Počet chromosomů a velikost genomu jako adaptivní znak v evoluci (nejen) rostlin.

Prezentace na téma: "Počet chromosomů a velikost genomu jako adaptivní znak v evoluci (nejen) rostlin."— Transkript prezentace:

1 Počet chromosomů a velikost genomu jako adaptivní znak v evoluci (nejen) rostlin

2 1) Brown R. (1831): Observations on the organs and mode of fecundation in Orchideae and Asclepiadeae. Trans. Linnean Soc. 16: 685–746. 3) Flemming, W. (1879): Zur Kenntnis der Gerüste im Zellkern und ihrer Veränderung durch chromsaure Salze. Centralblatt Med.Wiss. 23: 401. 5) Boveri T. (1887): Über die Befruchtung der Eier von Ascaris megalocephala. Sitzungsber. Ges. Morph. Physiol. München 3: 71–80. Buněčné jádro objevil v roce 1831 1) bez použití barvicích technik jako světlé zóny v buňkách rostlin z čeledí Orchidaceae a Asclepiadaceae skotský botanik Robert Brown (1773-1858). Chromosomy [z řec. χρώμα=barva a σώμα=těl(ísk)o] objevil jako kondenzující chromatin v r. 1879 3) německý biolog Walther Flemming (1843-1905 ). Buněčné jádro a chromosomy: historický exkurz Stálost chromosomového počtu jako vlastnost druhů zobecnil r. 1887 5) německý cytogenetik Theodor Boveri (1862-1915).

3 Velikost genomu = hmotnost DNA monoploidní chromosomové sady. 1) Bennett M. D. & Smith J.B. (1976): Nuclear DNA amounts in agiosperms. Phil. Trans. Roy. Soc. London Ser. B 274: 227-274. Označuje se jako C-value Vyjadřuje se buď v pikogramech nebo v párech bazí, přičemž 1 pg DNA = 965 Mbp 1). Je to polovina hmotnosti jaderné DNA u somatické buňky diploida. Co je vlastně velikost genomu?

4 Publikace o velikosti genomu v jednotlivých pětiletích Nástup flow-cytometrie 1946-50 1951-55 1956-60 1961-65 1966-70 1971-75 1976-80 1981-85 1986-90 1991-95 1996-00 2001-04 Publikace o velikosti genomu v jednotlivých pětiletích Nástup flow-cytometrie Hewson H. Swift, prof. Mol. Genet. & Cell Biol. Univ. Chicago (1920-2004) The constancy of desoxyribose nucleic acid in plant nuclei. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 36: 643–654, (1950). http://swiftmemorial.uchicago.edu

5 zesilovač laser fluorescenční detektor analogově- číslicový převodník suspenze fluorescenčně zbarvených jader směsi vzorku a standardu unášecí tekutina jehla přivádějící suspenzi signál menších částic signál větších částic průměr peaku vzorku x obsah 2C DNA standardu (pg) 2C DNA vzorku (pg) = ------------------------------------------------------------------------------- průměr peaku standardu Průměr peaku menších částic Průměr peaku větších částic K výpočtu velikosti genomu jsou důležité průměry peaků Schéma činnosti flow-cytometru Základní výhoda cytometru: rychlá analýza velkého množství částic

6 Metody: mikrodensitometrie při Feulgenově barvení a flow cytometrie Princip průtokové cytometrie (podstatu hydrodynamické fokusace) publikoval poprvé britský lékař Paul Crossland-Taylor v r. 1953 2) Průtoková cytometrie byla vyvinuta jako metoda k počítání krevních buněk počátkem 70. let. www.partec.de/inde x.html 2) Crossland-Taylor, P.J. (1953). A Device for Counting Small Particles Suspended in a Fluid through a Tube. – Nature 171: 37–38. http://www.ibp.cz/conferences/cyt ometrie/ph_2003/ds/d2-30.jpg

7 Zingeria biebersteiniana 2n = 4 Haplopappus gracilis 2n = 4 Ophioglossum reticulatum 2n = 1440 Voanioala gerardii 2n = 606 Počet chromosomálně analyzovaných rostlinných druhů je zhruba 65 000 1) 1) Stace C. A. 2000: Cytology and cytogenetics as a fundamental taxonomie resource for the 20th and 21st centuries. Taxon 49: 451–477. Je takto rozsáhlá i variabilita počtů chromosomů u rostlin? diference 360× maximální počty: minimální počty:

8 Min.: Genlisea margaretae C = 0,064 pg 1) 1) Greilhuber J. et al. (2006): Smallest Angiosperm Genomes Found in Lentibulariaceae, with Chromosomes of Bacterial Size. Plant Biol. 8: 770–777 2) McLeish J. & LaCour in Bennett M. D. & Leitch I. J. (2003): Angiosperm DNA C-values database (release 4.0, Jan. 2003). http://www.rbgkew.org.uk/cval/homepage.html Max.: Fritillaria assyriaca C = 127,40 pg 2) difference 1991× ! DNA content variation in plants Plant Biodiversity & Biosystematics Masaryk University Brno

9 Počet známých velikostí živočišných genomů je přibližně 3 800 (2 500 druhů obratlovců + 1 300 druhů bezobratlých). Min: Trichoplax adhaerens, zástupce kmene Placozoa (vločkovci) C = 0,04 pg Max: bahník etiopský Protopterus aethiopicus, C = 133 pg Jak jsou na tom s hmotností jaderné DNA živočichové? diference 3325 × !

