Biodiverzita hmyzu (4. přednáška)

Biodiverzita hmyzu
Genetická diverzita hmyzu
Obsah
•
•
•
•
•
•
proč genetická diverzita a jak velká?
netypické chromozomální výbavy
symbionti – fakultativní i obligatorní
určení pohlaví u hmyzu a různé odchylky
partenogeneze
studium genetické diverzity
Jaká je potřebná genetická
diverzita?
• genetická uniformnost napomáhá
parazitům a nemocím
• efekt monokultur
• efekt zakladatele (bottleneck effect),
biparentální inbreeding, samooplození
Drosophilla melanogaster
•
•
•
vzrůst napadených jedinců v inbridní
populaci ovlivňuje počet alel
rezistentních k nemocím a ne celkově
nízký počet alel při inbreedingu (fast –
slow inbreeding)
Bacillus thuringiensis a Serratia
marcescens
Podobně u Tribolium castaneum se
zvýšilo % mrtvých jedinců (napadení
od microsporidia Nosema whitei), ale
bylo to způsobeno prodloužením
vývojového času z vajíčka po larvu
než samotným snížením rezistence
Spielmann et al. 2004
Královny blanokřídlého hmyzu
•
•
•
existuje spousta studií, které dokazují, že
opakované páření královen dává rezistentnější
kolonie
např. u včely medonosné se zkoušelo paření
jedním a 10 trubci – nutnost uvážit výhody a
nevýhody ve vztahu ke kooperaci (Seeley & Tarpy,
2007)
podobně u polygynních kolonií – mravenec
Cardiocondyla obscurior (Ugelvig et al. 2010)
Další strategie
• Grillus bimaculatus –
samička se nemůže
dispergovat, ale pro
oplození vajíček si vybírá
spermie nepříbuzných
samců
• Locusta migratoria –
vajíčka po spáření s
nepříbuznými samci mají
větší pravděpodobnost
vylíhnutí
(Bretman et al. 2004)
Různé formy polyandrie
Tabadkani et al. 2012
Disperze
Tabadkani et al. 2012
Rozpoznání se
Tabadkani et al. 2012
Tabadkani et al. 2012
Melittobia spp. (Hymenoptera:
Chalcidoidea)
Matthews et al. 2009
Melittobia spp. (Hymenoptera:
Chalcidoidea)
Matthews et al. 2009
Melittobia spp. (Hymenoptera:
Chalcidoidea)
Matthews et al. 2009
Polytenní chromozomy
-
vznikají masovou replikací chromozomů či jejich částí
neredukují se při dělení bb
zajišťují masovou expresi
ve slinných žlazách, středním střevě a tukovém tělese, Malphigiho trubicích
Chironomidae, Drosophilidae, Cecidomyiidae, Sciaridae
larvy Chironomidae lze určit do druhu dle vizuálu pol. chromozomů
také u chvostoskoků
u některých dvoukřídlých dochází k jejich namnožení před kuklením…
(např. produkce lepivých sekretů před kuklením u Drosophila)
Balbiani 1881
Chironomus sp.
Axarus sp.
B chromozomy
- ve spoustě organizmů
- pravděpodobně
oddělení z chromozomů
jedince
- také při mezidruhovém
křížení
- akumulují se v
germinální linii, častější
replikace
- u Nasonia vitripennis způsobuje produkci samců z
oplozeného vajíčka
- i v rámci druhů
individuální počty
- není nezbytný pro
jedince, ale může působit
pozitivně na evoluci
taxonu
- moc se neví proč
Symbionti
•
•
Extra- i nitrobuněční
Mimo mitochondrií také viry, bakterie, kvasinky, riketsie, prvoci atd.
– hostitelé z různých taxonů (vši, termiti, rovnokřídlí, křísi,
břichosaví, brouci, dvoukřídlí, blanokřídlí)
• Symbionti buď pohlavně přenosní nebo na povrchu vajíček, výkalů
atd.
