Stránky oddělení (v angličtině)
Vedoucí: prof. RNDr. Zuzana Münzbergová, PhD.
Pochopení ekologie a genetiky přírodních populací je hlavním cílem výzkumu na našem oddělení. To zahrnuje výzkum na mnoha různých úrovních s využitím široké škály modelových organizmů a systémů. Zatímco naše primární zaměření je na bylinná a travinná společenstva na otevřených stanovištích v rámci střední Evropy, několik našich projektů sahá i nad tento rámec. Některé projekty tak probíhají i v dalších částech světa jako jsou Norsko, Nepál, Himaláje nebo Kanárské ostrovy.
Více podrobností o výzkumu a jednotlivých lidech na našem oddělení najdete na anglické verzi stránek ZDE.
Výzkumná témata
- Mechanismy krátkodobé a dlouhodobé dynamiky travních společenstev
- Vztahy mezi půdní biotou, býložravci a složením rostlinných společenstev
- Vývoj vlastností rostlin – klonalita a šíření na velké vzdálenosti
- Modelování hydrodynamických procesů v rostlinách
- Ekologie, populační biologie a genetika polyploidních systémů a populace vzácných druhů
- Epigenetická variace v ekologii a evoluci rostlinných populací
Vybrané výsledky z posledních let
1/ Půdní mikroorganismy ovlivňují stabilitu rostlinných společenstev
Půdní mikrobiota hraje klíčovou roli ve stabilitě rostlinných společenstev. Náš výzkum ukázal, že rostlinná společenstva na bývalých zemědělských půdách jsou nestabilní a společenstva půdních mikroorganismů v této půdě jsou úzce propojena. Naopak rostlinná společenstva pěstovaná na půdě z přirozeného trávníku jsou stabilní a půdní mikroorganismy v těchto půdách jsou na sobě nezávislé. Stabilita rostlinných společenstev tedy souvisí s výskytem vzájemně nezávislých populací půdních mikroorganismů.
- in ‘t Zandt D., Kolaříková Z., Cajthaml T. & Münzbergová Z. 2023: Plant community stability is associated with a decoupling of prokaryote and fungal soil networks. Nature Communications 14, 1-14, https://doi.org/10.1038/s41467-023-39464-8
Schéma srovnávající význam vzájemné propojenosti jednotlivých členů mikrobiálního společenstva pro šíření lokálních rušivých vlivů, které vedou ke stabilním či nestabilním společenstvům
2/ Vliv rodičovských efektů je u Arabidopsis thaliana běžný a silný, ale nepředvídatelný
Studium rodičovských efektů u rostlin je zásadní pro pochopení, jak rodičovské prostředí ovlivňuje budoucí generace a tudíž i jejich ekologii a evoluci. Nicméně stále máme jen omezenou představu o tom, jak běžné jsou tyto efekty u rostlin. Abychom otestovali obecnost rodičovských efektů, vystavili jsme rodičovské rostliny řadě 24 různých biotických a abiotických stresů. Potomky těchto rostlin jsme pěstovali v kontrolovaném prostředí, aby bylo možné posoudit dopad expozice rodičovského stresu na jejich fenotypové charakteristiky a fitness. Většina stresů vedla k významným rodičovským efektům, měnícím fitness potomstva o -35% až +38%. Efekt rodičovského prostředí závisel na genotypu, což ukazuje na důležitost genetických faktorů v tomto jevu. Kombinované stresy spolu interagovali složitým způsobem a neměly tak pouze aditivní efekt. Také existoval rozdíl mezi efekty na rodiče a potomstvo, což zdůrazňuje nepředvídatelnost těchto efektů. Zdá se, že rodičovské environmentální efekty jsou běžné a silné, ale velmi se liší svým dopadem na růst potomků a jsou obtížně předvídatelné. To zdůrazňuje potřebu multifaktoriálních experimentů pro komplexní pochopení role rodičovských efektů v ekologii a evoluci rostlin.
- Latzel V., Fischer M., Groot M., Gutzat R., Lampei C., Ouborg J., Parepa M., Schmid K., Vergeer P., Zhang Y. & Bossdorf O. 2023: Parental environmental effects are common and strong, but unpredictable, in Arabidopsis thaliana. New Phytologist 237, 1014 – 1023. doi:10.1111/nph.18591
Fenotypová analýza potomků různého genetického původu rodičů, kteří byli vystaveni 24 různým typům stresů a jejich kombinací. Potomci se velmi lišili jak v produkci biomasy tak v produkci plodů v závislosti na tom, jaký stres zažili jejich rodiče.
