Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Studijní program: Biologie Studijní obor: Ekologická a evoluční biologie
Klára Koupilová
Ekologie květních snětí (Microbotryum spp.) a jejich hostitelů z čeledi Caryophyllaceae Ecology of anther-smuts (Microbotryum spp.) and their hosts of the family Caryophyllaceae
Bakalářská práce
Školitel: Mgr. Tomáš Koubek, Ph.D. Praha, 2015
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci zpracovala samostatně a že jsem uvedla všechny použité informační zdroje a literaturu. Tato práce ani její podstatná část nebyla předložena k získání jiného nebo stejného akademického titulu.
V Praze, 30.4.2015
Podpis
Koupilová
Abstrakt: Mezi nejprostudovanější systémy patogenů a jejich hostitelů patří květní sněti (Microbotryum spp.) napadající hvozdíkovité rostliny (čeleď Caryophyllaceae). Květní sněť je opylovači přenosná sterilizující choroba, která již po mnoho let slouží jako modelový systém pro ekologické a evoluční studie. Cílem této práce je shrnout nejdůležitější poznatky o ekologii a epidemiologii květních snětí, s důrazem na význam různých faktorů, které ovlivňují šíření a výskyt této nemoci v přírodě. Abiotické faktory prostředí mají podle dosavadního výzkumu poměrně malý vliv, naopak biotické interakce hrají významnou roli. Mezi nejdůležitější patří virulence patogenů, rezistence hostitelů a chování vektorů (opylovačů). Při studiu epidemiologie květních snětí je potřeba věnovat pozornost také prostorové struktuře populací a metapopulační dynamice, jelikož procesy na vyšší hierarchické úrovni mohou významně ovlivnit jevy pozorované na úrovni jedinců. Cenné informace získáme také porovnáním charakteristik více hostitelských druhů, které se často liší ve své reakci na infekci. Klíčová slova: květní sněť, Microbotryum, Caryophyllaceae, opylovači, rezistence, epidemiologie, metapopulační dynamika.
Abstract: Anther-smut fungus (Microbotryum spp.) infecting plants of the Caryophyllaceae represents one of the most extensively studied plant pathogen systems. Anther-smut is a pollinator-borne disease that turns infected plants completely sterile. The aim of this thesis is to sum up the main findings about ecology and epidemiology of anther-smut disease and it mainly deals with various factors that influence disease spread and occurrence in nature. According to existing research, abiotic factors play minor role compared to biotic factors and interactions. Among the most pronounced, we can find variability in pathogen virulence and host resistance and also vector behaviour. When studying epidemiology of Microbotryum spp., it is necessary to take account of spatial population structure and metapopulation dynamics as well. Comparing life histories of different host species can also bring useful information. Key
words:
anther-smut,
Microbotryum,
epidemiology, metapopulation dynamics.
Caryophyllaceae,
pollinators,
resistance,
OBSAH 1
ÚVOD ................................................................................................................................. 1
2
STUDOVANÉ ORGANISMY ........................................................................................... 2
3
4
5
2.1
Hostitelé z čeledi Caryophyllaceae.............................................................................. 2
2.2
Životní cyklus květní sněti Microbotryum spp. ........................................................... 4
2.3
Fylogeneze parazitů z čeledi Microbotryaceae ........................................................... 5
2.4
Nejčastěji používané metody ....................................................................................... 7
VLIV ONEMOCNĚNÍ NA ROSTLINY ............................................................................ 9 3.1
Vliv infekce na hostitele .............................................................................................. 9
3.2
Vliv na zdravé jedince v populaci ............................................................................. 10
REZISTENCE ................................................................................................................... 11 4.1
Aktivní rezistence rostlin ........................................................................................... 11
4.2
Virulence patogenů .................................................................................................... 13
4.3
Role opylovačů jako vektorů onemocnění ................................................................ 14
4.4
Pasivní rezistence rostlin ........................................................................................... 15
4.5
Interakce aktivní a pasivní rezistence ........................................................................ 16
POPULACE A METAPOPULACE ................................................................................. 18 5.1
Prostorové uspořádání jedinců................................................................................... 18
5.2
Abiotické faktory prostředí ........................................................................................ 19
5.3
Charakteristiky populace a metapopulační dynamika ............................................... 19
6
ZÁVĚR ............................................................................................................................. 22
7
LITERATURA ................................................................................................................. 25
TERMINOLOGIE Termíny, jak jsou použity v tomto textu:
virulence = schopnost patogenu infikovat hostitele, zpravidla jako % nakažených jedinců
agresivita = relativní úspěch patogenu po infekci, např. množství produkovaných spor apod.
aktivní rezistence = reakce hostitele, která brání vzniku nebo rozšíření infekce po té, co již došlo ke kontaktu s patogenem; především biochemické mechanismy
pasivní rezistence = avoidance, geneticky dané znaky hostitele, které snižují počet kontaktů s patogenem nebo pravděpodobnost přenosu spor na susceptibilní tkáň
umělá inokulace = přenos spor patogenu na hostitele v umělých podmínkách
prevalence = % nakažených jedinců v populaci
incidence = % nakažených populací na určitém území
1
ÚVOD Zkoumání vztahu mezi parazity a jejich hostiteli představuje bezesporu významnou
součást biologických věd. Parazity a patogeny nacházíme ve většině ekosystémů a jejich působení může znatelně ovlivnit procesy na mnoha úrovních, mezi jinými např. výsledky kompetice, rozšíření druhů, genetickou strukturu populací, evoluci mnoha znaků, pravděpodobně včetně evoluce reprodukčních systémů (Burdon, 1987). Fytopatologie, obor studující nemoci rostlin, se v minulosti zabývala především zemědělskými plodinami a přírodní systémy byly až do osmdesátých let převážně opomíjeny. Od té doby naopak zkoumání role patogenů v přirozených rostlinných společenstvech zažívá veliký rozkvět. Mezi nejprostudovanější patosystémy patří květní sněti, na které jsem se v této práci zaměřila. Květní sněť způsobená patogeny Microbotryum spp. je přirozeně se vyskytující choroba kvetoucích rostlin především z čeledi Caryophyllaceae. Jedná se o sterilizující nemoc přenášenou opylovači, sdílející mnoho charakteristik s jinými sexuálně přenosnými chorobami, která již mnoho let slouží jako modelový systém pro studium interakce mezi patogenem a hostitelem a také pro další evoluční a ekologické studie (Antonovics et al., 2002; Bernasconi et al., 2009). Pozoruhodným rysem květních snětí je jejich výrazně nepravidelné rozšíření v přírodě, kde někteří jedinci nebo celé populace unikají infekci, zatímco další jsou stabilními hostiteli. Různorodé abiotické a biotické faktory mají vliv na vznik, šíření a výskyt této nemoci, proto se podstatná část tohoto textu věnuje právě zkoumání jejich působení. Mezi jinými se jedná o virulenci patogenu a rezistenci hostitele, chování vektorů (opylovačů), prostorovou strukturu populace a metapopulační dynamiku. Jiný aspekt představuje zkoumání selekčních tlaků, které může parazit na svého hostitele vyvíjet, což je v tomto systému obzvláště zajímavé, protože jako hlavní vektor zde vystupují opylovači. Pro rostlinu tím pádem nastává jistý střet zájmů mezi opylením a reprodukcí na jedné straně a rizikem infekce na straně druhé. Mnoho hostitelských druhů je dvoudomých a můžeme se ptát, zda tento reprodukční systém poskytuje nějaké výhody v boji s květní snětí, případně zda selekční tlak nevedl k jeho ustanovení nebo alespoň ke zvýraznění sexuálního dimorfismu. Vývoj rezistence v napadených populacích také představuje velmi perspektivní téma, především kvůli množství faktorů, které mohou potenciálně ovlivnit tento proces. Tato práce si dává za cíl shrnout nejdůležitější současné poznatky o ekologii a epidemiologii v tomto patosystému a poukázat na další potenciální směry zkoumání. Nejprve se zaměřím na základní charakteristiku studovaných organismů a na vliv choroby na hostitele, 1
jelikož květní sněť působí kromě sterilizace také jiné fenotypové změny a tato manipulační schopnost právem zasluhuje pozornost. Další kapitola se věnuje různorodým složkám rezistence rostlin a roli opylovačů jako hlavních vektorů květní sněti. Na základě dostupné literatury postupně proberu jednotlivé vlivy a srovnám jejich důležitost. Na závěr se přesunu k úvahám na populační a metapopulační úrovni, které demonstrují důležitost integrace různých přístupů. Takto komplexní systém poskytuje prakticky nepřeberné možnosti výzkumu. Protože se zde prolíná více oborů, z nichž každý používá mírně odlišné termíny nebo naopak stejné označení pro odlišné jevy, přikládám na úvod také malý terminologický slovníček.
