Genetická variabilita rostlinných populací

Genetická variabilita Základ pro evoluci, možnosti selekce Kvalitativní vs. kvantitativní znaky

Kvalitativní znaky Jeden či několik málo genů Obvykle malý vliv prostředí Tvar, barva………..

Kvantitativní znaky Mnoho genů Obvykle větší vliv prostředí QTL (Quantitative traits loci) Velikost ……..

Selekce Míra genetického a environmentálního určení znaku G, E, G x E interakce, plasticita Dědičnost znaku

Míry dědičnost VG/VP - broad sense heritability VP - variabilita ve fenotypu VG - variabilita určená genotypem Sledování růstu geneticky identických jedinců, nelze vždy Danthonia spicata – většina variability mezi kategoriemi

Míry dědičnost VA/VP – narrow sense heritability VP - variabilita ve fenotypu VA - variabilita breeding value – odchylka průměrného fenotypu potomků od populačního průměru Závisí na variabilitě prostředí

Míry dědičnost Narrow sense heritability Korelace fenotypu potomků a průměru rodičů

Selekce Směrovaná Stabilizační Disruptivní

Selekce

Míra selekce P. H. van Tienderen 2000

Míra selekce Seed predation a16 8 4 1 Intact seeds Phenology 2 a26 3 5 10 Pop growth rate Grazing a46 7 9 6 a56 Flower numb 11 Prob of flow a66 a76

Míra selekce Selection gradient

Míra selekce Selection differentials

Faktory určující genetickou diversitu Mutace Rozmnožovací systém Genetická diversita genový drift genový tok selekce

Mutace Substituce Inserce a delece Kopie sekvence, transposomy Viditelné mutace ~ 1: milion

Rozmnožovací systém Asexuální vs. sexuální

Asexuální rozmnožování Apomixe Vegetativní Agamospermie Stejný genotyp jako matka Jak poznat (problém pseudogamie – Ranunculus auricomus)

Agamospermie Diplosporie – gametofyt z neredukované megaspory Aposporie – gametofyt z běžné somatické buňky Kombinace obou – Potentilla verna Aneusporie – crossing over

Sexuální rozmnožování Sexuálně monomorfní druhy Hermafroditi Jednodomé (monoecické) Gynomonoecické (Asteraceae) Andromonoecické (Apiaceae)

Sexuální rozmnožování Sexuálně polymorfní druhy Dvoudomé (diecické, Ilex) Gynodiecické (Lamiaceae) Androdiecické (Mercurialis)

Auto- vs. alogamie Autogamie Výhoda – zaručená reprodukce krátkověké druhy – závislost na generativním rozmnožování druhy na okraji areálu Nevýhoda - Redukce genetické variability - inbreeding

Poměr auto- a alogamie Jak zjistit

Kombinace různých způsobů rozmnožování Auto-/alo-gamie Vegetativní/generativní Generativní/viviparie

Inbreeding Produkce potomků křížením příbuzných jedinců Míra inbreedingu – inbreeding coefficient, míra blízkosti příbuzných Pravděpodobnost, že 2 alely v lokusu jsou ze stejné linie

Inbreeding

Inbreeding depression Snížení vitality v důsledku inbreedingu Projev recesivních letálních alel Ztráta genetické variability – snížení heterozygozity Hlavně u normálně alogamních druhů

Fitness a inbreeding

Inbreeding u rostlin

Studium inbreeding depression Umělá křížení mezi příbuznými Heterózní efekt – křížení nepříbuzných

Míry inbreeding depression Rozdíl v chování inbredních a outbredních jedinců = 1-(fitness inbred/ fitness outbred)

Nepřímá míra inbreedingu Rozdíl očekávané a pozorované heterozygozity: 1-(Hobs/Hexp) Změna heterozygozity v čase: 1-(H0/Ht) Změna heterozygozity není nutně změnou genetické diversity

Vliv v hlavně v nepříznivých podmínkách Dudash 1990, Sabatia angularis, Gentianaceae