• Nejen v gonádách, ale také ve střevě, Malphigiho trubicích, tukovém
tělese, stěně střeva…
• Nesnadná kultivace, ale nutnost pro hmyzáky (špatný vývin,
nemnožení se atd.) – viz Buchnera aphidicola
• Buchnera aphidicola je obligátní symbiontní endocelulární bakterie
mšic – produkuje esenciální AMK a ovlivňuje termální adaptaci
Symbionti ovlivňující rozmnožování
- např. u mšic je mimo
Buchnera aphidicola známo
dalších 7 fakultativních
endosymbiontů
- Spiroplasma má zjevný
viv na produkci samců –
vznik tzv. male-killing
phenotype!
Simon et al. 2011, Plos ONE
Křísek Euscelidius variegatus
• jeden z nejstudovanějších druhů
v rámci křísů
• symbionti se podílí na správném
vývinu vajíček, syntetizují
vitamíny a aminokyseliny,
rozkládají kys. močovou atd.
• transfer části genetického
materiálu ze symbiontů do
genomu hostitele
• genom symbiontů je často
zmenšený
• všechny asociace jsou poměrně
staré (vždy spadají do období
společného předka)
Degnan et al. 2011, Curr Microbiol
Křísek Euscelidius variegatus
•
•
•
•
•
•
•
BEV – recently bacterial
evolved endosymbionts
přenos z rostlin
lze na ní sledovat postupné
procesy obligátního soužití s
hostitelem - předpoklady v
plazmidech – ca 15 plazmidů s
inzerčními vlastnostmi
velký genom oproti obligátním
symbiotům
lze kultivovat!
na kříska nemá žádný zásadní
vliv, vyskytuje se v jeho
gonádách
při transmisi do jiného druhu se
chová velmi patogenně a snad
snižuje fitness hostitele
Glossina morsintans
• schopnost virulence
trypanosomou závisí na
napadení riketsiemi
(tzv. riketsia-like
organism - RO)
• RO produkují
endochitinázy ve střevě
mouchy, které inhibují
lektiny – nenapadená
moucha je více odolná
trypanosomě
Welburn et al. 1993, Parasitology
„Bugs within bugs within melaybugs“
• Sterrnorhycha - symbionti v cytoplazmě
(vznik se datuje před 100 – 250 Myr)
• Ve specializovaných orgánech (bacteriom)
uvnitř cytoplazmy polyploidních buněk
• Pomáhají metabolizovat
• U Planoccocus citri ne jeden typ bakterie,
ale i druhý uvnitř prvního typu! (parazit?,
endosymbiont?)
von Dohlen et al. 2001, Nature
Wolbachia
•
•
•
•
•
•
nesnadná kultivace mimo hostitele
žije v cytoplazmě hostitele, přenosná po
mateřské linii
malý genom – 1,6 Mb (oproti E. colii –
4,7 Mb)
mimo členovců (odhaduje se, že je v 17
– 76% všech hmyzů, ve 35%
suchozemských Isopoda a 43%
roztočů), také v hlístech
u hlístů koresponduje fylogeneze
Wolbachia s hostiteli (Bazzochi et al.
2000, Curr. Microbiol.) a lze tedy
předpokládat velmi starou koevoluci
neplatí pro Arthropoda (spousta
známých horizontálních přenosů a
proto asi ani ne tak staré soužití), ale
samozřejmě se přenáší i vertikálně!
Wolbachia
• Wolbachia modifikuje spermie jsou zabity, pokud se potkají s
vajíčkem napadeným jinou
Wolbachií nebo nenapadeným –
cytoplazmatická inkompatibilita
• zabíjení samců - Adalia bipunctata,
Acraea encedon, Drosophila
bifasciata (napadení samčích
embrií – Hurst et al. 2000)
• Feminizace – napadení samci se
jeví fenotypově jako samice
(Rousett et al. 1992)
• Ovlivňuje poměr pohlaví – až
thelytokie (typické pro blanokřídlé)
Wolbachia
• Cytoplasmatická inkompatibilita
• Inkompatibilita není vždy 100% (vliv vysoké teploty,
tetracyklin)
• Nejrozšířenější mezi Hymenoptera
celkem v 70 druzích blanokřídlého hmyzu (Aphelinidae,
Encyrtidae, Eulophidae, Torymidae, Pteromalidae,
Trichogrammatidae, Cynipidae, Eucoilidae, Braconidae,
Ichneumonidae, Proctotrupidae) + 3 Tachinidae
Wolbachia
• nákaza horizontálním přenosem mezi blízce příbuznými
druhy (larvy v hostiteli – Huigens et al. 2004)
• některé druhy hmyzu byly napadeny Wolbachií vícekrát
než jednou (2x i 3x) – Jeyaprakash and Hoy, 2001
• předek Wolbachie je znám z období před 80 až 100 mil.