3/ Fylogeneze druhů, ekologie a vlastnosti kořenů jako prediktory složení kořenových exudátů
Vlastnosti kořenů včetně kořenových exudátů jsou klíčovým faktorem interakcí rostlin s půdou a hrají důležitou roli ve fungování ekosystémů. Jejich variabilita je však málo známá. Určili jsme relativní význam fylogeneze a ekologie druhů při určování kořenových znaků a zkoumali jsme, zda lze složení kořenového exudátu předpovědět pomocí jiných kořenových znaků. Měřili jsme různé morfologické a biochemické vlastnosti kořenů 65 druhů rostlin v kontrolovaném systému a identifikoval jsme vlivy fylogeneze a druhové ekologie na vlastnosti. Složení kořenových exudátů jsme předpovídali také pomocí dalších znaků kořenů.
Fylogenetický signál se mezi jednotlivými znaky kořenů značně lišil, přičemž nejsilnější byl signál v obsahu fenolu v rostlinných pletivech. Mezidruhové rozdíly v kořenových znacích byly částečně vysvětleny druhovou ekologií, ale fylogeneze byla ve většině případů důležitější. Druhové složení exudátu bylo možné částečně předpovědět na základě morfologie kořenů, ale velká část variability zůstala nevysvětlena. Exudaci kořenů tedy nelze snadno předpovědět na základě jiných znaků kořenů a k pochopení jejich rozmanitosti je zapotřebí více srovnávacích údajů o exudaci kořenů.
- Rathore N., Hanzelková V., Dostálek T., Semerád J., Schnablová R., Cajthaml T. & Münzbergová Z. 2023: Species phylogeny, ecology, and root traits as predictors of root exudate composition. New Phytologist 239, 1212 – 1224. doi:10.1111/nph.19060
Po kultivaci ve sterilním písku byl podrobně analyzován kořenový systém rostlin (vpravo nahoře) a metabolický profil kořenových exudátů (vpravo dole).
4/ Rozdíly ve fitness i nice jsou stejně důležité pro vysvětlení odpovědi druhové diverzity na dodání živin
Eutrofizace často způsobuje pokles druhové diverzity temperátních trávníků. Vysvětluje se zvýšenou kompetiční asymetrií mezi vítězi (typicky vysoké rostliny z úživných stanovišť) a poraženými eutrofizace (nízké rostliny z neproduktivních míst). V této studii jsem použil rámec moderní teorie koexistence, abych zjistil vliv dodaných živin na změny rozdílů ve fitness a nice kompetitorů. Efekt živin byl studován pro různé kombinace předem identifikovaných vítězů a poražených eutrofizace. Zjistil jsem, že fertilizace snižuje pravděpodobnost koexistence poražených druhů interagujících s vítězi, ale také s jinými poraženými druhy. Naopak dodání živin podpořilo koexistenci vítězů. Možným vysvětlením je zvýšení rozdílů ve fitness mezi poraženými a vítězi. Mezi vítězi se rozdíly ve fitness po dodání živin nezměnily. Koexistence vítězných druhů byla také podpořena velkými rozdíly v nice, které byly naopak velmi malé mezi poraženými. Výsledky ukazují, že efekt eutrofizace na druhovou diverzitu travních společenstev nelze jednoduše vysvětlit kompetiční asymetrií.
- Dostál P. 2023: Fitness and niche differences are both important in explaining responses of plant diversity to nutrient addition. Ecology 104, 1 – 14. doi:10.1002/ecy.4125
Studium interspecifické kompetice mezi druhem Plantago media a Bromus erectus
5/ Vývoj rostlinného těla ve vztahu k suchu
Přirozený výběr suchem tlačí rostliny do rozmanitých forem stavby vodivých pletiv, jejichž komplexita byla podmínkou rozšíření rostlin na souši a jejich vyššího vzrůstu. Analýza sítí vodivých buněk žijících, zkamenělých i idealizovaných rostlin ukázala, že je vliv sucha tlačí do tvarů s tím vyšší komplexitou, čím je rostlina větší. Výsledek tak řeší stoletou otázku komplexity cévních svazků a mění interpretaci této klíčové kapitoly evoluce rostlin. Přínos může mít pro šlechtění odolných plodin.