2 2.1
STUDOVANÉ ORGANISMY Hostitelé z čeledi Caryophyllaceae Mezi nejčastější rostliny napadené parazity Microbotryum spp. patří celosvětově
rozšířená čeleď hvozdíkovitých, Caryophyllaceae. Většina z příslušných cca 2200 druhů bylin preferuje slunné, sušší a otevřené habitaty, některé druhy jsou striktně vázané na horské oblasti. Vyskytuje se zde široké spektrum životních strategií, od jednoletek po dlouhověké trvalky, a také různé reprodukční systémy, od jednodomých po čistě dvoudomé rostliny, včetně složitějších stavů jako např. gynodioecie (zároveň samičí jedinci a hermafroditi). Čeleď Caryophyllaceae se tradičně dělí na tři podčeledi Alsinoideae,
Caryophylloideae
a Paronychioideae, ovšem fylogenetické studie zpochybňují monofyletičnost těchto skupin (Fior et al., 2006) a zdá se, že dříve používané morfologické znaky jsou zde často homoplazie. Nové poznatky získané z molekulárně genetických studií vyžadují poměrně veliké změny v dosavadním pojetí těchto skupin. Pro účely této práce ovšem víceméně postačuje tradiční systém, jelikož nejčastěji zkoumané druhy rostlin napadené květní snětí patří do rodů Silene, Lychnis a Dianthus, jejichž fylogeneze tímto příliš ovlivněna není. Většina studií pracuje především s dvojicí silenek Silene latifolia a S. dioica, v menší míře se používá S. acaulis, S. virginica, S. vulgaris a druhy z rodů Lychnis, Dianthus a Gypsophila. Zmíněná dvojice silenek patří mezi nejoblíbenější modely, a proto je na místě jejich stručná charakteristika. Rostliny druhu Silene latifolia jsou krátkověké trvalky adaptované na opylování nočními zástupci řádu Lepidoptera (bílé, silně vonící květy, které se otevírají za soumraku (Jürgens et al., 1996)). Nejčastěji se vyskytují na suchých a disturbovaných stanovištích. Vytvářejí dynamické systémy populací charakteristické častými kolonizacemi a lokálními extinkcemi, představují tedy druh s poměrně významnou
2
metapopulační dynamikou. Rostliny druhu S. dioica tvoří růžové květy otevřené nejčastěji v denních hodinách a opylované především čmeláky. Dožívají se mírně vyššího věku, vyskytují se častěji v lesním prostředí, především od podhůří do hor, a jejich populace jsou zpravidla méně proměnlivé v čase a prostoru (Biere & Honders, 1996a). Oba druhy jsou dvoudomé a vykazují sexuální dimorfismus v několika významných znacích. Samčí rostliny vytváří velký počet rychle odkvétajících květů, zatímco samičí rostliny produkují méně květů, které vytrvávají déle (Kaltz & Shykoff, 2001). Nektar v samčích květech často obsahuje vyšší koncentraci cukru, než jakou nacházíme v samičích květech (Shykoff & Bucheli, 1995). Často se také vyskytují rozdíly ve fenologii, jmenovitě dřívější zahájení kvetení u samčích rostlin (Biere & Honders, 1996a). Květní sněť nacházíme u více než sto druhů hvozdíkovitých rostlin (Hood et al., 2010). Jelikož Microbotryum se nešíří vertikálně pomocí semen, postrádá samostatné přezimující stádium a zimu tráví ve vegetativních tkáních hostitele (Baker, 1947), jeho výskyt by měl být omezen na vytrvalé rostliny. Z tohoto hlediska je zajímavá studie (Thrall et al., 1993), ve které autoři na základě dostupné literatury vyhledali všechny druhy rostlin, u kterých byla nemoc zaznamenána. V cca 11 % případů se ovšem jednalo o jednoleté rostliny, což můžeme vysvětlit několika způsoby. Zaznamenané nálezy pravděpodobně nepředstavovaly dlouhodobě stabilní výskyt nemoci, ale transientní infekci vzniklou důsledkem náhodného přenosu z jiného druhu. Také je na místě jistá opatrnost ohledně označení jednoletý / vytrvalý druh, protože životní strategie rostliny se může měnit v rámci velkého areálu. Pozdější studie využívající herbářové položky získané z celého světa (Hood et al., 2010) potvrzuje předpoklad, že Microbotryum je vázané pouze na vytrvalé druhy. Absence květní sněti na jednoletých druzích není důsledkem jejich vyšší fyziologické rezistence, jak vyplývá z inokulačních experimentů (Gibson et al., 2013), a proto největší roli zřejmě hraje právě délka života. Většina výzkumu se doposud soustředila na druhy S. latifolia a S. dioica, které slouží jako zástupci celé čeledi Caryophyllaceae. Je ovšem na místě zmínit, že pokusy s jinými druhy občas poskytují mírně odlišné výsledky, pravděpodobně kvůli rozdílné životní strategii jednotlivých druhů. Například květní sněť napadající dlouhověkou S. acaulis vykazuje podstatně nižší rychlost šíření, což lze vysvětlit několika faktory, mimo jiné krátkou dobou kvetení, dlouhou délkou života a velkou stabilitou hostitelských populací (Marr & Delph, 2005). Srovnání charakteristik různých druhů může pomoci vysvětlit mnohé zajímavé aspekty v patosystému Microbotryum – Caryophyllaceae.
3
2.2
Životní cyklus květní sněti Microbotryum spp. Životní cyklus květní sněti je poměrně jednoduchý ve srovnání s jinými rostlinnými
patogeny. V tyčinkách nakažených květů se místo pylu tvoří diploidní spory (teliospory). Samičí struktury abortují a zůstávají rozpoznatelné pouze v rudimentální podobě; u dvoudomých druhů se u samic de novo vytvoří tyčinkám podobné útvary se sporami (sory) (Alexander & Antonovics, 1988). Teliospory jsou přenášeny na novou rostlinu především prostřednictvím opylovačů (Jennersten, 1983; Alexander & Antonovics, 1988). Zde vyklíčí, projdou meiózou a vytvoří „kvasinkové“ stádium (sporidia). Po konjugaci se vytvoří dikaryotická hyfa, která prorůstá rostlinou, a po několika týdnech se začínají objevovat první nemocné květy se sporami. Většina životního cyklu je dikaryotická. Microbotryum patří mezi heterothallické houby, což znamená, že pro konjugaci jsou potřeba buňky opačného pohlavního typu; v případě rodu Microbotryum dochází ke konjugaci především mezi buňkami pocházejícími ze stejného dikaryonu (tzv. selfing (Giraud et al., 2005)). Microbotryum je obligátně biotrofní parazit a zimu přečkává v tkáních hostitele, je pro něj tedy nezbytné prorůst až do vytrvávajících kořenů nebo přízemních růžic. Pokud se tak nestane před začátkem zimy, tak se infekce ztrácí a rostlina následující rok vytváří pouze zdravé květy (Alexander & Antonovics, 1988). Přežije-li patogen úspěšně zimní období, stává se infekce systemickou a všechny další květy jsou nakažené, rostlina je kompletně sterilizována a efektivně vyřazena z genového poolu populace. K infekci ve většině případů dochází v květech, ovšem může proběhnout i přes vegetativní tkáň. Této skutečnosti již delší dobu využívají vědci při experimentálních inokulacích, kde se semenáčky nebo nekvetoucí rozety dostávají do přímého styku s patogenem a nakazí se ve vysokém procentu případů. Vegetativní infekce je zpravidla výrazně prostorově limitovaná, jak dosvědčuje studie sledující přirozený přenos z mateřské rostliny na semenáčky (Alexander, 1990). K více než 80 % infekcí došlo přímo pod nakaženou rostlinou (do 5 cm), i když ojediněle se nakazily také vzdálenější semenáčky (> 1 m). Infekci semenáčků pravděpodobně působí spory přenášené větrem nebo deštěm, v malé míře také různým herbivorním hmyzem. Srovnatelné výsledky přinesla také další studie (Roche et al., 1995), ve které autoři porovnávali množství spor, které byly přeneseny na květ a které dopadly do pokusných lahviček na zemi. Opylovači se pohybují na relativně velké vzdálenosti a mohou dopravit spory i na květy více než 10 m vzdálené. Můžeme tedy říci, že k vegetativní infekci dochází, je ovšem silně prostorově omezená a její celkový význam je ve většině případů menší než význam opylovačů přenášejících spory na květy. Microbotryum se tedy trochu vymyká klasické definici sexuálně přenosné nemoci, 4
protože se může přenášet i na nedospělé, nereprodukující se jedince. Z tohoto hlediska by mohlo být vhodnější označovat květní sněť jako vektorem přenášenou nemoc, i když mnohé charakteristiky odpovídají spíše sexuálně přenosným chorobám (např. sterilizace spíše než vliv na mortalitu hostitele a frekvenčně závislý přenos (Antonovics, 2005)).
