Vedoucí: Ing. Mgr. Pavel Trávníček, Ph.D.

Lidé ׀ Grantové projekty׀ Publikace ׀ Web oddělení

Hlavním předmětem výzkumu jsou vlastní evoluční procesy a jejich vliv na rozpoznávanou biodiverzitu. Geograficky je výzkum zacílen především na Eurasii, rovníkové Andy a Kapskou květennou oblast. Základním principem práce je kombinace terénních, experimentálních a laboratorních přístupů. Nedílnou součástí oddělení je laboratoř průtokové cytometrie.

Výzkumná témata

• Změny na úrovni jedinců a jejich genomů (horizontální přenos genů, endopolyploidizace, cytogenetika)
• Mikroevoluční procesy na úrovni populací (interakce mezi cytotypy, fylogeografie, atd.)
• Vzájemné vztahy na druhové úrovni (evoluce diploidně-polyploidních komplexů, hybridní speciace, molekulární systematika, atd.)
• Detekování evolučních sil uplatňujících se na rodové a vyšší úrovni (např. důvody rozdílné radiace)

Vybrané výsledky z posledních let

1/ Starověká hybridizace v rámci rodu Curcuma (Zingiberaceae) – urychlovač nebo brzda v diverzifikaci linií?

Hybridizace je rozšířeným fenoménem v evoluci rostlin a zkoumání její role je zásadní pro pochopení procesů diverzifikace mnoha taxonomických skupin. V poslední době se pozornost zaměřuje na roli starověké hybridizace, která se opakovaně ukázala jako možný spouštěč evoluční radiace, i když v některých případech může diverzifikaci druhů spíše bránit. Příčiny, četnost a důsledky starověké hybridizace jsou zatím málo prozkoumané. V této studii uvádíme popis několika událostí starověké hybridizace v rámci ekonomicky významného rostlinného rodu Curcuma (Zingiberaceae), který čítá asi 130 známých druhů. Analyzovali jsme 1094 genů nDNA a plastomů získaných sekvenováním nové generace 37 druhů kurkum, které představují známou genetickou diverzitu a pokrývají geografické rozšíření rodu. Pomocí rekonstrukcí fylogenetických sítí ukazujeme, že celý rod Curcuma i některé jeho linie vznikly za působení introgrese. Také dokumentujeme jedinou událost starověké hybridizace, která představuje evoluční slepou uličku. Dále diskutujeme odlišné okolnosti těchto hybridizačních událostí, které se zabývají hlavně nekompatibilitou chromosomových počtů jednotlivých rodičovských linií.

Spolupracující subjekt: Katedra botaniky PřF UK

• Skopalíková J., Leong-Škorničková J., Šída O., Newman M., Chumová Z., Zeisek V., Jarolímová V., Dalberg Poulsen A., Dantas-Queiroz M. V., Fér T. & Záveská E. 2023: Ancient hybridization in Curcuma (Zingiberaceae) – Accelerator or brake in lineage diversifications? Plant Journal 116, 773 – 785. https://doi.org/10.1111/tpj.16408

Kurkuma dlouhá (Curcuma longa ) – nejznámější a ekonomicky nejvýznamnější druh rodu Curcuma, jehož evoluční historie byla ovlivněna starověkou hybridizací.

2/ Variabilita telomerových sekvencí v přírodních populacích rostlin: dva různé typy satelitní DNA a jejich neobvyklé blokové uspořadání

Článek Belyayeva a kol. (2023) zkoumá variabilitu telomerových sekvencí v přírodních populacích rostlin se zaměřením na čtyři druhy rodu Chenopodium prostřednictvím Oxford Nanopore sekvenování a fluorescenční in situ hybridizace. Studie odhalila významné rozdíly ve struktuře telomerových repetic a jejich lokalizaci na chromosomech. Konkrétně popisuje mozaikové repetivní sekvence, které jsou tvořeny kombinací dvou monomerů. Jednak motivů typu Arabidopsis (TTTAGGG) a nově popsanými, odvozenými motivy (TTTAAAA). Tato zjištění naznačují, že rozdíly v telomerických sekvencích mohou přispívat k variabilitě rostlin na genomické úrovni. Autoři popisuji dva alternativní modely vzniku odvozených telomerových sekvencí.

