Bi6589 Laboratorní a bioinformatické metody rostlinné biosystematiky Taxonomie je o objevování a rozpoznávání druhů, což představuje identifikaci, diagnostiku, srovnávání, klasifikaci a pojmenování organismů. Hledáme znaky • jednoznačné, nevyžadující statistický přístup. •snadno zjistitelné, bez nutnosti použít mikroskop či analýzy molekulární a podobně. •geneticky determinované a silně dědivé (ne získané v průběhu života, jako např. zakrslý růst vlivem nedostatku živin) Odlišení taxonu založené na širokém spektru znaků: •morfologickými (od celého individua až po mikroznaky) •anatomickými •karyologickými •cytogenetickými •molekulárně biologickými atd. Bi6589 Laboratorní a bioinformatické metody rostlinné biosystematiky Biosystematika zkoumá diverzitu organismů a vztahy mezi nimi v průběhu času – snaží se o vysvětlení příčin a důsledků variability organismů. Bi6589 Laboratorní a bioinformatické metody rostlinné biosystematiky Morfometrie Měření tvarů Vědní obor zabývající se zkoumáním změn tvarů objektů, jejich variabilitou a klasifikací Morfologie popisuje tvar organismů Studuje vnější stavbu rostlinného těla Hlavní biologický obor až do začátku 20. stol. S rozvoje chemie, molekulární biologie, genetiky atd. její význam klesá. Největším problém morfologie je její subjektivnost: co je to silně chlupatý list; je to ještě kosníkovitý list nebo již trojúhelníkovitý? Morfometrie - historie Okraj listu: laločnatý Vrchol listu: špičatý Báze listu: uťatá Tvar listu: peřenodílný Klasická morfometrie popisuje tvar organismů měřením velikostí různých vlastností. Snaha o exaktní ověření rozdílů, které pozoruji. Statistické hodnocení vzdáleností a úhlů na tělech a strukturách zkoumaných organismů. Měřené hodnoty •absolutní (lze je přímo změřit – vzdálenosti bodů, úhly, plochy, objemy, hmotnost, atd.) •relativní (vypočítané – poměrné indexy). Největším problém klasické morfometrie: nelze vyjádřit a porovnávat tvar Morfometrie - historie D D = délka listu DŘ = délka řapíku ŠŠ = sířka listu v nejširším místě ŠU = šířka listu v nejužším místě ŠŠ ŠU DŘ Geometrická morfometrie Umožňuje vyjádřit a porovnávat tvary nezávisle na jejich pozici, rotaci, měřítku. Stará myšlenka (D’Arcy W. Thompsona (1917) O růstu a formě), ale její realizace možná až s rozvojem počítačů. Landmarky: body, které můžeme na všech srovnávaných objektech najít a počítačově digitalizovat jejich polohu — ve dvou nebo i třech rozměrech. Alternativně lze uvažovat o obrysech (křivky, kontury). Data jsou zapisována ve formě dvourozměrných nebo třírozměrných souřadnic. Morfometrie - historie 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Body 1-24: landmarky charakterizující tvar listu 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Geometrická morfometrie Izometrická transformace objektů (=standardizace/normalizace dat) po odfiltrování vlivu rotace, posunu a celkové změny velikosti se odpovídající landmarky dostávají do nejmenší vzdálenosti. Statistická analýza Morfometrie - historie 4 7 9 11 13 14 15 16 18 19 20 22 24 3 5 6 10 12 23 1 8 17 21 2 C:\Users\User\Documents\FXXX\Flowcyto\Ginkgo\Figs_clanek\fig leaves ploidy rot.jpg airoidesprurez alpinaprurez3 amethystinaprurez1 amethystinaprurez2 heterophyllaprurezdole nigrescensprurez pallensprurez2 pratensisprurez rubrajunceaprurez1 rupicolaprurezmeritko valesiacaprurezmeritko trachyphyllaprurez1 Anatomická stavba listů – příčný řez - Festuca Třídění dle funkce Generativní znaky ØCarl Linné (1758) Systema Naturae - třídění rostlin založil na znacích pohlavních orgánů ØZahrnují: §Květ (listen, květní stopka, listence, květní lůžko, květní obaly (kalich, koruna, okvětí); tyčinky, pestík) §Plod §Semeno Vegetativní znaky ØVíce variabilní než generativní znaky ØFenotypová plasticita - podobu organizmu/znaku formuje i jeho prostředí; ontogeneze ØZahrnují: §Kořen §Stonek §List Klasická morfometrie - znaky Praktické třídění dle velikosti ØMikro znaky – využívám mikroskop (průduchy, pylová zrna, skulptury semen, …) Brassica rapa L. ssp. pekinensis Ai Xia Gu et al. (2016) Breeding Science ØMakro znaky – práce s pravítkem, měřící lupou, binokulární mikroskop, typizace tvarů, barev, odění apod.) Klasická morfometrie - znaky haploid diploid aneuploid tetraploid Praktické třídění dle velikosti ØMikro znaky – využívám mikroskop (průduchy, pylová zrna, skulptury semen, …) ØMakro znaky – práce s pravítkem, měřící lupou, binokulární mikroskop, typizace tvarů, barev, odění apod.) Klasická morfometrie - znaky -Difference in the flower colours. (A) Plants cultivated under uniform conditions in an experimental garden: left-ruby red capitulum of diploid C. greimleri (female plant transferred from population 5); rightpinkish-purple capitulum of tetraploid