Cirsium : Interspecific hybridization and DNA content Petr Bureš1), Wang Yi-Feng2), Lucie Horová1), Jan Suda3) 1) Department of Botany Faculty of Science Masaryk Univ. Brno, 2) Department of Botany North- West. Univ. Lanzhou, 3) Department of Botany, Faculty of Science, Charles Univ., Prague

arvense vulgare brachy-cephalum pannonicum spimosissimum acaule eriopho-rum oleraceum erisitha-les canum vulgare heterophyllum palustre

Chromosomové počty v rodu Cirsium V celém rodu převládá 2n = 34 zhruba 2/3 druhů dalším nejčastěji zastoupeným počtem je 2n = 68 (zhruba 12 % druhů)

Cirsium oleraceum × C. palustre = C. × hybridum Cirsium palustre

Cirsium oleraceum × C. vulgare = C. × bipontinum Cirsium vulgare

„Intenzita mezidruhové hybridizace“ v rodu Cirsium podle počtu dokladů v českých herbářích (celkem 28 hybridů) brachycephalum oleraceum palustre 8 8 eriophorum 1 arvense 5 vulgare 5 acaule 7 pannonicum 5 rivulare 6 canum heterophyllum 5 6

Problémy: • Liší se velikostí genomu druhy na stejné ploidní úrovni, nebo častá hybridizace způsobuje, že se druhy velikostí genomu neliší? • Mohou být případné rozdíly ve velikosti genomu adaptivní odpovědí na nějaké eko-geografické faktory? • Mají kříženci jiný počet chromosomů než rodičovské druhy? • Souvisí různá frekvence vzniku různých přirozených hybridních kombinací nějak s velikostí genomu?

I Material & Methods

Relative DNA content: Brno PA – I (HBO lamp + DAPI) 954 measurements of 13 species and 12 hybrids from 102 populations with standard Cirsium vulgare (the same individual in all measurements) mean CV = 2.37 s.d. = 0.61

Absolute DNA content & AT frequency: Brno + Praha standard Lycopersicon esculentum ‘Stupické polní tyčkové rané’ Brno Prague PA – II (laser + PI) 102 measurements of 12 species (=10x3+2x2 individuals) mean CV stand. = 3.19, s.d. = 0.33 mean CV sample = 3.23, s.d. = 0.39 PA – I (HBO lamp + DAPI) 108 measurements of 12 species (=12x3 individuals) mean CV stand. = 2.09 s.d. = 0.42 mean CV sample = 2.17 s.d. = 0.39 3x in three different days

Interspecific genome size variability II. Interspecific genome size variability

G0/G1 Cirsium eriophorum 400 300 200 100 G0/G1 Cirsium eriophorum G0/G1 Cirsium heterophyllum G0/G1 Cirsium vulgare 100 200 300 400 Fluorescence channel Fig. 1. Range of interspecific genome size in Central European Cirsium species: Histogram of relative nuclear DNA content obtained after flow-cytometric analysis of DAPI stained nuclei, showing the diploid species with the smallest genome (Cirsium heterophyllum), the diploid species with the largest genome (C. eriophorum), and the lone tetraploid species (C. vulgare).

relative 2C DNA content ♦ mean± ├standard deviation┤ eriophorum brachycephalum arvense acaule palustre pannonicum rivulare erisithales oleraceum canum heterophyllum relative 2C DNA content ♦ mean± ├standard deviation┤

Signicicant negative correlations between genome size and eco-geographical features (p<0.05) Ellenberg’s indicator value for moisture (rs = –0.68, p = 0.029) Ellenberg’s indicator value for continentality (rs = –0.64, p = 0.045) Eastern limit of geographical distribution (rs = –0.64, p = 0.032) Spinyness (adaptation to herbivore pressure) (Kendall Tau = –7.34, p<0.001) Longevity (biennials vers. perennials) (Kendall Tau = –0.604, p= 0.004)