Spolupracující subjekt: Česká zemědělská univerzita; University of Helsinky, Finsko; Nazarbayev University, Kazachstán

• Belyayev A., Kalendar R., Josefiová J., Paštová L., Habibi F., Mahelka V., Mandák B. & Krak K. 2023: Telomere sequence variability in genotypes from natural plant populations: unusual block-organized double-monomer terminal telomeric arrays. BMC Genomics 24, 1 – 11. doi:1186/s12864-023-09657-y

Fluorescenční in situ hybridizace telomerických repetitivních sekvencí druhu Chenopodium iljinii. Repetitivní sekvence typu Arabidopsis (TTTAGGG) jsou označeny červenou barvou, nově popsané odvozené sekvence (TTTAAAA) jsou označeny zeleně. Šipky ukazují klastry repetitivních sekvencí s kombinovanou (TTTAGGG+TTTAAAA) strukturou.

3/ Vztah transposonů a ekologie u rodu Pteronia

V rámci studia Kapské květeny jsme se zaměřili na výzkum rodu Pteronia (hvězdnicovité), který představuje jeden z velmi diverzifikovaných endemických rodů místní flóry. V první fázi jsme na základě širokého screeningu ca 60 zástupců rodu vytipovali 31 diploidních druhů, u kterých byla navíc detekována významná variabilita ve velikosti genomu. U těchto druhů jsme rekonstruovali fylogenetické vztahy s využitím cíleného obohacení specifických úseků DNA a následného sekvenování metodou Illumina. Tytéž vzorky byly použity i na sekvenování s nízkým pokrytím celého genomu za účelem získání kvalitativních i kvantitativních informací o opakujících se elementech genomů (transposonů, satelitní DNA, atp.) pro komparativní analýzu. Naše výsledky ukázaly, že změna velikosti genomu je spojená s rapidním nárůstem Tekay elementů z Ty3-gypsy rodiny a je navázána výlučně na ty druhy, které rostou pouze ve fynbosu (specifická vegetace mediteránního typu Kapské oblasti). Lze předpokládat, že nárůst velikosti genomu spojený s výraznou akumulací Tekay elementů je úzce spjat s přechodem druhů původně adaptovaných na aridní vegetaci sukuletního karoo do fynbosu.

• Chumová Z., Belyayev A., Mandáková T., Zeisek V., Hodková E., Šemberová K., Euston-Brown D. & Trávníček P. 2022: The relationship between transposable elements and ecological niches in the Greater Cape Floristic Region: A study on the genus Pteronia (Asteraceae). Frontiers in Plant Science 13, 1 – 18. doi: 3389/fpls.2022.982852

Fylogeneze druhů rodu Pteronia se zjištěnými rodinami satelitní DNA. (A) Druhový strom ASTRAL rodu Pteronia založený na 244 jaderných lokusech COS s evolucí velikosti genomu. (B-D) Lokalizace chromozomů satelitních rodin 1 (zeleně), 2 (červeně) a 4 (purpurově) zobrazená u P. unguiculata (B), P. ovalifolia (C) a P. incana (D).

4/ CACTA transposony u rodu merlík (Chenopodium)

CACTA transposony představují jednu z nejčastěji se vyskytujících se rodin Class 2 (tzv. Cut-and paste) transposonů. V této studii jsme pomocí technologie Illumina sekvenovali s nízkým pokrytím genomy 22 druhů ze skupiny Chenopodium album agg a identifikovali úplné sekvence CACTA elementů, které jsme podrobili komparativním analýzám.

Odhalili jsme, že CACTA elementy se vyznačují proměnlivou strukturou. Celkem jsme identifikovali čtyři typy těchto elementů, lišících se počtem a kombinací konzervovaných proteinových domén. U některých z nich jsme identifikovali přítomnost kódujících sekvencí, představující fragmenty genů zodpovědných za regulaci kvetení. U některých studovaných druhů se vyskytovaly současně dva různé typy CACTA elementů. Analýzou veřejně dostupných databází  sekvencí DNA jsme zjistili, že tyto různé typy CACTA elementů jsou zastoupeny i u jiných skupin krytosemenných rostlin.

CACTA transposony mají sice konzervovanou určitou elementární strukturu sekvence DNA,  na druhou stranu nad rámec této struktury kumulují širokou škálu modifikací kódujících i nekódujících sekvencí. Takto pozměněné CACTA elementy můžou získat nové funkční vlastnosti, které můžou ovlivnit evoluční trajektorii hostitelského genomu.

