VYUZITI
GEOMETRICKE MORFOMETRIE
PRO ROZLISENI
PLEMEN A LINII KAPRA OBECNEHO (CYPRINUS CARPIO, L.) Usage of Geometric Morphometry for differentiation of breeds and lineages of common carp (Cyprinus carpio) M. PETRTYL, L. KALOUS
Summary: Since 1996 the Czech governmental programme on gene resources conservation of commercially important fish species has supported in situ conservation of rare/endangered breeds of common carp (Cyprinus carpio; nine breeds) by keeping broodstock as live gene banks on selected farms. Effective population size Ne. is maintained at 120 individuals. Two more breeds were added later, so that currently the Programme includes 11 breeds and lineages of common carp. Genetic structure is currently being investigated by enzyme polymorphism analysis to determine the value added to the programme. The goal of this report is to propose evaluation of geomotric morphometry as an additional method for determination of genetic purity.
UvOD 11 plemen a linii kapra (Cyprinus carpio) je v soucasnosti zahrnuto do Narodniho programu uchovani a vyuziti genovych zdroju hospodarskych zvifat a uzitkovych zvifat, ryb a vcel. Pro podporu uddeni Cistych chovu maji chovatele moznost zadat
0
financni
dotaci na chov kmenoveho hejna, jehoz velikost byla stanovena na 120 ryb (Flajshans a kol., 1999; Slechta a kol., 1998). Jedina moznost, ktera umozni chovateli prokazat Cistotu chovu a jeho uznani pro udeleni dotace, je vyuziti genetickych metod. Jako referencni metodu urcuje zakon c. 154/2000 Sb.,
0
slechteni, plemenitbe a evidenci hospodarskych zvifat elektroforezu
proteinu na skrobovem gelu tzv. alozymovou analyzu, kterou zajist'uje laborator genetiky ryb, UZFG AVCR Libechov (s akreditaci Ministerstva zemedelstvi CR). Soucasne tate laborator pracuje na studii mikrosatelitove diverzity plemen a linii vedenych v narodnim programu genovych zdroju, jez by v budoucnu mohla stavajiCi genetickou metodu nahradit. Vysetfeni nezbytna pro udeleni dotace, jsou financne i casove mikladna a chovatele si je musi hradit sami ze svych zdroju. Jako urcite vy-chodisko vedouci ke zvy-seni pravdepodobnosti kladneho vysledku referencnlch metod by mohlo by-t vyuziti geometricke morfometrie pro jakesi predbezne testovani Cistoty jednotlivy-ch plemen a linii kapra. Naplni tohoto pnspevku je seznamit licastniky konference s cHi a metodikou geometricke morfometrie pouzite pro vyse zmineny licel. 16
MATERIAL A METODIKA
MateriaIem pro analyzu geometricke morfometrie jsou digitalni fotografie generacnich ryb, ktere tvon kmenove hejno uznaneho plemene a u nichz probehla alozymova analyza, cimz byla potvrzena jejich plemenna pnslusnost a geneticka Cistota. Pro vlastni testovani metody je vyuzito pfiblizne 100 jedincu z kaideho plemene. ,
Ryby jsou foceny v rybatskych organizacich, v zavislosti na tom, kde JSou konkretni Cista plemena chovana. Fotografie jsou ziskavany obvykle behem kvetna, kdy chovatele vybiraji generacni ryby pro reprodukci a zaroveii jsou odebirany vzorky krve jednotlivYch ryb pro alozymovou analYzu. Behem teto manipulace s rybami jsou pofizovany standardizovane fotografie. Ryby jsou foceny lezici na pravem boku, kvlili jednoznacnosti znaku a obrysu je pouzito jednobarevne modre pozadi. Fotografuje se ve svislici ke stfedu tela ryby tak, aby byly dobfe patme vsechny neparove a polovina parovYch ploutvi. Vzhledem k tomu, ze ryby jsou ve srovnani s ostatnimi obratlovci rnnohem lepe charakterizovatelne dvourozmeme, lze tak z jejich fotografii odebrat vetSinu telnich rozmeru a informaci
0
tvaru. Nicmene je, vzhledem k realne prostorovosti ryb, nutne dodrzovat standardizovanou vzdalenost objektivu od fotografovane objektu, jinak dochazi ke zkresleni a zatlzeni mefeni jistou chybou.
Co je geometricka morfometrie
Geometricka morfometrie (dale jen GM) je soubor relativne mladych metod a matematickych postupu zabYvajicich se analyzou tvaru struktur a objektu, pnpadne zmenou a rozdily tvaru mezi objekty. Obecne lze nci, ze GM je schopna rnnohem citliveji zachytit tvarove rozdily mezi porovnavanY'mi objekty, nez je tomu u stavajicich morfometrickych metod. Konkretni metodou je analyza tzv. vyznacnych bodu. Vyznacne body (landmarks) mohou bYt napf. pruseciky svli lebecnich kostl, konce ostnu, zacatek ci konec ploutvi, apod. Dulezitou vlastnostl techto bodu je, ze jsou mezi porovnavanYmi objekty homologicke, tedy je jednoznacne dana jejich poloha na objektu. Jejich poloha je tak zaznamenana ve dvourozmemem prostoru dvojici soufadnic x,y, ktere nasledne slouzi k dalSim vYPoctUm (Obr. 1) (Zima a ko!., 2004). 17
Z3kladnim schematem metody je umisteni site soufadnic na zobrazeny referencni objekt a jeji tvarovani spolu s obrazem, dokud neni dosaieno shody s objektem srovnavan-ym. Rozdily jsou pak ukazany ve forme lokalnich deformaci puvodni pravouhle site. Odvozena analyza relativnich deformaci (Thin Plate Spline relative Warps, TPSRW) je obdobou analyzy hlavnich komponent (PCA). Vysledne sk6re teto analyzy je vyneseno do bodoveho grafu, kde kazdy bod zobrazuje jeden objekt a jeho polohu
wei prumememu
jedinci. Jako referencni objekt slomi v tomto pnpade prumema konfigurace vypoctena ze snimanych dat vsech srovnavanychjedincu (Marcus a kol., 1996).
