Úvod do diatomologie – Trendy v současné diatomologii, rozsivky s raphe na obou valvách II 4. Přednáška Mgr. Barbora Chattová Trendy v současné diatomologii •Druhový koncept •Holistický přístup •Geometrická morfometrika •Křížící experimenty •Molekulární analýzy Definice druhu •Biologická koncepce druhu •Ernst Mayr (1970) •Druh je skupina jedinců, kteří se vzájemně plodně kříží a jsou reprodukčně izolované od jiných druhů. • •Delší znění definice: •Druhy sestávají z populací a mají vnitřní genetickou soudržnost. Organismy v rámci druhu tvoří reprodukční jednotku, mohou se vzájemně křížit a vyhledávají se za účelem reprodukce. Druh také tvoří ekologickou jednotku interagující s ostatními druhy v daném prostředí. Členové druhu tvoří genetickou jednotku sdílející společný genofond. Druhy jsou skupiny navzájem se křížících přírodních populací, které jsou reprodukčně izolované od jiných podobných druhů. • • • Vznik druhů •U pohlavně se množících organismů dochází ke speciaci, když mezi populacemi vznikne reprodukční izolace (biologická koncepce druhu). •Alopatrická speciace •Podmínkou je geografické oddělení populací. •V izolovaných populacích vznikají nezávislé mutace, dochází k rozrůzňování. •Po opětovném kontaktu populací se jedinci mezi populacemi už spolu nedokáží plodně křížit. • Vznik druhů •Sympatrická speciace (ekologická speciace) •Bez geografické izolace •Za přítomnosti genového toku •Může k ní dojít, pokud na populaci působí disruptivní selekce (druhy např. využívájí dva alternativní zdroje potravy) a jedinci s průměrným fenotypem jsou znevýhodnění. • Druhový koncept •založen na přítomnosti reprodukční izolace dvou druhů •kryptický druh: populace nebo skupina populací, která je od jiných, morfologicky zcela identických populací organismů geneticky izolována (angl. sibling species), v přírodních podmínkách nedochází ke křížení. (Podle tradičních taxonomických znaků je nicméně nelze rozlišit.) • = druhy jsou morfologicky shodné, ale geneticky oddělené •semi/pseudokryptické druhy: rozdílné genetické linie, u kterých byly nalezeny minoritní rozdíly v morfologii (druhy se odlišují jen nepatrnými morfologickými znaky, které bývají často objeveny až na základě výsledků molekulárních analýz) •druhům, jenž sdílejí takovéto společné znaky, se někdy říká druhové komplexy. • Kryptická diverzita •„Odhady počtu druhů vytvořené na základě tradičních morfologických metod (především znaky na křemičité schránce pozorovaných světelným mikroskopem) značně podceňují skutečnou diverzitu rozsivek“ (Mann, 1999) • •(mnoho druhů, které byly vymezeny na základě morfologických znaků, je ve skutečnosti komplexem velmi podobných, semikryptických druhů) Kryptická diverzita •Rozsivky mají obrovskou kryptickou a pseudokryptickou diverzitu (současné odhady skutečného počtu druhů se řádově liší) •K odhalení diverzity slouží: •- tradiční i moderní morfologické znaky •- molekulární data •- fyziologie •- ekologie •- životní cyklus •- testy reprodukční kompatibility (křížící experimenty) napomáhají k nalezení hranic biologického druhu • Druhové komplexy •Mezi hlavní modelové systémy penátních rozsivek patří sladkovodní bentický druhový komplex Sellaphora pupula, mořské planktonní druhy rodu Pseudo-nitzschia a druhový komplex Eunotia bilunaris • https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQud6SDEaXwvyvr6I_r25LMPWZytHNUNRvh-9g_X6H7Sx8 c-LAe Znaky používané pro rozlišení druhů •Křížící experimenty (+reprodukčně izolační mechanismy) •Genofond druhu je chráněn před škodlivým genovým tokem z jiných genofondů reprodukčně izolačními mechanismy •Rozlišujeme prezygotické a postzygotické izolační mechanismy. •Prezygotická reprodukční bariéra - neschopnost rozpoznat buňku druhého druhu jako vhodného sexuálního partnera •Postzygotické reprodukčně-izolační mechanismy zahrnují neživotaschopnost a sterilitu F1 generace • •Studium reprodukční izolace prostřednictvím křížících experimentů umožňuje odlišit mezidruhovou a vnitrodruhovou variabilitu v morfologii a v neutrálních molekulárních markerech. Znaky používané pro rozlišení