let
• experimentálně také přenesena do parazitoidů z
hostitelů napadených Wolbachií – povedlo se, ale bez
fenotypových projevů (van Meer and Stouthamer, 1999)
• dvě linie A a B (oddělené od sebe asi 58 – 67 Mya) (C a
D linie je v hlístech a je starší)
Wolbachia – vliv na speciaci
•
•
•
1. reprodukční izolace – dvě populace,
které jsou spolu neplodné (populace
napadených jedinců bude asi větší)
2. indukce thelytokie – Encarsia formosa
(Cook and Butcher, 1999) a spousta
dalších par. vosiček
- u Trichogramma byla pozorována
nesegregace chromozomů v redukčním
dělení
3. obousměrná cytoplazmatická
inkompatibilita – motor sympatrické
speciace - Nasonia
Wolbachia - využití
• u vosiček z rodu
Trichogramma byla
Wolbachia použita k indukci
thelytokie u druhu T.
dendrolimi (původně v druhu
T. pretiosum)
• snaha získat pouze samice
(udržela se min. 26
generací, ale thelytokie
nebyla 100% pravděpodobná nízká
nákaza již v začátcích
pokusu)
Grenier et al., 1998
PolyDNAviry
• Viry známé pouze z parazitických skupin blanokřídlých
(Braconidae a Ichneumonidae) - Federici & Bigot 2003
• Poly DNA-viry – genom rozdělený na několik kruhových
samostatných částí – nejde už o symbiózu
• Pomáhají svým hostitelům při napadení hostitele
• Bracoviry a Ichnoviry – dvě linie, jsou uloženy v ovariích
• Spouští imunitní odpovědi těla hostitele – encapsulace
vajíček (larev) parazitoidů
• Množí se ve vaječnících samic (ve speciálních váčcích)
• Vpravovány do těla hostitele vždy při kladení vajíček s
proteiny jedových žláz (Asgari & Schmidt 1994)
Určení pohlaví/Sex determination
• Bridges (1921) – určení pohlaví
pomocí poměru pohlavních
chromozomů a autozomů (D.
melanogaster), před ním také
Dzierzon 1845 a McClung 1902
• XX/XY, ZW/WW, XX/XO
• Drosophila melanogaster,
Caenorhabditis elegans, Mus
domesticus, Apis mellifera,
Nasonia vitripennis a pak ještě
spousta dvoukřídlých
• Určení pohlaví závisí na několika
faktorech
Určení pohlaví
• Rychlá vs. pomalá evoluce – část genů se
mění poměrně rychle a část pomaleji
(geny, které mají přímý vliv na určení
pohlaví jsou poměrně stabilní, kdežto geny
které jsou spouštěcí pro ty
downstreamové geny jsou poměrně pod
rychlou evolucí)
• Tzn. částečně pod velkým evolučním
tlakem, částečně v constrains
U kterých hmyzů se zkoumá/lo
Určení pohlaví
Určení pohlaví
•
•
•
•
genetické rozlišení pohlaví se datuje do období před Cambriem (530
Mya) – tj. před Arthropoda, Chordata a Nematoda
u savců je určení pohlaví mnohem konzervativnější než u hmyzu
(všichni včetně vačnatců mají Y chromozom – mimo rypoše lysého
(naked mole rat)) – určeno Sry genem (nejméně 130 Mya, další
geny v kaskádě mají i jiní obratlovci)
Hmyz úplně divný!