Obrana proti autogamii Morfologie Proteroandrie/-gynie Autoinkompatibilita

Genetický drift Ztráta genetické diversity v důsledku náhody

Ztráta alel Drosophila England, 1977

Pravděpodobnost ztráty alely = (1-p) 2N Funkce frekvence alely a velikosti populace

Genový tok Viz šíření semen a pylu

Měření genetické diversity

Typy genetické diversity Geny Proteiny Kvantitativní genetická variabilita = kvantitativní znaky (nejlepší míra evolučního potenciálu druhu)

nekódující úseky DNA, isoenzymy Molekulární marker Kus DNA či její produkt, který má zmíněné vlastnosti (selektivně neutrální) a má dostatečnou míru variability nekódující úseky DNA, isoenzymy

Molekulární markery 1.výpovědní hodnota zjištěné informace kodominantní (allelická úroveň) x dominantní (fenotypové hodnocení) x haploidní 2. typ dědičnosti biparentální (nukleární) x uniparentální (organelární) 3. míra polymorfizmu – počet lokusů, počet alel v daném lokusu (u kodominantních) či z počtu proužků u dominantních.

Molekulární markery 4. mutační rychlost – hlavní faktor zodpovědný za existenci variability – nutná jakási střední hodnota 5. selektivní neutralita 6. rekombinace - není u organelárních markerů

Vlastnosti genetických metod informace nezávislá na prostředí – tj. není zde žádná plasticita typicky se mění při rekombinaci - umožňuje identifikovat rekombinační události v populaci je kvalitativní je selektivně neutrální, alespoń v to doufáme

Genetické markery Isozymy RFLP RAPD AFLP Mikrosatelity……..

Míry genetické diversity Počet alel Počet polymorfních lokusů Indexy diversity Stupeň heterozygozity

Genetická struktura populace Rozložení genetické diversity v rámci a mezi populacemi

F statistiky Fst = 1-(Hs/Ht) diferenciace populací Fis=1-(Hi/Hs) inbreeding koeficient Fit=1-(Hi/Ht) Ht=expected heterozygozity celková Hi=observed heterozygozity průměr přes populace Hs=expected heterozygozity průměr přes populace

Diferenciace populací závislá na vzdálenosti Isolation by distance – genetická podobnost klesá se vzdáleností  Mantelův test – korelace genetické podobnosti a fyzické vzdálenosti populací nutný index podobnosti – např. Jackardův, ale je jich spousta hledá pouze monotónní závislosti – nic mi neřekne o její povaze a měřítku

Diferenciace populací závislá na vzdálenosti Prostorová autokorelační analýza – detekce prostorového rozložení a měřítka Moran’s I, joint counts, k-funkce ? Velikost genetického sousedství kytky ? Příčiny genetické struktury populací – směrovaná migrace x omezený genový tok

Měření genového toku Nepřímé – z genetické podobnosti populací Přímé

Nepřímé měřené genového toku populačně-genetický model distribuce molekulárních markerů demografický model odhad genového toku odhad genetické diferenciace populací

popis způsobu disperze mezi populacemi Demografické modely popis způsobu disperze mezi populacemi infinite island model – migranti z jedné nekonečně velké populace do ostatních finite island model – migrace mezi všemi populace stepping stone model – migrace pouze mezi sousedními continuum model – migrace je funkcí vzdálenosti a řada dalších

Konečný ostrovní model - finite island model

Populačně genetické modely Vychází z hodnoty FST - stupeň isolovanosti populací FST = 1/(1+4 Ne m) Ne - efektivní velikost populace m - proporce migrantů Předpoklady: populace jsou v rovnováze mezi genovým tokem a driftem oddělené nepřekrývající se generace genový tok je v čase konstantní mutace je mnohem nižší než migrace - obvykle nereálné a nesplnitelné!

Přímé měření genového toku - Parentage analysis

Parentage analysis (analýza rodičovství) Omezení metody nutnost podchytit veškeré fertilní jedince v populaci Požadavky na genetické markery 1. Dostatečně citlivé, aby co nejlépe dokázaly odlišit jednotlivá individua, raději kodominantní. 2. Levné a umožňující zpracování velkého množství vzorků. Mikrosatelity, ale i RAPD, AFLP - ty ale dominantní