druhů •Morfologie valvy •délka valvy, •šířka valvy •tvar valvy •počet strií na 10 μm •počet areol na 10 μm, •počet fultoportul na buňku •tvar centrálních a polárních (terminálních) zakončení raphe •tendence vytvářet jednobuněčné nebo naopak koloniální formy •počet buněk v kolonii Fenotypová plasticita •Fenotypová plasticita je schopnost organismu měnit fenotyp v závislosti na podmínkách prostředí a je to alternativa ke genetické změně •Morfologické znaky na valvě jsou obecně považovány za geneticky podmíněné, vzhledem k tomu, že jejich výskyt je relativně uniformní i ve větších taxonomických jednotkách. •Existuje ale fenotypová plasticita, kterou lze odhalit na základě přírodních vzorků a nikoliv klonů žijících v kultuře (závisí např. na salinitě, teplotě a dostupnosti živin) •U bentických druhů se projevuje ve větší míře, protože jsou zde podmínky proměnlivější •Jedním z projevů této plasticity mohou být i tzv. Janusovy buňky (každá valva vznikala v jiných podmínkách) Znaky používané pro rozlišení druhů •Životní cyklus -vegetativní část cyklu: zmenšování průměrné velikosti buněk v populaci -původní velikost populace se obnovuje auxosporulací -zmenšování často spojeno se změnami morfologie schránky -menší buňky jsou více eliptické a vzor na jejich valvě se zjednodušuje - Znaky používané pro rozlišení druhů •Fyziologické pochody •Pseudokryptické druhy se mohou lišit: -růstovou rychlostí v různé teplotě a salinitě -metabolismem dusíku -požadavky na množství křemíku a vitaminů -citlivostí ke znečištění -schopností produkovat toxické látky a různé sekundární metabolity (Pseudo-nitzschia produkuje domoikovou kyselinu- neurotoxin) Znaky používané pro rozlišení druhů •Ekologie •morfotypy rozsivek mohou korelovat s ekotypy •druhové komplexy se mohou signifikantně lišit svou ekologií- jiné nároky na: -pH -konduktivitu -obsah fosforu a dusíku. •+ druhově specifické interakce hostitel-parazit - rozdílná citlivost druhů k napadení chytridiemi a oomycety Znaky používané pro rozlišení druhů •Zvláště pro rozlišení vyšších taxonů se dají využít také cytoplazmatické znaky: •- charakter a počet chloroplastů -znaky na Golgiho aparátu -pyrenoidu -typ auxospory Znaky používané (nejen) pro rozlišení druhů •Landmarková geometrická morfometrika -Celkový tvar valvy, který byl vždy popisován pouze kvalitativně je možné prostřednictvím metod geometrické morfometriky matematicky popsat. -Zkoumá morfologii a tvar organismů pomocí matematických disciplín (geometrie, statistika). -Obrovská tvarová diverzita mezi jedinci téhož druhu- lokální adaptace na podmínky prostředí - • Landmarková geometrická morfometrika •Na každé valvě určitý počet homologních bodů- landmarků •Landmarky jsou přesně umístěné homologické body na struktuře, které jsou ontogeneticky, funkčně či evolučně signifikantní. Jsou zachycené jako souřadnice v dvoj, nebo • trojdimenzionálním prostoru • • Více informací o morfometrice: Neustupa et al. Znaky používané (nejen) pro rozlišení druhů •Molekulární analýzy -Využívání vedlo k odhalení nečekané kryptické diverzity u rozsivek -V současné době jsou osekvenovány 2 kompletní genomy rozsivek: -centrickáThalassiosira pseudonana -penátní Phaeodactylum tricornutum •Využívání molekulárních dat: -ITS -SSU rDNA a LSU rDNA -plastidové geny rbcL -mitochondriální gen cox1 Molekulární analýzy •SSU neboli 18S rDNA (malá ribozómová podjednotka) •- využítí pro rekonstrukci fylogeneze celé třídy rozsivek (zařazení druhu v rámci třídy), méně variabilní •LSU neboli 28S rDNA (velká ribozomální podjednotka) •ITS1 a ITS2 (mezerníkové oblasti oddělující ribozomální podjednotku), velmi variabilní - ITS2 má schopnost rozlišit reprodukčně izolované druhy • •(Fce ribozomu: tvorba proteinů, probíhá na nich translace, při níž je z řetězce RNA syntetizován polypeptid) https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRE2YphHJPfrBuT_2uvmAqsvIwc8ZE36dS2uG29dEtK3go 6dR58MQ Molekulární analýzy •Mitochondriální genom -Využívá se oblast kódující proteinovou podjednotku cytochrom oxidasy (cox1) •Plastidový genom -Využívá se oblast