- intraspecifické odchylky (část determinována jako XX/XY, část
pomocí maskulinizačních (M) genů na autozomech a část
(homozygotní v M genech) pomocí dalších female determinig genes
(FD) – viz Musca domestica (Dübendorfer et al. 1992)
masculinizační geny známy i u dalších dipter (nemají rozeznatelné
rozdíly na autozomech) –Chironomus, Megaselia scalaris atd. – viz
předchozi tab.
Určení pohlaví
• Dle octomilky se myslelo, že
pohlaví je u hmyzu určeno
většinou genem Sxl (Sexlethal)
– top genové regulace pohlaví
(případně ještě SiS-a a pod ním
jsou 3 další důležité geny (tra –
transformer, tra 2 a dsx –
doublesex)
• Stáří Sxl se neví, ale DSX je
cca 60 Mya a měl by to být
jeden z těch starších v
kaskádě)
Určen pohlaví (obratlovci vs. hmyz)
Marín & Baker 1998, Science
Určení pohlaví u hmyzu
Určení pohlaví u hmyzu
Pohlaví je tedy v zygotě určeno produkcí:
• feminizačních aktivit (D. melanogaster nebo A. mellifera) – tra geny
zapínají
• maskulinizačních aktivit (M. domestica nebo Ceratitis capitata) – tra
geny vypínají
tra geny
• tra geny (resp. proteiny) – splicingové geny pro
dsx geny – při absenci produkce dsxM mRNA –
pravděpodobně tento typ vzniku samců platí pro
celé holometabola (také u motýlů)
• ale neví se, co dělají u Hemimetabola
• kdy se objevila jejich funkce vlivu na pohlaví? U
korýšů vůbec s pohlavím nesouvisí…
Haplodiploidie
• Haplodiploidie u třásněněk, některých červců, molic a
lýkožroutů, Micromaltidae, blanokřídlých, dále u roupů,
roztočů, vířníků, (Heimpel & de Boer 2008, Annu. Rev.
Entomol.)
• arrhenotokie a thelytokie
• u červců a molic se předpokládá, že arrhenotokie vznikla
pomocí PGE (paternal genom elimination) - ale recentní
data nejsou
• u Xyloborinae vzniká diploidní zygota, ale
endosymbiotické bakterie inaktivují samčí pohlavní geny
– takže pohlaví určuje samice, samci znikají z
neoplozených vajíček
• Celkem to vzniklo asi 12x (17x?) nezávisle
Haplodiploidie
• Nejprozkoumanější u blanokřídlých
• Tzv. arrhenotokie je ancestrální pro celé Hymenoptera,
další možnost vzniku haplodiploidie je PGE (paternal
genom elimination) – samci se vyvíjí z oplozeného
vajíčka, ale pak dojde k eliminaci jedné sady
chromozomů (u blanokřídlých pouze ve třech případech)
• Samozřejmě se vyskytuje i thelytokie
Hymenoptera
• XX/XO (heterozygotní vs. homo- nebo hemizygotní
samci)
Thelytokie
•
•
Určená buď geneticky nebo endosymbionty
Genetická thelytokie
1. automiktická – dochází ke crossingoveru a pak fúzují nepříbuzná
jádra – inbreeding je omezen genově (některé genomové oblasti
jsou hlídané proti homozygotnosti) – známo u 6 taxonů
2. apomiktická – nedochází ke crossinoveru
•
Endosymbiontně indukovaná thelytokie – Wolbachia, Cardinium –
známo u více než 75 druhů chalcidek a žlabatek
•
Je zajímavé, že kde je určení pomocí CSD, tak není
endosymbiontně indukovaná thelytokie
Heterogonie
• Typické pro žlabatky
• Jedna generace asexuální
druhá sexuální
• Střídání hostitelských dřevin nebo
různé tvary hálek – únik
parazitoidům
• Napadení Wolbachii
Partenogeneze u mšic
•
Holocyklické (zpravidla více rostlin) vs. anholocyklické mšice
(jedna rostlina)
Důvody vzniku
- evidence pro Wolbachii není, interspecifická hybridizace
(normálně vede k asexuálnímu rozmnožování, ale u mšic
vratné)
- rozhodně závislé na genech reagujících na fotoperiodu
(produkce hormonů)
- procesy determinace pohlaví neobjasněny
Výhoda – rychlé namnožení na zdroji, sex je třeba k přežití zimy
Nevýhoda – v asexuálních cyklech se více kumulují mutace (Müllerova
rohatka), ale zjištěny rekombinace v sex. i asexuálních generacích
(na specifických místech v genomu) – pomocí mikrosatelitů
Simon et al. 2002, TREE
Simon et al. 2002, TREE
Čel. Adelgidae
Havill & Foottit 2007, Annu. Rev. Entomol.