2.3
Fylogeneze parazitů z čeledi Microbotryaceae
Čeleď Microbotryaceae Označení květní sněť je mírně matoucí, protože čeleď Microbotryceae patří podle současných znalostí blíže ke rzím než pravým snětím (tzn. Basidiomycota, Pucciniomycotina). Do této čeledi spadá široké spektrum patogenů v současnosti řazených k rodům Microbotryum, Bauerago, Liroa, Sphacelotheca, Zundeliomyces, a ačkoli se fylogenezi této skupiny v posledních letech věnovalo mnoho pozornosti, situace stále není definitivně vyřešena. Kromě většího počtu patogenů s odlišnými strategiemi zde rozlišujeme dvě zřetelné skupiny květních snětí z rodu Microbotryum (Kemler et al., 2006). Květní sněti na čeledi Caryophyllaceae představují první monofyletickou skupinu, v rámci níž došlo k divergenci mezi linií parazitující na původních amerických rostlinách a linií na evropských rostlinách. Druhou monofyletickou skupinu tvoří květní sněti na čeledích Dipsacaceae, Lamiaceae a Lentibulariaceae. Většina zbylých zástupců Microbotryaceae parazituje na různých částech rostlin čeledi Polygonaceae. Přesná evoluční historie v této skupině není známá; na základě fylogenetických studií považujeme parazitismus na Polygonaceae za ancestrální znak a přepokládáme následné rozšíření na další čeledi. Zajímavou otázku představuje původ květních snětí hvozdíkovitých rostlin. Zatím není jasné, zda se se vyvinuly z květních snětí na jiných čeledích (blízce příbuzné je například Microbotryum anomalum parazitující na Fallopia aubertii), nebo zda došlo ke změně strategie u parazitů semen (např. M. holostei na Holosteum umbellatum) (Kemler et al., 2006).
Rod Microbotryum Kromě fylogenetických vztahů v čeledi Microbotryaceae představuje jistý problém také vlastní rod Microbotryum a jeho nomenklatura. Ve starší literatuře se pro květní sněti používá označení Ustilago violacea, později ovšem bylo mnoho druhů z rodu Ustilago přeřazeno k rodu Microbotryum na základě barvy spor (Vanky, 1998). V zásadě se nabízí několik možných přístupů, jak na nomenklaturu pohlížet. Dlouhou dobu převažoval přístup zdůrazňující morfologická kritéria pro vymezení druhu, který v tomto případě vedl k označení všech květních snětí parazitující na čeledi Caryophyllaceae za druh Microbotryum violaceum 5
a jednotlivé linie izolované z různých druhů rostlin za formae speciales. Alternativně lze zdůraznit hostitelskou specializaci a popsat desítky druhů čistě na základě hostitelské rostliny (Cai et al., 2011). Rozhodnout mezi těmito přístupy není jednoduché už jen proto, že Microbotryum parazitující na různých druzích rostlin zpravidla nevykazuje žádné morfologické odlišnosti a popisování kryptických druhů vždy představuje střet názorů. Dnes na základě fylogenetických studií považujeme květní sněti za komplex sesterských druhů, z nichž každý je specializovaný na jeden či několik málo hostitelských druhů (Refrégier et al., 2008). Otázka hostitelské specializace ovšem nebyla dlouho uspokojivě vyřešena. Crossinokulační experimenty přinášely různorodé výsledky a spíše odporovaly silné specializaci, především mezi Silene latifolia a S. dioica, jelikož linie patogenu vykazovaly podobnou virulenci vůči hostitelskému druhu, ze kterého byly izolované, i vůči druhému druhu (Biere & Honders, 1996b). Také se nenašly důkazy pro významné prezygotické bariéry, jmenovitě například při iniciaci konjugace in vitro (Le Gac et al., 2007b). Naopak ve prospěch hostitelské specializace zpravidla vycházely genetické studie, například za použití mikrosatelitů (Bucheli et al., 2000). Na tomto místě je potřeba zdůraznit, že reprodukční systém rodu Microbotryum se vyznačuje značným podílem selfingu (Giraud et al., 2005), a proto pokusy testující in vitro konjugace nebo cross-inokulace nemusí spolehlivě odrážet situaci v přírodních podmínkách (Cai et al., 2011). Z tohoto důvodu je vhodnější zaměřit se na genetické rozdíly mezi liniemi izolovanými z různých hostitelských druhů a na případnou existenci genového toku mezi nimi. Jednoznačné výsledky proto přišly až s větším rozšířením molekulárně genetických studií. Například na základě fylogeneze tří nezávislých genů autoři rozlišili nejméně 11 samostatných linií, které jsou vázané nejčastěji na jeden jediný druh hostitelské rostliny a mezi kterými nedochází ke genovému toku ani na sympatrických lokalitách (Le Gac et al., 2007a). Podobná studie z následujícího roku (Refrégier et al., 2008) přidala dalších několik jasně odlišených linií. Takové linie můžeme na základě molekulární genetiky označovat jako sesterské druhy, a to i bez jakýchkoli morfologických rozdílů, protože tyto linie si nevyměňují geny a vyvíjejí se nezávisle. Skutečností ovšem zůstává, že mnoho autorů v běžné praxi dává přednost označení Microbotryum violaceum sensu lato před pojmenováváním jednotlivých kryptických druhů. Pro zjednodušení používám v této práci pouze rodové jméno Microbotryum, abych zdůraznila existenci více druhů, ovšem bez nutnosti je označovat specifickým jménem.
6
Koevoluce S hostitelskou specializací souvisí také možnost koevoluce, tedy společného evolučního vývoje hostitele a patogenu. Pokud zůstává patogen vázaný na jediný druh rostliny, očekáváme jistou míru kongruence mezi jejich fylogenetickými stromy. V případě Microbotryum spp. existuje symetrie především na vyšší taxonomické úrovni, například rody Dianthus a Saponaria představují monofyletické skupiny jak u rostliny, tak u příslušných linií patogenů (Refrégier et al., 2008). Kongruence na úrovni druhů ovšem není statisticky významná a zdá se tedy, že kospeciační události jsou relativně vzácné a běžný mechanismus pro speciaci rodu Microbotryum představuje spíše změna hostitele (tzv. host-shift) (Refrégier et al., 2008). Z uvedeného příkladu rodů Saponaria a Dianthus vyplývá, že ke změně hostitele dochází hlavně mezi blízce příbuznými druhy, zpravidla v rámci jednoho rodu. Host-shift probíhá jednodušeji a častěji mezi rostlinami, které vykazují co největší podobnost, ať už se jedná o podobné habitaty, sdílení opylovačů nebo jako v tomto případě o genetickou podobnost. Několik nedávných případů změny hostitele bylo zdokumentováno, například změna ze Silene latifolia na S. vulgaris v sympatrické americké populaci (Antonovics et al., 2002). Pravděpodobně se jedná o událost z blízké minulosti, protože patogen se ještě plně neadaptoval (nový hostitel má větší rezistenci než původní a často vykazuje abnormální morfologii nakažených květů). Linie patogenů parazitujících na rodu Dianthus jsou ve srovnání například s liniemi na rodu Silene málo specializované na jednotlivé hostitelské druhy. Vzhledem k tomu, že rod Dianthus představuje relativně mladou evoluční linii a k radiaci v rámci tohoto rodu došlo poměrně nedávno, můžeme předpokládat, že také příslušné linie Microbotryum spp. nebudou striktně vázané na jeden druh, ale spíše schopné infikovat větší počet druhů (Kemler et al., 2013). Systém Microbotryum – Dianthus nesporně vyžaduje další studium, a to jak na úrovni hostitele, jelikož stále panují nejasnosti ve vymezení druhů, tak na úrovni jejich parazitů, kteří byli doposud ve výzkumu květní sněti spíše opomíjeni.