- Bouda, M. Huggett, K. Prats, J. Wason, J. Wilson, C. Brodersen. (2022) Hydraulic failure as a primary driver of xylem network evolution in early vascular plants. Science. 378(6620): 642-646. doi: 10.1126/science.add2910
Zkamenělý kmen stromové kapradiny Dernbachia brasiliensis z permu (před 250-300 milony let). Vodivé pletivo (xylém) zvýrazněné modře. [© Ludwig Luthardt, Museum für Naturkunde, Berlin. CC-BY licence.]
6/ Evoluce plasticity a přežívání populací domácích druhů
Evoluce fenotypické plasticity v reakci na zastínění napomáhá domácímu druhu přežít v invadovaných stanovištích.
- Dostál P. 2022: Evolution of plasticity prevents postinvasion extinction of a native forb. Proceedings of The National Academy of Sciences of The United States of America 119, 1 – 7.doi:10.1073/pnas.2118866119
Rozrazil rezekvítek (Veronica chamaedrys), domácí druh schopný přežít invazi nepůvodního druhu díky rychlé evoluci. Autor: Bff – Vlastní dílo, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=9880652
7/ Evoluce klonálního růstu u krytosemenných
Rostliny se rozmnožují semeny, ale mnoho rostlin se rozmnožuje i klonálně pomocí šlahounů, oddenků nebo kořenů. Jakkoliv je klonalita u rostlin častá, je na okraji badatelské pozornosti; nevíme ani jak se vyvíjela během evoluce, ani co svým nositelům umožňuje. To jsme hledali fylogenetickou analýzou ca. 3000 druhů evropské flóry. Ta ukázala velkou evoluční flexibilitu klonality. Rostliny tedy mohou pružně dosáhnout na její funkční výhody, když to prostředí vyžaduje, a stejně snadno se jí zbavit.
- Herben T. & Klimešová J. (2020). Evolution of clonal growth forms in angiosperms. New Phytologist 225: 999-1010. Doi: 10.1111/nph.16188.
Rozmanitost orgánů klonálního rozmnožování u rostlin.
8/ Jemná struktura kořenů v lučních společenstvech
Rostliny se studují snadněji než zvířata, protože se nepohybují, ale (větší) polovina jejich těl je nepřístupná, protože jsou skryty v půdě a nenesou žádné snadno přístupné identifikační znaky. Konkrétně přiřazení kořenů druhům v terénu, což je nezbytná podmínka pro pochopení interakce druhů, je již dlouho záhadou. Přitom toto porozumění je klíčové; kořeny hledají živiny v půdě a reagují na jejich koncentrace, ale naše dosavadní znalosti o tom pocházejí takřka bez výjimky z umělých experimentálních podmínek. Skutečná role kořenových interakcí v terénu je v důsledku toho zcela neznámá. Tuto překážku jsme překonali pomocí kvantitativní real-time PCR; ta nám umožnila a identifikovat kořeny všech druhů v lučním společenstvu a určit jejich množství. To nám poskytlo obraz kořenových interakcí v terénu. Ukázali jsme tak, že interakce mezi kořeny a jejich agregace se silně mění s dostupností živin a celkovou hustotou kořenů: kořeny jsou podstatně jemněji propletené v mělké půdě bohaté na živiny, ale chovají se mnohem individualističtěji v hlubších vrstvách chudých na živiny.
- Herben T., Balšánková T., Hadincová V., Krahulec F., Pecháčková S., Skálová H., Krak K. (2020). Fine‐scale root community structure in the field: species aggregations change with root density. Journal of Ecology 108: 1738-1749. DOI: 10.1111/1365-2745.13372.
9/ Růst druhů z úživných stanovišť je méně redukován kompeticí a půdní mikrobiotou po dodání živin
Kompetice a zpětná vazba mezi rostlinami a půdním prostředím (PSF) negativně ovlivňují performanci jedinců. Tyto mechanismy kontrolující hojnost druhů a tak udržují diversitu společenstev. Dostupnost živin může ovlivňovat sílu těchto mechanismů, avšak odlišně u různých druhů. Ukázali jsme, že dodání živin více oslabuje negativní dopady kompetice a PSF na rostliny z živinami bohatých než chudých stanovišť, což může vést k jejich dominanci a ztrátě druhové diverzity.
- Klinerová T.& Dostál P. (2020). Nutrient‐demanding species face less negative competition and plant-soil feedback effects in a nutrient‐rich environment. New Phytologist 225:1343–1354. doi:10.1111/nph.16227
Výsledky studie byly získány pomocí rozsáhlého zahradního experimentu se zahrnutím více než 40 lučních druhů.