• Belyayev A., Josefiová J., Jandová M., Kalendar R., Mahelka V., Mandák B. & Krak K. 2022: The structural diversity of CACTA transposons in genomes of Chenopodium (Amaranthaceae, Caryophyllales) species: specific traits and comparison with the similar elements of angiosperms. Mobile DNA 13, 1 – 16. doi:1186/s13100-022-00265-3

A) Schematická reprezetace čtyř typů CACTA elementů, vymezených na základě variability počtu a kombinace protein kódujících domén. B) Rozšíření těchto typů v rámci krytosemenných rostlin. Výskyt určitého typu CACTA transposonu je definován barvenými hvězdičkami. Řád  Carophyllales do kterého patří rod Chenopodium je zvýrazněn červeně.

5/ Chromozomální fragment z prosa, vnesený před několika miliony let do genomů ječmenů, obsahuje sadu genů souvisejících se stresem.

V evoluci rodu ječmen (Hordeum) došlo k vícenásobnému horizontálnímu přenosu genetické informace z panikoidních trav. Při jedné z těchto událostí byla přenesena DNA ze zástupce rodu proso (Panicum) do genomu předka ječmenů sekce Stenostachys. Přeneseno bylo pravděpodobně více fragmentů chromozomů z prosa, které byly v genomu ječmene přeskupeny do jednoho cizorodého fragmentu. Ten obsahuje několik protein-kódující genů, a dále ribozomální DNA a transponovatelné elementy. Panikoidní protein-kódující geny hrají roli ve stresových podmínkách, přičemž minimálně jeden se jeví jako potenciálně funkční u současných ječmenů. Horizontální přenos tak mohl sehrát roli v adaptaci ječmenů na měnící se prostředí.

• Mahelka V., Krak K., Fehrer J., Caklová P., Nagy Nejedlá M., Čegan R., Kopecký D. & Šafář J. 2021: A Panicum-derived chromosomal segment captured by Hordeum a few million years ago preserves a set of stress-related genes. Plant Journal 105, 1141 – 1164. doi:10.1111/tpj.15167

Druhy divokého ječmene (Hordeum) nesou chromozomální segment, který byl přenesen z prosa (Panicum). Zatímco linie pooidních a panikoidních trav se rozdělily asi před 50 miliony let, fragment DNA původem z prosa byl do ječmene přenesen před 2,9 až 1,7 miliony let. Fragment obsahuje protein-kódující geny, ribozomální DNA (rDNA) a transponovatelné elementy (TE). Před integrací do ječmene bylo několik různých fragmentů DNA z prosa přeskupeno do jednoho výsledného lokusu. Alespoň jeden z genů je potenciálně funkční.

6/ Zmnožení repetitivních úseků DNA a částečná endoreplikace společně utvářejí charakter evoluce velikosti genomu u orchidejí

Na modelové skupině orchidejí Pleurothallidinae jsme se pokusili posoudit roli zmnožení repetitivní DNA, chromozomální variability a typu endoreplikace v evoluci velikosti genomu. Orchideje jsou totiž jedinou skupinou rostlin, u níž je znám jedinečný typ endoreplikace, kdy se během diferenciace buněk duplikuje pouze druhově specifická část genomu. Náš výzkum ukázal, že částečná endoreplikace vede k přednostní replikaci funkčních částí genomu (např. genů). Naproti tomu části genomu bohaté na repetitivní sekvence, tj. ty, které nekódují geny, a tudíž se neprojevují ve vlastnostech organismů, se během endoreplikace nereplikují. Navíc jsme prokázali, že evoluce genomu na úrovni druhu probíhá dvojím tempem: zatímco kódující část genomu je u blízce příbuzných druhů víceméně konstantní, část DNA obsahující nekódující oblasti se neustále mění a s ní i celková velikost genomu. To vede, mimo jiné, i ke kromobyčejné variabilitě velikosti genomu u orchidejí.

• Chumová Z., Záveská E., Hloušková P., Ponert J., Schmidt P.-A., Čertner M., Mandáková T. & Trávníček P. 2021: Repeat proliferation and partial endoreplication jointly shape the patterns of genome size evolution in orchids. Plant Journal 107, 511 – 524. doi:10.1111/tpj.15306

Obrázky květů zástupců zájmové skupiny orchidejí Pleurothaliidinae seřazené od nejpůvodnějších (vpravo dole) po nejodvozenější (vlevo nahoře). Neobvyklou morfologickou rozmanitost doprovází unikátní vlastnost genomu, dosud neobjevená u jiných organismů krom orchidejí, která má zásadní vliv na jejich evoluci velikosti genomu.