značně zjednodušující, protože autopolyploidi mohou vznikat křížením různě příbuzných/geneticky podobných jedinců/populací uvnitř druhu. V závislosti na podobnosti rodičů uvnitř druhu pak může autopolyploid tvořit u některých chromozomů multivalenty, zatímco u jiných bivalenty, takže i autopolyploid může být vlastně allopolyploid a mezi auto- a allopolyploidem existuje víceméně plynulý přechod. o Různé autopolyploidní cytotypy uvnitř druhu jsou často považovány za jeden druh s diploidem, i když splňují nároky na to být považovány za biologický druh (reprodukční izolace od diploida, jiná ekologie apod.). To může být taxonomický bias, kdy taxonomové hledí spíše na morfologii (fenetiku) a autopolyploidi bývají často morfologicky obtížně odlišitelní - příklad Tolmiea diplomenziesii (2n=14), T. menziesii (2n=28) (Saxifragaceae) – reprodukčně, molekulárně i geograficky oddělené cytotypy (druhy) tvořící monofyletický clade na základě mnoha markerů! § Většina polyploidních druhů allopolyploidi o K homoploidní speciaci může docházet, když jsou si rodičovské chromozomy/genomy natolik podobné, aby spolu v hybridovi ještě dokázaly koexistovat. Čím jsou odlišnější (geneticky, chromozomálními přestavbami), tím méně pravděpodobné je, že vznikne homoploidní hybrid a častěji pak vzniká allopolyploidní hybrid, obsahující celé genomy svých rodičů (viz. Paun et al. 2009). S další rostoucí odlišností už nevznikne ani allopolyploid, ale allopolyploid může vznikat i při větší podobnosti. o Polyploidi skutečně častěji vznikají při hybridizaci -> allopolyploidie je zřejmě opravdu častější než autopolyploidie (ale pamatovat na kontinuum!) Slide 07 – Polyploidní speciace · Polyploid musí nějak vzniknout o Somatická mutace, splynutím neredukovaných gamet, triploidní můstek § Somatic doubling - k polyploidizaci dojde v somatickém pletivu, které dá později vzniknout generativním orgánům - Příkladem somatickéhoho zdvojení je Primula kewensis § Neredukované gamety - zřejmě nejčastější cestou k polyploidizaci - ovšem setkání dvou neredukovaných gamet je velmi vzácná událost, takže to jde často přes triploidní můstek - vznikají chybou v meioze, k níž často dochází ve stresu, čili v narušovaných a nestabilních či drsných prostředích (výkyvy teplot, extrémní teploty, herbivoři, poškození, vysychání, nedostatek živin) - to může souviset s vysokou frekvencí polyploidů ve vysokých zeměpisných šířkách a vysoko v horách -> otázka je, zda tam ale víc polyploidů prostě vzniká nebo tam lépe přežívají nebo obojí § Triploidní můstek - Splynutím neredukované (2n) gamety s normální (1n) gametou vzniká triploid - Triploid bývá vysoce sterilní, protože v meióze triploida dochází k nondisjunkcím a vznikají polyzomické či nulizomické gamety, tj. vysoký podíl neviabilních gamet. Sem tam ale vzniknou i viabilní gamety haploidní (1n), diploidní (2n) nebo triploidní (3n). Splynutím např. 3n s 1n pak vzniká tetraploid (4n). - I když nejvíc gamet, které triploid produkuje, jsou aneuploidní gamety s počtem chromozomů 3x/2, tak tyto gamety se právě díky své neviabilitě téměř nepodílejí na tvorbě potomstva. Naopak euploidní či téměř euploidní gamety (blízko 1n, 2n, 3n) jsou viabilní a tak potomci triploidů bývají často vyšší polyploidi (viz. Zea a Aquillegia) Slide 08 – Polyploidní speciace – výhody a nevýhody polyploida · Nevýhody o Když už polyploid vznikne, což je většinou v sympatrii, tak má problém se sháněním partnera (=minority cytotype exclusion). Lze to řešit: § selfingem (zejména u polyploidních jednoletek) - nejvíc selferů je u angiosperm mezi jednoletými polyploidy (Barringer 2007) § vegetativním růstem § asexuálním rozmnožováním (apomixií) a případným zpětným přechodem na sexualitu - Rubus subg. Rubus – v evropě 750 druhů, z nichž pouze 3 jsou sexuální diploidi, zbytek většinou asexuální (apomiktičtí) polyploidi - Sorbus, Hieracium, Taraxacum, Poa o Problémy v meióze – ztráty chromozomů, nondisjunkce · Výhody o Fixovaná heterozygozita – vysvětlit proč u selfujícího diploida v každé generaci klesá podíl heterozygotů o polovinu! o Duplikované geny -> lze s nimi evolučně pracovat -> nové funkce; zároveň genové duplikáty pufrují negativní vliv mutací o Asexualita, klonalita a selfing mohou být i výhodou o Mohou vznikat opakovaně (polytopní speciace), což vede ke vzniku velmi geneticky variabiliního polyploidního druhu -> schopnost přizpůsobení · Mohou osídlovat drsná (Arktida) nebo disturbovaná území – ale zase, v arktidě převažují Poaceae a Rosaceae, u nichž je polyploidie častá, takže zvýšený výskyt polyploidie v Arktidě může být prostě důsledkem fylogeneze nikoli schopnosti polyploidů samotných Slide 09 – Polyploidní speciace – frekvence polyploide u rostlin · Frekvence extantních polyploidů u různých rostlinných linií · Je však potřeba si uvědomit, že frekvence polyploidie není totéž co frekvence polyploidní speciace!!! Slide 10 – Polyploidní speciace – recentně vzniklé polyploidní druhy a paleopolyploidie · Spartina anglica – vznikla 1870 v Anglii, roste na pobřežích, toleruje vysokou salinitu § Introdukovaná do Ameriky, na Zéland a do Austrálie a Asie, kde svou invazivitou představuje vážný problém · Tragopogon miscellus – vznikl opakovaně a to i recipročním křížením -> forma s krátkými a s dlouhými jazykovitými květy, které jsou navzájem nekřižitelné (kryptické druhy) · Ze sekvenovaných genomů lze vyčíst (duplikované geny) dávné polyploidní události. Ukazuje se, že drtivá většina liníí krytosemenných rostlin prošla v minulosti jednou až několika polyploidními speciacemi. Otázka tedy nezní, zda je ten či onen druh polyploid, ale kolikrát jeho předci prošli polyploidizací. · Ovšem paleopolyploidní události nám nic neříkají o frekvenci polyploidní speciace. Frekcence polyploidní speciace u cévnatých rostlin se odhaduje na 15% u krytosemenných a 31% u karpadin a plavuní.