2.4
Nejčastěji používané metody Květní sněť napadající čeleď Caryophyllaceae slouží jako modelový systém
pro různorodé ekologické a evoluční studie, jelikož poskytuje pro badatele mnoho výhod (Bernasconi et al., 2009). Infekce je snadno identifikovatelná v terénu díky tmavě zbarveným sporám v nakažených květech, onemocnění způsobuje sterilitu a má malý až nulový vliv na mortalitu hostitele. Ve většině případů se přibližně shoduje generační doba patogenů 7
a hostitele, rostliny se snadno pěstují a zamrazené vzorky patogenu lze uchovávat potenciálně donekonečna. Další výhodou je také absence etických, ekonomických a logistických problémů, protože hvozdíkovité rostliny nepatří mezi široce pěstované plodiny a vyskytují se prakticky celosvětově. Zároveň patogen nezůstává v půdě jako potenciální zdroj nákazy a nehrozí riziko přenosu na jiné hostitele, lze tedy postupovat bez náročných karanténních opatření, jaké jsou nutné při studiu mnoha zvířecích onemocnění. Vzhledem k rozmanitosti studovaných témat a přístupů je vhodné věnovat pozornost používaným metodám, z nichž každá pomáhá odpovědět na jiný typ otázek. V terénu vědci zpravidla zaznamenávají znaky nakažených rostlin. Pokud se tyto rostliny v příslušných znacích liší vůči zdravým jedincům, můžeme tuto skutečnost interpretovat v zásadě dvěma způsoby. Buď pozorovaná hodnota znaku (např. počet květů) učinila rostlinu náchylnou k infekci a vedla k nakažení, nebo ji naopak vyvolal sám patogen. Jedná se tedy o rozlišení mezi příčinou a důsledkem onemocnění, ovšem bez experimentální manipulace mezi těmito možnostmi zpravidla nelze rozhodnout, neboť v principu jde o stejné znaky podporující šíření spor mezi hostiteli. První možnost – tedy rizikové faktory – nejčastěji zkoumáme v experimentálních populacích za přítomnosti opylovačů, kdy sledujeme, které rostliny se v průběhu studie nakazí a jaké znaky jsou pro tyto jedince charakteristické. Druhou možnost – tedy vliv infekce na fenotyp hostitele – nejlépe zjistíme pomocí umělé inokulace, čímž vyloučíme jakoukoli roli opylovačů a u nakažených jedinců pozorujeme pouze změny vyvolané patogenem. Dále je důležité rozlišovat mezi metodami, které sledují výsledný počet infikovaných jedinců a které se naopak zaměřují více na samotný proces přenosu infekce. Často používaný přístup spadající do druhé kategorie je zaznamenávání depozice spor na květech, což reflektuje, jak často jsou konkrétní rostliny navštěvované opylovači. Předpokládáme, že čím více spor na květu, tím větší pravděpodobnost infekce, jak ukazují výsledky umělé aplikace spor (Marr, 1998). Na druhé straně vztah počtu spor a infekce není lineární, ale nejvíce se blíží negativní exponenciele s asymptotou (Roche et al., 1995). To znamená, že přidávání spor zvýší šanci na infekci pouze v určitém rozmezí hodnot, a proto je na místě jistá opatrnost při interpretaci těchto dat. Důležité téma představuje rezistence rostlin. U květních snětí se často se setkáváme s pracovním rozdělením na dvě složky rezistence – pasivní, avoidanční a aktivní, biochemickou (sensu Burdon, 1987). Pro zhodnocení vlivu jednotlivých složek se hodí různé metody, které podrobněji popíši v příslušné kapitole o rezistenci.
8
3 3.1
VLIV ONEMOCNĚNÍ NA ROSTLINY Vliv infekce na hostitele Infekce zpravidla nemá vliv na mortalitu hostitele a projevuje se pouze sterilizací
napadených květů (Alexander & Antonovics, 1988). Infekční hyfa prorůstá rostlinou až do nově se vyvíjejících květů, jejichž morfologie je změněna a dochází k tvorbě sorů produkujících spory. Kromě zmíněných přestaveb v květu způsobuje infekce také další změny ve fenotypu rostliny, nejčastěji zvýšenou produkci květů a dále změny ve fenologii. V principu se naskytují dvě možnosti, jak příslušné změny nakažené rostliny vysvětlit; buď se jedná o cílenou manipulaci ze strany patogenu, nebo o vedlejší efekt infekce. Nejčastější pozorování u Silene latifolia zahrnují zvýšenou produkci květů, dřívější zahájení kvetení a delší vytrvalost květů (Shykoff & Kaltz, 1997, 1998). Všechny tyto znaky naznačují manipulaci, jelikož přispívají k lepšímu šíření spor a poskytují tedy parazitovi výhodu. Na druhou stranu mají nakažené rostliny zpravidla menší květy, což by odpovídalo trade-off mezi počtem a velikostí (Alexander & Maltby, 1990; Carlsson & Elmqvist, 1992). V některých případech dokonce infekce vede k tvorbě mírně asymetrických květů, často se sníženým množstvím nektaru nebo koncentrací cukru (Biere & Honders, 1996b; Shykoff & Kaltz, 1998). Takové znaky nejsou atraktivní pro opylovače a vedou k menší návštěvnosti nakažených rostlin, zřetelně tedy zhoršují šíření spor. Z toho důvodu je považujeme spíše za vedlejší důsledky infekce. Velká produkce květů a celkově větší investice do reprodukce může vést až k trade-off mezi reprodukcí a růstem rostliny, i když se zdá, že k tomu u květních snětí dochází jen ojediněle (např. studie S. dioica v Anglii (Lee, 1981)). Podobnou situaci představuje také snížení investice do kořenů (Shykoff & Kaltz, 1998), což by mohlo vysvětlovat, proč několik málo studií zaznamenalo menší přežívání nakažených rostlin přes zimu (Thrall & Jarosz, 1994; Antonovics et al., 2002). Vliv patogenů na morfologii a fenologii není univerzální. V oblastech, kde se nachází geneticky diverzifikované linie Microbotryum spp., lze zjistit rozdílné působení jednotlivých linií (Shykoff & Kaltz, 1997), a to jak v míře vyvolaných změn, tak i ve směru působení. Další komplikací jsou také rozdíly v reakci mezi samičími a samčími rostlinami dvoudomých druhů, například zvýšení produkce nektaru u samic a zároveň její snížení u samců S. latifolia (Shykoff & Kaltz, 1998) nebo výrazně větší stimulace v produkci květů u samičích rostlin (Alexander & Maltby, 1990). Tato rozdílná reakce často vede ke zmenšení původního pohlavního dimorfismu, tedy ke stírání morfologických rozdílů mezi nakaženými samičími a samčími
9
jedinci, což bývá vykládáno jako obecná maskulinizace nakažených květů, zřejmě související s tvorbou tyčinkám podobných sorů v původně samičích květech (Shykoff & Kaltz, 1998).
3.2
Vliv na zdravé jedince v populaci Také zdravé rostliny mohou být ovlivněny přítomností choroby v populaci. Jelikož jsou
spory květní sněti přenášené opylovači spolu s pylem, většina rostlin v okolí se v určité fázi svého života dostane do kontaktu se sporami. To může mít negativní důsledky i v případě, že se rostlina sama nenakazí, protože dochází k interferenci spor a pylu, která vede ke zhoršené produkci semen a tím ke snížení fitness rostliny (Marr, 1997, 1998; López-Villavicencio et al., 2005). K interferenci může docházet i mezi různými druhy rostlin vyskytujícími se na stejné lokalitě; v tomto případě může sníženou tvorbu semen způsobovat jak přítomnost spor patogenů, tak heterospecifického pylu (Roy, 1996). V současné době nevíme, zda se jedná o chemickou nebo mechanickou interferenci. Parazitující houby produkují enzymy rozkládající buněčnou stěnu a mnoho toxických metabolitů, které pravděpodobně částečně inhibují klíčení pylu a růst pylové láčky (Marr, 1997). Jednou z metod testování je umělá aplikace spor, vlastního pylu rostliny a heterospecifického pylu na bliznu a následné přímé pozorování klíčení pylu pod mikroskopem (Marr, 1998). Pozorovanou inhibici klíčení nejspíše způsobily chemické látky ze spor, protože přidání jiných tělísek (pyl jiného druhu) nemělo žádný negativní vliv. Podobné výsledky přinesly také studie sledující až výslednou produkci semen (Alexander, 1987; Marr, 1997; Carlsson-Granér et al., 1998), což zahrnuje potenciálně širší spektrum jevů než samotné klíčení pylu a dává jasnější představu o celkových důsledcích interference. Zároveň ovšem nelze vyloučit, že přítomnost spor na blizně působí také mechanicky. Experiment s Gypsophila repens (López-Villavicencio et al., 2005) poskytl zajímavé výsledky, protože rostliny reagovaly stejně na aplikaci živých i mrtvých spor, k čemuž by nemohlo dojít, kdyby hlavní roli hrály vyprodukované metabolity. Navíc skutečnost, že interference ovlivnila více oboupohlavné rostliny s menší plochou blizny než samičí rostliny s větší bliznou, odpovídá spíše mechanickému působení, jmenovitě kompetici o dostupný receptivní povrch. Přítomnost choroby v populaci může také vést k limitaci dostupným pylem, protože infekce snižuje počet rostlin produkujících pyl. V systému Microbotryum – Caryophyllaceae zůstává tento vliv spíše na teoretické rovině. Limitace se zpravidla testuje pomocí umělého opylení (hand-pollination), přičemž zvýšená produkce semen nebo plodů po umělém přidání pylu se interpretuje jako pylová limitace, zatímco absence změny oproti přirozenému opylení znamená dostačující dostupnost pylu v populaci. Pozorovaný nárůst je ovšem často způsoben 10
pouze změnou alokace zdrojů ve prospěch okamžité produkce a na úkor budoucí, jak ukazují dlouhodobější experimenty (Alexander, 1987). Pozdější studie se zaměřila přímo na srovnání vlivu interference spor a pylové limitace (Carlsson-Granér et al., 1998) a potvrzuje, že často se vyskytující negativní korelace mezi počty semen a prevalencí choroby v okolí rostliny je daná především interferencí.