Absolute 2C DNA content in pg ± s.d. AT freqeuency % Cirsium vulgare 5.54 ± 0.12 49.85 Cirsium eriophorum 3.60 ± 0.03 48.38 Cirsium brachycephalum 2.98 ± 0.05 49.98 Cirsium arvense 2.84 ± 0.05 51.75 Cirsium acaule 2.62 ± 0.03 50.95 Cirsium palustre 2.58 ± 0.05 49.14 Cirsium spinosissimum 2.53 ± 0.02b – Cirsium pannonicum 2.44 ± 0.03 50.73 Cirsium rivulare 2.40 ± 0.03 3.43 ± 0.05 51.69 Cirsium erisithales 2.33 ± 0.03 50.94 Cirsium oleraceum 2.32 ± 0.03 50.49 Cirsium canum 2.24 ± 0.02 50.65 Cirsium heterophyllum 2.14 ± 0.03 51.65

III. Genome size of hybrids

Genome size of hybrids was smaller than predicted heterophyllum x rivulare palustre x rivulare oleraceum x rivulare heterophyllum x oleraceum erisithales x palustre acaule x oleraceum oleraceum x palustre erisithales x oleraceum canum x palustre canum x oleraceum heterophyllum x palustre erisithales x heterophyllum relative genome size 4.0 4.5 5.0 (mean of parent1 with smaller genome) = = (mean of parent2 with larger genome) average of hybrid (mean of parent1 + mean of parent2) / 2 Fig. 2. Relationship between the potential range of hybrid relative DNA content (├──┤), expected hybrid relative DNA content (■), and actual relative DNA content of Cirsium interspecific hybrids (◊).

„Hybridní promiskuita“ jednotlivých druhů v rodu Cirsium podle počtu dokladů v českých herbářích

Species with smaller genome produce hybrids more frequent = the same tendency as at individual level ? vulgare eriophorum brachycephalum arvense acaule palustre pannonicum rivulare oleraceum canum heterophyllum large genome few or no hybrids small genome many hybrids 10 8 6 relative genome size herb. specimens of hybrids 400 600 800 Fig. 3. Relationship between relative DNA content of Cirsium species and the production of interspecific hybrids.

Důležitým faktorem pro mezidruhovou hybridizaci mohou být také rozdíly v rozšíření rodičov-ských druhů Cirsium heterophyllum Cirsium rivulare

Místa společného výskytu Cirsium heterophyllum a C. rivulare Jen v těchto územích mohou vznikat kříženci mezi Cirsium heterophyllum a C. rivulare

Pokud se druhy podobají svým rozšířením, mohou teoreticky tvořit hybridy častěji Jak ale kvantifikovat míru podobnosti v rozšíření ve vztahu k hybridizaci ??? Cirsium palustre Cirsium oleraceum Ke kvantifikaci podobnosti v roz-šíření lze využít společné výskyty ve fytogeografických okresech !

Intenzita hybridizace mezi druhem x a druhem y počet lokalit hybrida x×y v i-tém fytogeografickém okrese 99 Σ xi . yi i = 1 i = Σ h(x×y)i počet lokalit druhu x ve fytogeografickém okrese i počet lokalit druhu y ve stejném fytogeografickém okrese i

Intenzita hybridizace mezi druhem x a druhem y na příkladu C. heterophyllum a C. rivulare Celkový počet lokalit hybrida v České republice 99 Σ xi . yi i = 1 i = Σ h(x×y)i Suma součinů zachycuje právě území (fytochoriony), kde se druhy vyskytují společně druh x = C. heterophyllum druh y = C. rivulare

Intenzita mezidruhové hybridizace rodu Cirsium v České republice 99 Σ h(x×y)i i = 1 i = 99 Σ xi . yi i = 1

Rozdíl velikosti jaderné DNA Mají mezidruhové rozdíly ve velikosti jaderné DNA nějaký vliv na intenzitu mezidruhové hybridizace v rodu Cirsium ? Co znamená rozdíl ve velikosti jaderné DNA ? Rozdíl velikosti jaderné DNA

Intenzita mezidruhové hybridizace v rodu Cirsium ve vztahu k rozdílům ve velikosti jaderné DNA rodičovských druhů intenzita hybridizace rozdíl ve velikosti jaderné DNA

klima-index Termo_lok Mezo_lok Oreo_lok K= 1 x ––––––––– + 0 x –––––––– + (–1) x –––––––– Termo_ploch Mezo_ploch Oreo_ploch –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Termo_lok Mezo_lok Oreo_lok ––––––––– + ––––––––– + –––––––– Termo_ploch Mezo_ploch Oreo_ploch K=

AT concentration Spearman rs = 0.85 p=0.003 klima-index