kódující proteinovou velkou podjednotku enzymu RUBISCO •Výhody oproti rDNA: jsou obsaženy • v genomu pouze v jedné kopii+ minimalizuje možnost amplifikace DNA z případné kontaminace houbami, která je poměrně běžná. Nevýhodou je nedostatečná znalost dědičnosti a dalších vlastností organelové DNA • • Rozsivky s raphe na obou valvách II •Zbytek řádu Naviculales: –Pleurosigma Brachysira –Gyrosigma Diploneis –Stauroneis Amphipleura –Pinnularia Frustulia –Caloneis Phaeodactylum –Neidium Capartogramma – •Řád Mastogloiales –Mastogloia +(Aneumastus) Morfologické pojmy •Valvocopula: první boční pás • •U rodu Mastogloia je valvocopula tvořena několika vnitřními komorami, které se nazývají partectum • •Partectum má funkci vylučování slizu (mukopolysacharidy) http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/glossary_images/partectum2-140x140.jpg Pleurosigma •Valvy, osová oblast i raphe tvaru S (sigmoidní) •Epipelon •Brakické a mořské vody •Morfologické odlišení – potkávání strií, poloha osové oblasti https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTp7sk17y3ZabHdHmljopC6iJo8Hw-uA4p-T2wLM9lyawP Xs3T4 https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTOEj89o-jCXIJ17qg27MhT8SfeBiB6YAIstj5ZdqZVq0k hOWm2 pleurosigma Gyrosigma •Valvy, osová oblast i raphe tvaru S (sigmoidní) •Striae viditelné, areoly tvoří řady svisle •Centrální oblast kulatá až eliptická •Hlavně epipelon https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQA6ZY4yaI1XKRkWABdiW3SmML5vpUVq0d-9L1or3GATcl hrADMsQ https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQWaKGjdz8f1Hc4hI2FNOBL6jKiFSfnP_ds-qQscKPzdtB dDv28 Stauroneis •Stauros (zesílená oblast bez strií) v centru valvy •Valvy lineárně lanceolátní až lanceolátní •Ve striích občas patrné areoly •Bentos (rybníky, jezera, méně řeky), vlhké půdy a mechy • https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR8gd1R680X7J0tBNegzJwHztYR1Klwz8nn8xd0jffUcrc NJB94 http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Stauroneis_iconi c-150x150.jpg Stauroneis anceps Pinnularia •Striae komůrkové, vyústění komůrek může tvořit longitudinální rýhy •Centrální konce raphe rozšířené, lehce zahnuté na jednu stranu •Frustuly mohou být velkých rozměrů- až 300 µm na délku •Terminální konce raphe zahnuté, nejčastěji tvar otazníku •Centrální oblast může být expandovaná na jednu nebo obě strany. •Blízce příbuzná rodu Caloneis •Většina druhů je acidofilních http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Pinnularia_iconi c-150x150.jpg https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRp3_VISxDwutqdkZLznrcyovyCX5fZIoptq8yoZ2W1Utx Je5EmGw Pinnularia rupestris Caloneis •Striae podobné jako u rodu Pinnularia ale mnohem jemnější •Občas longitudinální rýhy •Často široká fascie •Alkalifilní https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTO9zmfC3MnEErpqG5gAC_1ZsfZ4YMYxePRspAyDP-QVOg 9Cdg6 Caloneis bacillum http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Caloneis_iconic- 150x150.jpg Diatomella •Valvy mají septa •Striae zkrácené •Centrální konce raphe daleko od sebe •Valvy linearně-eliptické •Aerofitické, na živiny chudé habitaty •Vzácná http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Diatomella_iconi c-150x150.jpg https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRInBxNdPb7swhXFjAyEkbNLYaeH5a_8dLU7e47oLKY-8y cVBID2g Diatomella balfouriana http://huey.colorado.edu/diatoms/images_diatom_sm/Diatomella_balfouriana_4_LM.jpg Neidium •Centrální konce raphe zahnuté na opačnou stranu •Longitudinální rýha na okraji valvy (přítomnost vnitřního kanálu) •Konce velmi variabilní (zakulacené, rostrátní, kapitátní, protažené) •Terminální konce raphe mohou být bifurkátní •Pouze sladkovodní, nejčastěji mírně kyselé vody • • http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Neidium_iconic-1 50x150.jpg https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQ0kF-h4R_HrkzUjD0ebSiqRZMOtGhB6jPVEn63-1CFYEv UYXp8 https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTn-0905N89Aoso0Q_vub3vFG9wUaFKm0q50S7TFx_b7F1 vzMI Neidium affine Brachysira •Valvy lineární až lineárně - lanceolátní, někdy uprostřed rozšířené •Areoly tvoří zvláštní cik-cak uspořádané podélné řady (vlnitý vzor) •Konce zakulacené nebo protažené •Raphe je rovné, osová oblast také •1 chloroplast •Může tvořit slizové stopky •Bentos oligotrofních vod, často na rašeliništích https://encrypted-tbn3.