Obr. c. 1: A- pfiklad 16 vyznacnych bodu, B- souhrn vYznacnych bodu vsechjedincu
c- tvarove zmeny zobrazene pomoci vektorU, D- tvarove zmeny zobrazene pomoci
deformacni site
(Zelditch a kol., 2004)
.... ." I
,,
(B)
(A)
....
•
~it ~
.... •
T , (8)
1411
•
(C)
VIastni determinace linii a pIe men kapra Na zaklade genetickych analyz jsou vybrani jedinci, u nichz je jejich plemenna pnslusnost znama. Mezi skupinami geneticky determinovanych jedincu jednotliv-ych plemen se za pomoci metod GM vybiraji vhodne v-yznacne body, ktere jsou s dostatecnou statistickou v-yznamnosti schopne zachytit rozdily mezi jednotliv-ymi skupinami (plemena, linie).
18
Behem sbhu dat pro GM u geneticky identifikovanych ryb tak vznika jedinecny soubor, ze ktereho se generuji referencni tvarove charakteristiky pro jednotlive linie a plemena kapra. Na zaklade takto vzniklych plemennych charakteristik budeme moci u geneticky nedeterminovanych ryb
odhadnout pravdepodobnost jejich pfislusnosti
kjednotlivYm skupinam. Metoda bude v zaveru testovana na rybach, jez do genetickych analyz budou teprve vstupovat,
Cimz
se
otestuji jeji
rozlisovaci
schopnosti.
S
postupnYm minlstem
analyzovanych jedincu (jak pomoci genetickych metod tak GM), bude mozne upfesnovat jak odhad plemenne pfislusnosti, tak i plasticitu tvaru tela u jednotlivYch plemen. Tim tate metoda nepfimo pomuze standardizovat exterier jednotlivych plemen a linii kapra. Zasadnim omezujicim faktorem metody je vysoka plasticita morfometrickych charakteristik v zavislosti na vlivech vnejsiho prosrredi, kdy mohou bYt jedinci shodneho plemene odlisni, v zavislosti na konkretnich podminkach daneho chovneho zanzeni (nadmofska vyska, teplota vody, mnozstvi a kvalita potravy, apod.). Nasim ukolem tedy zaroven j e oddelit tyto tvarove zmeny zavisle na vlivu prostfedi od charakteristik vazanych na genotyp.
PODEKOVA.NI Tato prace je fesena za podpory grantu: GACR 523/031H076, FRVS 145764 a VZ FAPPZ, CZU c. MSM 6046070901 a UZFG AVOZ50450515 . Auton dekuji koleglim Ing. Vefe Slechtove, CSc., RNDr. Vlastimilu Slechtovi, CSc. a Ing. Martinovi Flajshansovi za vydatnou pomoc pn ziskavani materialu, za poskytnuti dat a konzultaci. Auton dekuji take pracovniklim rybatstvi, kde vlastni odbery probihaji, za jejich vstficnost.
LITERATURA FLAJSHANS, M ., LINHART, 0., SLECHTOVA, v., SLECHTA, V. (1999): Genetic resources of commercially important fish species in the Czech Republic: present state and future strategy, Aquaculture 173 1999471-483 . MARCUS L. F., CORTIM., LOY A., NAYLOR G. J. P., SLICE D. E. (eds.) (1996): Advances in morphometrics. NATO ASI Series A: Life Sciences, Vol. 284. Plenum Press, New York SLECHTA, V., LINHART, 0., FLAJSHANS, M., GELA, D ., DUDA, P ., SLECHTOVA, V., 1998: Breeding programme of common carp in the Czech Republic. Czech J. Anim. Sci. 43 (9): 434
19
ZELDITCH, M. , L., SWIDERSKI, . D., L. , SHEETS, H., D ., FINK, W., L. (2004) : Geometric Morphometrics For Biologists: A Primer, Elsevier Academic Press, ISBN: 0-12-77846-08 ZIMA, J., MACHOLAN, M ., MUNCLINGER, P. PrALEK, J. (2004): Geneticke metody v zoologii. Praha, Univerzita Karlova, nakladatelstvi Karolinum. - 239 s. ISBN: 80246-0795-6
ADRESY AUTORU Miloslav Petrtyl Luld,s Kalous
1
1; 2
e-mail:
[email protected] e-mail:
[email protected]
1) Ceska zemedelska univerzita v Praze, Fakulta agrobiologie, potravinovYch a pfirodnich zdroju, Katedra zoologie a rybafstvi, 165 21 Praha 6 - Suchdol 2) Ustav zivoCisne fyziologie a genetiky Akademie ved CR, 277 21, Libechov
20