C. waldsteinii (female plant transferred from population 17). (B) Diploid Cirsium greimleri, hermaphrodite plant in population no. 5. (C) tetraploid Cirsium waldsteinii, an hermaphrodite plant from the type locality (population 21). Photo: P. Bureš (A, B), M. Vavrinec (C). Bureš et al. 2018, Preslia -Variability in the vegetative features on the upper (A-H), median (I-P) and basal (Q-T) cauline leaves of diploid Cirsium greimleri (A-D, I, J, M, N, Q, R) and tetraploid C. waldsteinii (E-H, K, L, O, P, S, T). Photo P. Bureš. Cirsium greimleri Cirsium waldsteinii Cirsium greimleri Cirsium waldsteinii 1)Rešerše existujících určovacích klíčů a flór pro danou skupinu Výsledek obrázku pro květena čr Výsledek obrázku pro klíč ke květeně čr Klasická morfometrie – jaké znaky? 1)Rešerše existujících určovacích klíčů a flór pro danou skupinu 2)Pokud rozdíl mezi rostlinami vidíte, zamyslete se v čem to vaše „vidění“ spočívá • Klasická morfometrie – jaké znaky? Výsledek obrázku pro cirsium eriophorum Výsledek obrázku pro cirsium oleraceum Výsledek obrázku pro cirsium eriophorum Výsledek obrázku pro cirsium oleraceum růžové květy dlouhé ostny zákrovní listeny s pavučinatým oděním krémově bílé květy krátké, měkké ostny zákrovní listeny bez odění (popř. jen s řídkým oděním) 1)Rešerše existujících určovacích klíčů a flór pro danou skupinu 2)Pokud rozdíl mezi rostlinami vidíte, zamyslete se v čem to vaše „vidění“ spočívá 3)Dobrá metoda může být vyskládat si vaše rostliny obou druhů vedle sebe a chvíli na ně koukat a přemýšlet v kterém znaku je ten rozdíl nejnápadnější 4)Přemýšlejte jak vaše vidění rozdílů vyjádřit čísly (a naměřit to) – u relativních znaků (např. tlustší, vyvinutější) je potřeba najít dobrý standard „normálnosti“ 5) Klasická morfometrie – jaké znaky? Výsledek obrázku pro cirsium eriophorum Výsledek obrázku pro cirsium oleraceum Výsledek obrázku pro cirsium eriophorum Výsledek obrázku pro cirsium oleraceum Šířka zákrovu C. eriophorum dosahuje 80–100% šířky koruny Šířka zákrovu C. oleraceum dosahuje 50–60% šířky koruny 1)Rešerše existujících určovacích klíčů a flór pro danou skupinu 2)Pokud rozdíl mezi rostlinami vidíte, zamyslete se v čem to vaše „vidění“ spočívá 3)Dobrá metoda může být vyskládat si vaše rostliny obou druhů vedle sebe a chvíli na ně koukat a přemýšlet v kterém znaku je ten rozdíl nejnápadnější 4)Přemýšlejte jak vaše vidění rozdílů vyjádřit čísly (a naměřit to) – u relativních znaků (např. tlustší, vyvinutější) je potřeba najít dobrý standard „normálnosti“ 5)Znaky generativních orgánů obvykle méně ovlivnitelné prostředím (použitelnější) než těch vegetativních 6) 6) Klasická morfometrie – jaké znaky? 1)Opakovatelnost měření 2)Minimalizace subjektivity 3)Reprezentativní množství jedinců/opakování • (1000 znaků u 2 jedinců vs. 2 znaky u 1000 jedinců) 4)Vzorky z celého areálu (vzdálených/kontrastních populací) 5)Kultivace v homogenních podmínkách • (znaky ovlivněné ekotypem) 4)Výběr znaků a)jen určité části rostliny (např. list na bázi); b)jen konkrétní vývojové fáze (např. v dospělosti, před rozkvětem); c)jen jedno pohlaví atd. 5) 5) Klasická morfometrie – principy měření D D = délka listu DŘ = délka řapíku ŠŠ = sířka listu v nejširším místě ŠU = šířka listu v nejužším místě ŠŠ ŠU DŘ -Variability in the generative features: corollas (A, D, G, J), achenes (B, E, H, K) and pappi (C, F, I, L) between diploid Cirsium greimleri (A-F) and tetraploid C. waldsteinii (G-L) and between females (A-C, G-I) and hermaphrodites (D-F, J-L) within the respective species. Photo P. Bureš. Klasická morfometrie – principy měření Vliv pohlaví na studované znaky Bureš et al. 2018, Preslia •Délky od desetin milimetru do cca 8-10 mm – měřící lupa •Na odění, žlázky atp. je dobrý binokulární mikroskop •Tvary které se sušením mění – nalepit před sušením na izolepu nebo před sušením naskenovat (třeba korunní lístky (Brassicaceae, Viola) • • Klasická morfometrie – rady C:\Users\User\Documents\pokus\Viola_001_001051.bmp Nalepené korunní lístky (Brassicaceae, Viola) Klasická morfometrie – rady •Délky od desetin milimetru do cca 8-10 mm – měřící lupa •Na odění, žlázky atp. je dobrý binokulární mikroskop •Tvary které se sušením mění – nalepit před sušením na izolepu nebo před sušením naskenovat (třeba korunní lístky (Brassicaceae, Viola)) •Na popis tvarů stačí často délko-šířkové poměry (definice tvarů jako obvejčitý, kopinatý apod. může být subjektivní a špatně se s ní počítá) •Barvy – podle vzorníku, nebo naskenovat a rozložit na RGB kanály (ideál pro statistiku). • • • • Klasická morfometrie – rady C. bertolonii C. erisithales C. ×abetonense C. bertolonii C. erisithales C. ×abetonense C. bertolonii C. erisithales C. ×abetonense C. bertolonii C. erisithales C. ×abetonense