Studium genetické diverzity
• Na úroveň druhu a výše
• Pod úrovní druhu:
fylogeografické studie
populační studie
studie exprese na úrovni jedinců
Fylogeografické studie
•
•
Fylogeografie
Nejpoužívanější markery jsou AFLP,
mitochondriální geny, EPIC markers nebo
mikrosatelity
AFLP – DNA fingeprinting, spousta
dat, ale nízka reproduktibilita, porovnání
zastoupení různě dlouhých fragmentů
mt geny – hlavně cytb a COI (spousta
taxonů má kompletní mitochondriální genom)
EPIC markers – exon-primed introncrossing – markery využívající konzevativní
vlastnosti exonů a rychle mutující části intronů
– využitelné pro nemodelové organizmy,
spousta markerů,
microsatelity – polymorfní repetitivní sekvence, uvnitř sekvencí se
násobně opakují 2-nukleotidové (AC, AT, AG), 3-nukleotidové (AGC,
AAC, AAT) nebo 4-nukleotidové (ACAT, AAAT, AAAC) motivy, kódující
i nekódující
AFLP - použití
Vanessa
atalanta
Brattstöm et al. 2010, Ecol. entomology
AFLP - použití
Diplolepis rosae (žlabatka růžová)
- rozrůznění populací dle hostitelské rostliny (Rosa canina, R.
corymbifera, R. rubiginosa)
- partenogeneticky se množící – předpolad pro izolaci populací
(mylná domněnka, že jeden haplotyp na rostlinu)
- kontrola na Wolbachii
Kohnen et al. 2011, Biol. J. Linn. Soc.
- izolace DNA z jedné nohy
EPIC markers
•
•
•
•
•
poměrně nová záležitost
v budoucnu asi hodně využívaná
není tak nákladná jako vývoj satelitů, ale časově náročná
děláno u ryb a parazitických blanokřídlých
u blanokřídlých testováno na různých čeledích i
nadčeledích
• Řešena fylogeografie v rámci západoevropských refugiíí
Microsatelity - použití
•
•
•
Ficus sycomorus vs. opylovač Ceratosolen arabicus
opylení východo-západního gradientu
Ahmed et al. 2009, PNAS
schopnost migrace až na 160km, čož je výjimka!
Microsatelity
- použití
Cameraria ohridella vs. Aesculus
hypocastanum
- COI a 6 microsatellite loci
- původ na Balkáně, malá
schopnost šíření
Valade et al. 2009, Molecular Ecology
Microsatelity – použití
(populační studie)
Locusta migratoria – velmi dobře migrující druh, 3 poddruhy v Číně, míchání
populací, neplatí, musí mít odlišnou historii
9 microsatelitů
Zhang et al. 2009, BMC Evol. Biol.
Microarrays
Studie exprese na úrovni jedinců
•
•
lze s ním zjišťovat genovou expresi dílčích genů (ale u modelových
druhů! /), dokonce SNPs
izolace RNA, resp. cDNA a navázání na microarray proby na
destičce
Microarrays
Studie exprese na úrovni jedinců
Např. včela medonosná a test exprese genů u dělnic po
odstranění královny
rozdíl v expresi asi 1200 genů mezi plodícími a sterilními
dělnicemi
Cardoen et al. 2011, Mol. Ecol.
Příště:
Koevoluční důvody diverzity - parazitoidi a
herbivoři