4
REZISTENCE V patosystému Microbotryum – Caryophyllaceae známe mnoho mechanismů, které se
u rostlin vyvinuly k ochraně před parazitací. V následujících kapitolách používám rozlišení na dvě základní složky rezistence rostlin – aktivní a pasivní sensu Burdon (1987). Aktivní (biochemickou) rezistencí se rozumí reakce hostitele, která brání vzniku nebo rozšíření infekce po té, co již došlo ke kontaktu s patogenem. Na přítomnost patogenů nebo jejich metabolitů reaguje rostlina různorodými fyziologickými, morfologickými a především biochemickými mechanismy. Ke kvantifikaci se používají umělé inokulace, pomocí kterých určíme, zda a kolik rostlin se nakazí po přímém kontaktu se sporami. Další možnost obrany představuje pasivní rezistence. V případě květních snětí se jedná o různé způsoby avoidance, tedy o geneticky dané znaky rostliny, které snižují počet kontaktů s patogenem nebo pravděpodobnost přenosu spor na susceptibilní tkáň. Microbotryum se šíří převážně prostřednictvím květní infekce, a proto očekáváme roli fenologie a produkce květů. Při studiu pasivní rezistence je vhodné sledovat přímo disperzi spor, která závisí na chování hlavních vektorů, opylovačů. Naopak zaznamenání výsledného počtu infikovaných jedinců v přírodní nebo experimentální populaci zahrnuje pasivní i aktivní složku rezistence a dává realistickou představu o konečném výsledku procesu, ale jednotlivé faktory nelze spolehlivě rozlišit.
4.1
Aktivní rezistence rostlin Jak již bylo řečeno, aktivní rezistence se experimentálně zjišťuje pomocí inokulačních
technik, které vyloučí roli opylovačů a zajistí, že změřené rozdíly v rezistenci jsou dané především biochemickými procesy v těle rostliny. Existuje několik rozdílných technik, mezi nejpoužívanější patří inokulace semenáčků nebo nekvetoucích rozet. Ve většině případů se potvrzuje inokulace jako dobrý prediktor infekce v přírodě (Biere & Antonovics, 1996). Časově náročnější metoda je květní inokulace, jejíž výsledky rovněž korelují s přirozeným nakažením (Alexander et al., 1993).
11
Biochemickou rezistenci u rostlin čeledi Caryophyllaceae potvrzuje mnoho studií, stejně tak velkou variabilitu mezi jednotlivými genotypy. Ve většině populací se nachází spektrum od zcela rezistentních po zcela náchylné jedince. Rezistence je dědičná, potomci rezistentních nebo náchylných rodičů vykazují kvalitativně podobnou úroveň rezistence (Alexander, 1989; Alexander et al., 1993; Thrall & Jarosz, 1994). V některých případech se liší aktivní rezistence mezi samčími a samičími jedinci (Alexander & Maltby, 1990), ovšem častěji inokulace vede ke stejnému nakažení u obou pohlaví (Alexander & Antonovics, 1988). Proto jsou případné rozdíly prevalence v přírodních populacích pravděpodobně následkem odlišné pasivní rezistence (viz dále). V experimentálních populacích udržovaných po několik let zpravidla dochází k rychlému snížení přenosu nemoci. Postupně se mnoho rostlin nakazí a zmenšuje se počet potenciálních nových hostitelů, protože pouze geneticky rezistentní jedinci zůstávají zdraví a ti jsou již z definice proti infekci odolní (Alexander & Antonovics, 1995). Zřetelněji je toto vidět, když se jedna část experimentálních populací skládá pouze z potomků rezistentních rodičů a jiná část pouze z potomků náchylných rodičů. K poklesu šíření potom dochází pouze u první zmíněné skupiny (Thrall & Jarosz, 1994). I přes potvrzenou silnou dědičnost zatím neznáme přesnou genetickou podstatu rezistence. Ve výzkumu zemědělských plodin dominuje představa, že rezistence je výsledkem interakce dvou genů (tzv. gene-for-gene koncept), tedy že každému genu rezistence rostliny odpovídá příslušný gen avirulence patogenu (Thompson & Burdon, 1992). Tímto způsobem zřejmě funguje rasově specifická rezistence pozorovaná např. u lnu Linum usitatissimum parazitovaném Melampsora lini a dalších rostlin (Burdon, 1987). V systému Microbotryum – Caryophyllaceae však nejsou důkazy ani pro resistenci, která by diferenčně působila na odlišné linie (rasy) patogenu, ani pro samotný koncept gene-for-gene. Jisté indicie může poskytnout zkoumání variability v rámci populace. U některých hvozdíkovitých rostlin nacházíme víceméně bimodální rozložení rezistence v populaci, například u Silene vulgaris to byly skupiny s velmi nízkou infekcí (0 – 5 %) a se střední (40 – 60 %), což by odpovídalo jednoduchému genetickému určení za pomoci jednoho či několika málo genů (Cafuir et al., 2007). Naopak S. latifolia je charakteristická více kontinuální variabilitou, i když zároveň se vyskytují genotypy se zřetelně vysokou nebo nízkou rezistencí (Alexander, 1989; Alexander et al., 1993). Taková situace spíše napovídá komplikovanější genetické regulaci a další výzkum v této oblasti by mohl přinést zajímavé výsledky. Polymorfismus v rezistenci v tomto systému zřejmě představuje spíše pravidlo než výjimku. Není zcela jasné, jak se takto velká variabilita udržuje i v rámci jedné populace, 12
protože gen pro rezistenci by se měl rychle rozšířit. Jako jedna z možností se nabízí existence ceny za rezistenci. Rezistentní rostliny mají výhodu pouze v přítomnosti patogenu a mohou vykazovat sníženou fitness v porovnání s náchylnými jedinci v jeho absenci nebo při nízkém výskytu. V závislosti na velikosti ceny a frekvenci patogenu se mohou v nakažené populaci udržovat rezistentní i susceptibilní genotypy. Reprodukční úspěch rezistentních rostlin S. latifolia byl ve zdravé populaci až o 20 % menší než úspěch náchylných rostlin (Biere & Antonovics, 1996). Autoři vysvětlují pokles fitness pozdním kvetením a v menší míře také sníženou produkcí květů, které pozorovali u biochemicky rezistentních rostlin. Na genetickou vazbu mezi rezistencí a zpožděným kvetení poukazuje také další studie (Alexander & Antonovics, 1995). Zmíněné jevy byly patrné pouze u samčích rostlin, pravděpodobně proto, že absolutní rozdíly ve fenologii mezi různými samičími rostlinami nebyly dostatečně veliké, aby se znatelně projevily na fitness.