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS8HTemEvYbg6DBUBduZWfAknKSyeLvVMPXOaqOZNYSKbc gWTM7 Brachysira serians http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Brachysira_iconi c-150x150.jpg Diploneis •Tvar lineární až eliptický •Raphe ohraničeno dvěma longitudinálními kanály •Konce zaoblené •Frustuly velmi vyztužené křemíkem •Mořské i sladkovodní druhy http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Diploneis_iconic _1-150x150.jpg https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSNyDEPpheyW8GJN7W76DohmJpEysgtJo8rYNCoZRttfhc 08wAq Diploneis ovalis Amphipleura •Raphe redukováno – krátké oproti ostatním naviculoidním rodům •Středové žebro, konce ve tvaru „jehlového ouška“- tam je umístěno raphe •Tvar lineární nebo vřetenovitý •Podobné rodu Frustulia •Chloroplast ve tvaru H •Striae jsou 0.25 µm od sebe, limitní pro rozlišovací schopnost světelného mikroskopu http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Amphipleura_icon ic-150x150.jpg https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQmnNgq7FlIgVYgVIoLe6bf6ZXodtgM-6RJJf1ArWw2Ci4 dl8bwZw Amphipleura pellucida Frustulia •Raphe ohraničeno podélnými žebry •Lvar lineárně lanceolátní až kosočtverečný J •Striae velmi jemné, pravidelného tvaru •Konce žeber „pastelkovitého tvaru“ •Acidofilní, výhradně sladkovodní • https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSozO6wQuzx6XTykI_nGWMRv8RNabqAisbcwBeq8vXkFwJ ezeR3 Frustulia saxonica http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Frustulia_iconic -150x150.jpg https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTT9LbuAYLC5HeYhILVeaEv0d-_6s9hHeaeCTfXlBf58iK 1aBRR Phaeodactylum •3 různé morfotypy •V některých fázích chybí frustula •Modelový organismus •První rozsivka s plně nasekvenovaným genomem https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTpCuykWrAw3NisSbzg7Qc7kLFLnK-JM8LWy_JyY1rqDvh x3zrHXg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/b/bf/Phaeodactylum_tricornutum.png/270px-Phaeod actylum_tricornutum.png Phaeodactylum tricornutum Capartogramma •Nazaměnitelný rod: stauros ve tvaru X •Především subtropy https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSh_kBUhdX_YISqle5N_EuYhJchn-77qAxDUMktGSl5Kic 08diS Capartogramma crucicula http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Capartogramma_ic onic-150x150.jpg Mastogloia •Valvocopula s partectem (viditelné při různých rovinách proostření) •Valvy eliptické až lanceolátní, konce zaoblené nebo kapitátní •Areoly zřetelné •Raphe může být zvlněné •Největší diverzita v mořích, ve sladkých vodách se vyskytuje tam, kde je vyšší obsah solí a vápníku http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Mastogloia_iconi c-150x150.jpg Mastogloia smithii https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcS86FJMQ_p1SqlhnlPh-xNmiMlQmBt68i3zD21g-57At88 wbKOT Plagiotropis •Valvy zvláštním způsobem „přeložené“, na epivalvě zřetelný kýl (uvnitř kýlu je uloženo raphe) •Ve velmi alkalických vodách- epipelon brakických vod Plagiotropis lepidoptera http://westerndiatoms.colorado.edu/images/sized/images/genus_representative_images/Plagiotropis_ico nic-150x150.jpg https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcQyge0ab8HW1tyK9SSxYmmRYMN1mzcOa5QRQnxFjI0XtzH QwaPm Entomoneis •Valvy prohnuté až přetočené •Raphe v kýlu •Ve vzorku většinou jen pleurální pohledy •Mořský, pár sladkovodních druhů https://encrypted-tbn0.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcRHiEJ5UT1Z98twajCmfHbZQT0_5mDjDx39UnYf4Ww9Mck 59Pdc Entomoneis costata https://encrypted-tbn2.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcTjc7zOOPye_RTMsSMDkHP-l4c0wRK4ZfYeN6vY1we3F3P qNtd5 Děkuji za pozornost! • http://www.diatoms.co.uk/eagle.jpg