10 Max.: měňavka Chaos chaos C = 1 400 pg 2) 1) Vivares C.P. (1999): On the genome of Microsporidia. Journal of Eukaryotic Microbiology 46 (Suppl.): 16A. 2) Friz C.T. (1968): The biochemical composition of the free-living amoebae Chaos chaos, Amoeba dubia, and Amoeba proteus. Comparative Biochemistry and Physiology 26: 81-90. Naprosto nepřekonatelný rozsah ve velikosti jaderné DNA mají prvoci (patřící dnes ke dvěma říším Archezoa a Protozoa) Min.: parazitická Encephalitozoon intestinalis z kmene Microspora (hmyzomorky) C = 0,0023 pg 1) diference více než 600 000× !!!

11 velikost genomu (páry bazí) měňavka (Amoeba dubia)670 000 000 000 lilie (Lilium longiflorum)90 000 000 000 myš (Mus musculus)3 454 200 000 člověk (Homo sapiens)3 200 000 000 kapr (Cyprinus carpio)1 700 000 000 slepice (Gallus gallus)1 200 000 000 moucha (Musca domestica)900 000 000 rajče (Lycopersicon esculentum)655 000 000 C-value paradox C-value paradox (C-value enigma) vychází z absence korelace mezi velikostí genomu a komplexitou (složitostí stavby – fylogenetickým postavením) organizmu „pán tvorstva má 200× míň DNA než měňavka“

12 eriophorum brachycephalum arvense acaule palustre pannonicum rivulare erisithales oleraceum canum heterophyllum Cirsium: (pcháč) stejně chromosomů různě velké genomy 1) 1) Bureš P., Wang Y.-F., Horová L. & Suda J.: Genome Size Variation in Central European Species of Cirsium (Compositae) and their Natural Hybrids. Annals of Botany. 94: 353–363. Cirsium canum diference 57 %

13 Eleocharis quinqueflora Eleocharis mamillata 2C = 1,12 pg 2C = 4,6 pg 2n = 136 2n = 16 Plant Biodiversity & Biosystematics Masaryk University Brno Average chromosome size = = 2C DNA / 2 n (C /n –value) 8.1 Mbp 281.2 Mbp Hodně chromosomů neznamená velký genom 1pg = 10 -12 g = 0,000 000 000 001 g 1pg = 978 Mbp

14 velikost genomu v pg 0 50 100 čel. čtverzub- covitých Tetraodontidae Ryby bahník etiopský Protopterus aethiopicus Obojživejníci 0,95 pg hvízdalka Limnodynastes ornatus žábronoš tečko- vaný Necturus punctatus 120 pg africká amadina páskovaná Amadina fasciata Ptáci pštros dvouprstý Struthio camelus ~0,4 pg ~133pg ~1,0 pg ~2,2 pg Plazi Savci 1,7 pg létavec stěhovavý Miniopterus schreibersii polyploidní osmák pouštní Tympanoctomys barrerae 8,4 pg 1,1 pg pouštní scink Chalcides mionecton 5,4 pg želva žlutohnědá Testudo graeca Rozsahy hmotností jaderné DNA však velmi kolísají mezi jednotlivými taxonomickými skupinami obratlovců: Velikosti genomů excerpovány z databáze Gregory T. R. (2004): Animal Genome Size Database. http://www.genomesize.com/. Last accessed: March, 2004.

15 hybrid v důsledku meiotických disturbancí vytvoří při meiozi neredukované gamety, polyploidie se projeví až v následující generaci polyploidie vzniká nejčastěji důsledkem mezidruhové hybridizace

16 x Dactyloglossum mixtum (= Coeloglossum viride x Dactylorhiza fuchsii) Coeloglossum virideDactylorhiza fuchsii

17 x Dactylodenia st-quintinii (Dactylorhiza fuchsii subsp. fuchsii x Gymnadenia conopsea subsp. conopsea Gymnadenia conopseaDactylorhiza fuchsii

18 x Festulolium loliaceum (= Festuca pratensis x Lolium perenne) Festuca pratensis Lolium perenne

19 U živočichů není mezidruhová hybridizace tak častá a mezi jednotlivými systematickými skupinami existují v její frekvenci značné rozdíly. Parmičky: Interspecific hybrids cross between female Labeo rohita and male L. calbasu a. L. rohita b. Hybrid c. L. calbasu The liger is a hybrid between a male lion and female tiger. The hybrid between a male tiger and female lion is a tigon. [from slides donated to the Life Sciences Department at Palomar College.] Bičochvosti: The asexual whiptail species Cnemidophorus neomexicanus (center) with the sexual species that hybridized to form it, C. inornatus (left) and C. tigris (right). (c) A. J. Cullum

20 Retikulární evoluce v rodu Polypodium Plant Biodiversity & Biosystematics Masaryk University Brno

21 Počet chromosomů a velikost genomu jsou druhově specifické znaky Velikost genomu se zjišťuje pomocí průtokové cytometrie Průtoková cytometrie se využívá nejen v biologii ale především v medicíně Mezi počtem chromosomů a velikostí genomu není obecně přímo úměrný vztah ale mezi příbuznými druhy tomu tak obvykle bývá Počet chromosomů kolísá u rostlin mezi 2n=4 a 2n=1440 Velikost genomu se měří v pg a kolísá u rostlin mezi 0,064 a 127,4 pg. Nejčastější příčinou změny velikosti genomu i počtu chromosomů je polyploidie Polyploidie hraje roli jak při vzniku nových druhů tak ve šlechtitelské praxi. Polyploidie je nejčastěji podmíněna mezidruhovou hybridizací. Počet chromosomů se nejčastěji zjišťuje z roztlaků kořenových špiček. Mezidruhová hybridizace i polyploidie jsou u rostlin častější než u živočichů Mezi velikostí genomu a komplexností organizmu není přímo úměrný vztah