4.2
Virulence patogenů S aktivní rezistencí je úzce spojena virulence patogenu, tedy jeho schopnost infikovat
určité genotypy hostitele. Virulence se zpravidla kvantifikuje jako proporce jedinců, kteří se nakazí po kontaktu s patogenem. Další důležitá charakteristika je agresivita, zpravidla chápaná jako relativní úspěch patogenu v těle hostitele, určená například množstvím vyprodukovaných spor (Burdon, 1987). Pro květní sněť je typická určitá míra variability v obou těchto vlastnostech (Biere & Honders, 1996b; Kaltz et al., 1999), i když zřetelně menší ve srovnání s variabilitou v rezistenci rostlin. Tradiční představa o virulenci říká, že patogeny mívají vyšší virulenci vůči genotypům hostitele, se kterými se již dříve setkali a se kterými sdílí evoluční historii. To můžeme pozorovat
na
lokálních
adaptacích
patogenů,
které
studujeme
například
pomocí
transplantačních experimentů (Kawecki & Ebert, 2004). Tento předpoklad platí v mnoha systémech, protože patogeny obvykle podléhají rychlejší evoluci než jejich hostitelé, a mají proto výhodu v koevolučním „závodu ve zbrojení“ (Ebert & Hamilton, 1996). Patosystém Microbotryum – Caryophyllaceae ovšem vykazuje několik významných vlastností, které mohou bránit vzniku lokálních adaptací a vést dokonce až k obrácenému trendu, tedy k situaci, kdy je patogen schopný efektivněji infikovat hostitele ze vzdálenějších lokalit (Kaltz et al., 1999). Mezi nejdůležitější odlišnosti tohoto systému patří reprodukční strategie patogenů, jejichž selfing v kombinaci s malým počtem generací za sezónu znamená ztrátu výhod, které obvykle urychlují evoluci parazitů (tzn. rekombinace a kratší reprodukční doba). Prevalence choroby v populaci bývá často velmi nízká, a proto se zde vyskytuje pouze 13
malý počet jedinců patogenu, což znamená větší roli náhodných jevů jako genetický drift nebo zvýšené riziko extinkce. Dalším významným rysem je intenzivnější migrace hostitele ve srovnání s patogenem, jednak protože patogen se nešíří se semeny hostitele, a jednak protože opylovači často preferují zdravé květy (viz dále) a mezi částečně izolovanými populacemi se proto častěji přenáší pyl než spory. Všechny zmíněné vlastnosti mohou přispívat k pozorované negativní závislosti mezi virulencí a vzdáleností zdrojové populace S. latifolia (Kaltz et al., 1999). Tento jev samozřejmě působí pouze v určitém prostorovém rozmezí a prozatím nelze spolehlivě říci, zda se u květních snětí jedná o všeobecně rozšířenou situaci. Mnozí vědci si povšimli, že Microbotryum spp. parazitující na S. latifolia v Severní Americe vykazuje velmi malou variabilitu ve virulenci ve srovnání s evropskými liniemi (Alexander et al., 1993; Biere & Antonovics, 1996). Pravděpodobné vysvětlení těchto rozdílů představuje skutečnost, že nemoc byla introdukována na americký kontinent až během dvacátého století. Fylogenetické studie potvrzují, že americké linie mají původ ve skupině Microbotryum spp. ze severo-západní Evropy (Fontaine et al., 2013). Microbotryum na území Evropy je silně geneticky strukturované (Vercken et al., 2010) a během introdukce se zřejmě na nové území dostal pouze velmi omezený vzorek genetické variability (patogen prošel hrdlem láhve, tzv. bottleneck). Zároveň nedošlo k hybridizaci s původními americkými liniemi z jiných druhů rostlin, a proto americké linie parazitující na S. latifolia skutečně vykazují deficit heterozygozity a značně sníženou diverzitu (Fontaine et al., 2013).
4.3
Role opylovačů jako vektorů onemocnění Pasivní rezistencí v tomto systému rozumíme různé mechanismy vyhýbání se kontaktu
s patogenem. Jelikož Microbotryum se šíří mezi rostlinami převážně pomocí opylovačů, je nezbytné vědět, jaké faktory ovlivňují jejich chování. Kromě celkové abundance opylovačů na dané lokalitě nás proto zajímají především morfologické a fenologické charakteristiky rostlin ovlivňující preferenci těchto vektorů. Z přímého pozorování jejich chování vyplývá, že opylovači skutečně reagují na určité vlastnosti rostlin. Nejčastěji preferují rostliny s větším počtem květů, s většími květy a lepší kvalitou nektaru; v případě dvoudomých rostlin upřednostňují samčí rostliny, které zpravidla vykazují právě tyto zmíněné vlastnosti. To platí jak pro noční opylovače z řádu Lepidoptera (Shykoff & Bucheli, 1995), tak pro čmeláky (Jennersten, 1988). Proto můžeme očekávat, že rostliny s uvedenými znaky budou více přitahovat opylovače, čímž získají výhodu díky obdrženému pylu, ovšem zároveň mohou být ve větším riziku nakažení.
14
Na šíření infekce v populaci má vliv další aspekt chování, jmenovitě skutečnost, že tito opylovači také dokáží rozlišit nakažené květy a částečně se jim vyhýbají (Jennersten, 1988; Shykoff & Bucheli, 1995; Carlsson-Granér et al., 1998). Není zcela jasné, podle jakých kritérií se opylovači orientují. Čmeláci jsou schopni poznat květy s malou nebo nulovou nabídkou nektaru a tato schopnost jim pravděpodobně pomáhá vyhnout se nakaženým květům, které mají často sníženou produkci nektaru (Jennersten, 1988). Kvalita nektaru zřejmě hraje roli také u nočních opylovačů řádu Lepidoptera (Shykoff & Bucheli, 1995). Diskriminace nemocných jedinců může vést k omezenému šíření, záleží ovšem na úspěšnosti, s jakou opylovači rozpoznávají nakažení. Spory se na jejich těle mohou udržet dlouhou dobu a stačí tedy i ojedinělý omyl při výběru květu. Při určité frekvenci nemoci v populaci může nedokonalá preference zdravých jedinců dokonce i podporovat šíření infekce (Shykoff & Bucheli, 1995). Specifickou situaci můžeme pozorovat u rostlin opylovaných zástupci druhu Hadena bicruris (Lepidoptera, Noctuidae). Dospělci tohoto druhu slouží jako opylovači a vektory spor, zároveň také kladou vajíčka do květů a larvy následně parazitují na vyvíjejících se semenech. Tím pádem plní Hadena tři rozdílné role a rostliny jsou předmětem protichůdných selekčních tlaků. Na základě několika studií lze říci, že Hadena preferuje atraktivní rostliny (opět ve smyslu počet, velikost květů a nektar (Biere & Honders, 1996a)) a zároveň dokáže odlišit nakažené jedince (Biere & Honders, 2006). Pozorování naznačuje, že Hadena navštěvuje kvůli nektaru víceméně všechny dostupné rostliny, ale při ovipozici diskriminuje proti nakaženým jedincům, kteří jsou pro ovipozici nevhodní, jelikož se v nich nevyvinou žádná semena (Collin et al., 2002; Biere & Honders, 2006). Taková preference zdravých rostlin může teoreticky zbrzdit vývoj rezistence vůči květní sněti, protože tyto rostliny zůstaly zdravé pravděpodobně právě díky své rezistenci, ovšem predace druhem Hadena smazává jejich výhodu v populaci.