10/ Zhodnocení vlivu biotických a abiotických složek zpětné vazby rostlina-půda u rostlin primární sukcese
Výsledky květináčového experimentu ukázaly, že raně sukcesní rostliny akumulují v půdě více patogenních hub než rostliny střední sukcese. Naopak růst rostlin byl v těchto půdách nejčastěji určován rostlinami indukovanými změnami v abiotických podmínkách; biotické změny měly vliv na klíčivost.
- Kuťáková E., Meszárošová L., Baldrian P. & Münzbergová Z. (2020). Evaluating the role of biotic and chemical components of plant-soil feedback of primary successional plants. Biology and Fertility of Soils 56 (3): 345-358.
Semenáč krvavce menšího v primárně sukcesní půdě.
11/ Heterogenita tlakových gradientů in vivo zvyšuje průtok úzkými cévami vinné révy
Tato studie jako první kombinuje 3D rekonstrukci rentgenové mikrotomografie rostlinného stonku s magnetickou rezonancí vodního toku v něm. Zjištěné průtoky jsou oproti teoretickým předpokladům asi o čtvrtinu nižší v nejširších cévách a odpovídajícím způsobem zvýšené v užších cévách. Tento výsledek zpochybňuje dosavadní výklad hydraulického fungování rostlinného stonku a odhaluje nové principy jeho konstrukce, jimiž se řídí jeho evoluce. Výsledek má potenciální uplatnění při šlechtění rostlin odolných vůči suchu..
- Bouda M., Windt C. W., McElrone A. J. & Brodersen C. R. (2019). In vivo pressure gradient heterogeneity increases flow contribution of small diameter vessels in grapevine. Nature Communications: 10 (1) 1-10. DOI:10.1038/s41467-019-13673-6.
Průřez stonkem vinné révy: jedinečná kombinace rentgenové mikrotomografie v rezoluci 3,2 μm s údaji o síle průtoku z magnetické rezonance (cévy vybarvené podle síly toku, červená znázorňuje nejsilnější toky). Kredit: Craig Brodersen.
12/ DNA metylace jako možný mechanismus ovlivňující schopnost přirozených populací adaptovat se na měnící se klima
Výsledky naznačují, že metylace DNA může modifikovat reakci klonální trávy na vlhkost. Metylace DNA může tedy ovlivnit schopnost klonálních rostlin přizpůsobit se novým klimatickým podmínkám. I přes významné interakce mezi populací původu a demetylací naše data neposkytují jasný důkaz, že DNA metylace umožnila přizpůsobení různým prostředím. Ve skutečnosti jsme získali silnější důkazy o lokální adaptaci v demetylovaných než v přirozeně metylovaných rostlinách. Protože změny v metylaci DNA mohou být docela dynamické je možné, že epigenetická variace může maskovat přizpůsobení rostlin podmínkám jejich původu v důsledku předběžné kultivace rostlin za standardizovaných podmínek. Tato možnost by měla být zvážena v budoucích experimentech zkoumajících adaptace rostlin.
- Münzbergová Z, Latzel V., Šurinová M., Hadincová V. (2019). DNA methylation as a possible mechanism affecting ability of natural populations to adapt to changing climate. Oikos, 128: 124-134.
13/ Hojnost rostlin v experimentálních společenstvech jako výsledek mezidruhových rozdílů ve fitness a samoregulaci
Doposud zůstává neobjasněno, které mechanismy jsou zodpovědné za rozdíly v lokální hojnosti rostlin. Lokální vzácnost druhů může být kvůli jejich nízké kompetiční schopnosti anebo z důvodu silné samoregulace. Ty samé mechanismy mohou být zodpovědné za nárůst biomasy těchto druhů v druhově bohatých společenstvech. V této studii jsme chtěli zjistit, který z uvedených mechanismů nejlépe predikuje lokální hojnost a produktivitu rostlin v experimentálních společenstvech. Za tímto účelem jsme zjišťovali vegetativní růst, kompetiční schopnost a samoregulaci ca 50 druhů rostlin, a tyto informace jsme propojili s hojností a produktivitou těchto druhů v experimentálních společenstvech projektu JENA. Zjistili jsme, že lokálně vzácné druhy jsou ty s malou mírou vegetativní reprodukce, tzn. u druhů s malým fitness. Produktivita v druhově bohatých společenstvech pak rostla zejména u druhů s vysokou mírou samoregulace.
- Dostál P., Tasevová K. & Klinerová T. (2019). Linking species abundance and overyielding from experimental communities with niche and fitness characteristics. Journal of Ecology 107: 178-189.