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