4.4
Pasivní rezistence rostlin Na základě znalosti chování opylovačů lze tedy předpovídat, které znaky rostlin zvyšují
riziko infekce a které naopak slouží jako mechanismy avoidance. Rostliny se mohou vyhýbat riziku jednak tím, že omezí pravděpodobnost kontaktu (posun doby kvetení mimo největší aktivitu opylovačů), a jednak méně atraktivním vzhledem. Během pozorování a experimentů zjišťujících, kteří jedinci se nakazí, se zřetelně projevuje význam fenologie a produkce květů. Rostliny kvetoucí později a poskytující menší nabídku květů se nakazí v podstatně menším procentu případů (Alexander, 1989; Thrall & Jarosz, 1994; Alexander & Antonovics, 1995; Biere & Honders, 1998). Obdobné výsledky získáme i při použití jiné proměnné, která rovněž reflektuje nabídku pro opylovače, například 15
počet kvetoucích výběžků, velikost květenství a další. U dvoudomých druhů často počet květů hraje roli pouze u samčího pohlaví (Alexander & Antonovics, 1988; Alexander, 1989), nejspíše proto, že samičí rostliny nevykazují příliš velkou variabilitu v produkci květů a případný vliv není zaznamenatelný. Další studie potvrzují, že nemocní jedinci v přírodních populacích vytváří více květů než zdraví jedinci (Lee, 1981; Jennersten, 1988); taková pozorování je ovšem potřeba interpretovat opatrně, neboť nelze rozlišit, zda větší počet květů byl příčinou nakažení, nebo až symptomem nemoci. Z tohoto hlediska je užitečné srovnání s jiným designem výzkumu, totiž se sledováním depozice spor na květ, která zřetelně reflektuje pouze příčinu nakažení. Takové studie potvrzují, že větší počet květů představuje rizikovou vlastnost (Bucheli & Shykoff, 1999). Další potenciální faktor – velikost květů – se kvůli časové náročnosti měření testuje méně a zároveň poskytuje smíšené výsledky. Problém spočívá v existenci trade-off mezi počtem květů a jejich velikostí, a často proto tyto dvě charakteristiky negativně korelují (Carlsson & Elmqvist, 1992). Jako příklad studie, která potvrzuje, že větší velikost květu je pro rostlinu rizikovější, uveďme pozorování přírodní populace Dianthus sylvestris (Shykoff et al., 1997). Genetická vazba mezi některými z významných znaků může do jisté míry omezit selekci působící na tyto znaky a tím také vývoj pasivní rezistence. Pro rostlinu by například bylo výhodné zmenšit čnělku s bliznou, která jinak přesahuje květ a snadno zachytí spory z těla opylovače, a zároveň maximalizovat velikost květu, aby přilákal opylovače. Ale atraktivní znaky (velikost okvětních lístků) zpravidla korelují s rizikovými znaky (délka čnělky a vysunutí blizny), takže atraktivní květ je automaticky také náchylnější k infekci (Giles et al., 2006). Na populacích s rozdílnou historií můžeme pozorovat, že delší čnělka a větší velikost květu jsou častější ve zdravých populacích. Pokud přemístíme takové rostliny do nakažené populace, stávají se tyto znaky silně nevýhodné a rostliny vykazují častější infekci než jedinci zde původní (Elmqvist et al., 1993).
4.5
Interakce aktivní a pasivní rezistence Na základě doposud uskutečněných experimentů a pozorování můžeme porovnat
význam jednotlivých složek rezistence. Znalost aktivní rezistence jednotlivých genotypů rostlin úspěšně vysvětluje velkou část variability ve výskytu nemoci a zřejmě hraje největší roli při srovnávání individuálních rostlin. Pasivní rezistence má také svůj význam a určité morfologické nebo fenologické znaky se opakovaně ukazují jako dobrá obrana proti infekci. 16
Studium pasivní rezistence ovšem poskytuje méně spolehlivé všeobecné predikce a naznačuje, že avoidance nemusí vždy představovat výhodu. Je tomu tak pravděpodobně kvůli roli opylovačů jakožto vektorů květní sněti, protože rostliny musí najít rovnováhu mezi odolností vůči chorobě a dostatečným opylením. Tyto protichůdné selekční tlaky mohou vést k různým výsledkům v závislosti na podmínkách a interakcích v jednotlivých populacích. Nedořešenou otázkou zůstává, zda spolu zmiňované složky rezistence interagují. Některé studie naznačují, že zde působí silná vazba, i když přesné genetické mechanismy neznáme. Pozorujeme například, že biochemicky rezistentní rodiny rostlin zároveň zahajují kvetení později a jejich vyšší odolnost vůči infekci v terénu je potom způsobena kombinací obou složek rezistence (Biere & Antonovics, 1996). Z analýzy těchto dat vyplývá, že biochemická rezistence má jak přímý, tak nepřímý vliv na odolnost (právě díky provázání s fenologií). Zpožděné kvetení může být následek pleiotropních efektů biochemické rezistence nebo může existovat vazebná nerovnováha mezi zúčastněnými geny. Odlišný pohled poskytuje například studie vlivu inbreedingu na rezistenci (Ouborg et al., 2000), ve které se ukázalo, že dvě složky rezistence reagují nezávisle na sobě, což naopak naznačuje absenci silného genetického provázání. Zajímavý náhled také poskytuje myšlenka, která říká, že mezi složkami rezistence může existovat trade-off. Vzhledem k tomu, že udržování aktivní rezistence bývá drahé, může dojít k jejímu omezení až ztrátě, je-li rostlina chráněna jiným způsobem, například některým z pasivních mechanismů. To znamená, že pasivní rezistence může úspěšně bránit vzniku, rozšíření nebo udržení aktivní rezistence (Gibson et al., 2013). Ovšem jednoznačné rozhodnutí o vztahu těchto dvou složek není jednoduché již proto, že každá z nich zahrnuje široké spektrum mechanismů, jejichž genetickou podstatu známe pouze částečně. Nové informace o interakci pasivní a aktivní složky rezistence by také mohly pomoci vysvětlit další pozorované jevy. V literatuře například panují nejednotné názory na riziko infekce mezi samčími a samičími jedinci dvoudomých druhů. Experimentální studie spíše dokumentují větší nakažení mezi samčími rostlinami, což lze zdůvodnit všeobecně nižší pasivní rezistencí, jmenovitě například větší produkcí květů (Alexander, 1989; Biere & Honders, 1998). Na druhé straně samičí rostliny jsou sice vystavené kontaktům méně často, ale každý kontakt pro ně představuje větší riziko infekce kvůli delší době, po kterou zůstává květ ve fyziologickém kontaktu s rostlinou (Kaltz & Shykoff, 2001). Proto lze očekávat větší význam aktivní rezistence u samičích rostlin, ovšem inokulační studie zpravidla nenalézají výrazné rozdíly mezi pohlavími (Alexander & Antonovics, 1988). Samičí jedinci tedy nejsou všeobecně více biochemicky rezistentní, což by potenciálně mohlo vysvětlit, proč prevalence 17
nemoci v přirozených populacích bývá celkově větší právě mezi samičími jedinci (Lee, 1981; Alexander & Antonovics, 1988; Kaltz & Shykoff, 2001). Výskyt nemoci v přirozených populacích je samozřejmě výsledkem působení mnoha faktorů a svoji roli hraje kromě pravděpodobnosti infekce také dlouhodobé přežívání hostitelů a úspěšné přezimování patogenů. Zatím není jisté, zda pozorované rozdíly v prevalenci reflektují geneticky dané odlišnosti mezi pohlavími ve vztahu k patogenům.
5
POPULACE A METAPOPULACE Doposud zmiňované procesy se odehrávají převážně na úrovni jedinců, ovšem mnoho
důležitých faktorů objevíme až tehdy, když se zaměříme na celé populace nebo soubory populací hostitele. Proto následující kapitola pojednává o vlivu prostorového uspořádání a (meta)populační dynamice.
5.1
Prostorové uspořádání jedinců Uspořádání jedinců v rámci populace výrazně ovlivňuje šíření nemoci a průběh
epidemií. U květních snětí, stejně jako u jiných sexuálně nebo opylovači přenosných onemocnění, hraje velkou roli frekvence nakažených jedinců v populaci. Proto se zde v populačních modelech používá frekvenčně závislý přenos nemoci na rozdíl od mnoha jiných patosystémů, kde se využívá hustotní závislosti (Thrall et al., 1995). Základní rozdíl spočívá v tom, že pasivní šíření větrem nebo vodou reflektuje především absolutní počet nemocných jedinců v populaci (v tomto kontextu poněkud nešťastně označovaný jako denzita, hustota*), zatímco aktivní šíření pomocí opylovačů odráží spíše jejich proporci v populaci (frekvenci). Jedno z prvních experimentálních potvrzení tohoto předpokladu u květních snětí přinesla studie z devadesátých let (Antonovics & Alexander, 1992), kde se ukázalo, že depozice spor na květy závisela pouze na frekvenci, jelikož opylovači dokáží kompenzovat případné větší vzdálenosti spojené s nižší denzitou. V přírodních populacích spolu frekvence a denzita často úzce souvisí a nelze je v analýze jednoduše oddělit, a proto v některých případech zdánlivě hrají roli oba faktory (Alexander, 1990; Shykoff et al., 1997). Další komplikaci představuje skutečnost, že frekvenční závislost zřejmě operuje pouze v určitém rozsahu vzdáleností, po jehož překročení se objevuje
*
Denzita představuje problematický termín, jehož použití se liší mezi autory. V epidemiologické literatuře denzita znamená absolutní počet nakažených jedinců na určité lokalitě nebo v určité populaci. Jiní autoři tak označují počet nakažených jedinců vztažený na plochu. A ještě jiní tak popisují hustotu všech jedinců v populaci, tedy rozmístění jedinců nebo vzdálenosti mezi nimi (Bucheli & Shykoff, 1999).
18
závislost na denzitě jako u pasivně šířených nemocí (Biere & Honders, 1998; Bucheli & Shykoff, 1999). Chování opylovačů je ovlivněno mnoha faktory a je pravděpodobné, že přílišná vzdálenost mezi rostlinami změní jejich strategii a jejich kompenzační role se ztratí.
5.2
Abiotické faktory prostředí Vliv abiotických faktorů na vývoj a šíření infekce prozatím zůstává málo studován.
Ojedinělé studie zaznamenaly vliv teploty na průběh choroby. Autoři například zjistili, že zvýšení teploty nad 30° C během týdnů předcházejících kvetení vedlo ke zpožděné expresi nakažení u S. latifolia (Alexander & Maltby, 1990). Naopak v jiných případech byla pozorována snížená aktivita při nižší teplotě, jmenovitě při vývoji teliospor na semenáčcích pěstovaných při 15° C (a nulová aktivita při teplotě 4° C) (Schäfer et al., 2010). Z terénních pozorování ovšem nelze usuzovat na jednoduché korelace mezi charakterem prostředí a výskytem nemoci, jak ukazuje například Lee (1981), který u S. dioica nenašel žádnou souvislost mezi infekcí a zastíněním rostlin. Dlouhodobá pozorování nepřinášejí jednoznačné výsledky. Hodnoty klimatických proměnných nevysvětlily prakticky žádné změny v rozšíření nemoci na S. latifolia během čtrnáctiletého období (Antonovics, 2004). Na druhé straně výzkum S. vulgaris podél altitudinálního gradientu poskytl odlišné výstupy, jelikož autoři našli korelaci mezi incidencí nemoci a nadmořskou výškou, která zároveň koreluje s teplotou a srážkami (Abbate & Antonovics, 2014). V tomto konkrétním případě je pochopitelně obtížné usuzovat na jakoukoli kauzalitu, protože podél gradientu se mění i mnoho jiných faktorů (např. rozšíření hostitele). Další výzkum v této oblasti by mohl přispět k pochopení některých pozorovaných skutečností v těchto systémech.
5.3
Charakteristiky populace a metapopulační dynamika
Stáří populace Výskyt a rychlost šíření nemoci se často během let výrazně mění, především v dynamických systémech, kde dochází k lokálním extinkcím a kolonizacím. Mezi dobře prozkoumané systémy populací patří S. dioica vyskytující se na souostroví u pobřeží Švédska, jehož ostrovy jsou vyzvedávány konstantní rychlostí, a lze je proto spolu s příslušnou populací rostlin datovat (Carlsson et al., 1990). S věkem populace roste prevalence choroby, což nejspíše souvisí s vývojem dané populace, která se s časem postupně zvětšuje a zvyšuje se její hustota, přičemž obě tyto změny podporují šíření nemoci. Největší prevalenci nacházíme ve velkých, hustých a středně starých populacích (Carlsson-Granér et al., 2014). Nad určitou hranicí věku 19
(cca 300 let) se ovšem vyskytují pouze populace s velmi nízkou prevalencí (Carlsson et al., 1990; Carlsson-Granér, 1997). Jedním z vysvětlení je postupná selekce pro rezistenci, která by mohla omezit šíření nemoci. Podstatnou roli hraje také to, že starší populace se zmenšují kvůli sukcesní dynamice ostrova (postupně ubývají vhodné habitaty) a nemoc se může z malé populace ztratit i pouze náhodnými procesy.
Velikost a izolovanost populace Velikost populace má nesporný vliv na výskyt květní sněti, jak vyplývá z pozorování Viscaria vulgaris. V žádné populaci menší než 35 jedinců se patogen nevyskytoval a v rámci všech nakažených populací korelovala nakaženost s velikostí (Jennersten et al., 1983). V zásadě lze přijít s dvěma typy vysvětlení, buď se jedná o chování opylovačů, kteří snadněji naleznou větší skupiny rostlin a spíše si je vyberou, nebo se jedná o větší význam náhodných událostí v malé populaci, kde například snáze dojde k lokální extinkci patogenu. Tato vysvětlení souvisí mimo jiné s teorií ostrovní biogeografie, jejíž adaptace na tento systém napovídá, že izolovanost a velikost hostitelské populace může ovlivnit imigraci a extinkci parazitů (Janzen, 1968). Ve zmiňované studii na Viscaria vulgaris autoři potvrdili především vliv velikosti (Jennersten et al., 1983), jelikož zkoumané oblasti se kromě stupně izolovanosti lišily i v dalších rysech, jejichž efekt nešlo v analýze spolehlivě oddělit. Rozdíly mezi izolovanými a propojenými populacemi výborně demonstruje výzkum Lychnis alpina (Carlsson-Granér & Thrall, 2002). Autoři vybrali tři přírodní systémy populací, které se lišily mírou vzájemné propojenosti díky rozdílnému postglaciálnímu vývoji. Kontinuální systémy vykazovaly vysokou incidenci (% nakažených populací), ovšem zároveň nízkou prevalenci (% nakažených jedinců v populaci); izolované systémy se chovaly opačným způsobem. Tento pozoruhodný výsledek lze vysvětlit vývojem rezistence, k němuž dochází odlišným způsobem při různém prostorovém uspořádání. Tento předpoklad autoři podpořili modelem, který poskytoval kvalitativně stejné výsledky pouze v případě, kdy se počítalo s variabilitou v rezistenci (Carlsson-Granér & Thrall, 2002). Nemoc se tedy lépe šíří mezi kontinuálně rozmístěnými hostiteli a dostane se snadno do většiny takových populací (incidence), zároveň ovšem zvýšení rezistence omezuje výskyt patogenu v rámci jednotlivých populací (prevalence). Fragmentace habitatu vytváří menší a izolovanější populace, u nichž může snáze docházet k příbuzenskému křížení, tedy k inbreedingu. Inbreeding zpravidla vede ke snížení fitness (tzv. inbrední deprese), a to pravděpodobně následkem zvýšeného výskytu recesivních škodlivých alel v homozygotním stavu, které se v běžné outbrední populaci příliš neprojevují, 20
protože zůstávají „neviditelné“ v heterozygotním stavu (Charlesworth & Charlesworth, 1987). K inbrední depresi mohou také přispívat epigenetické vlivy, jak ukazuje nový výzkum (Vergeer et al., 2012). Inbrední deprese se často výrazněji projevuje ve stresových situacích jak abiotického, tak biotického původu (např. během kompetice (Cheptou et al., 2000)). Fragmentace populací představuje důležité téma především pro ochranářskou biologii, ovšem ukazuje se, že fragmentace může významně ovlivňovat nejen vzácné, ale i běžné druhy v přírodních ekosystémech (Hooftman et al., 2003). Vliv inbreedingu byl zkoumán také na čeledi Caryophyllaceae. Rostliny druhu Lychnis flos-cuculi pocházející z malých a málo variabilních populací (s nízkou heterozygozitou) vytvářely méně květů, což naznačuje inbrední depresi (Galeuchet et al., 2005). Na druhou stranu ovšem reakce na stres – jmenovitě kompetice s běžným druhem Anthoxanthum odoratum a infekce květní snětí – nezávisela na charakteristice zdrojových populací. Možné vysvětlení, proč se inbreeding nemusí vždy projevit více u rostlin pod stresem, poskytla studie na S. latifolia (Ouborg et al., 2000). Autoři testovali přes šedesát linií rostlin různého inbredního stupně a zjistili, že jednotlivé genotypy rostlin reagovaly velmi odlišně. U některých se rezistence proti květní sněti zvyšovala se zvyšující se mírou inbreedingu, u jiných tomu bylo naopak. Ve výsledku tedy bylo prakticky nemožné říci, zda inbreeding celkově zvyšuje nebo snižuje odolnost proti infekci. Význam metapopulačních studií Z předchozích příkladů vyplývá, že pokud bychom se ve výzkumu soustředili pouze na jednotlivé populace nebo dokonce pouze na jedince, mnoho důležitých informací by uniklo pozornosti a naše predikce by s největší pravděpodobností neodpovídaly realitě. Studium na úrovni metapopulace je důležité především u dynamických systémů, ve kterých mají jednotlivé populace relativně krátkou životnost, například metapopulace S. latifolia podél cest a silnic ve Virginii (Antonovics et al., 1994). I když jednotlivé populace zpravidla dlouhodobě nevytrvávají, vzájemné propojení může stabilizovat celý systém. Naopak změny v propojenosti mohou vést k dramatické reakci jednotlivých populací. Zmíněná metapopulace S. latifolia ve Virginii ukázala, že ani celá metapopulace nemusí být ve stabilním stavu
(Antonovics, 2004). Z pozorovaných změn (klesající kolonizace
a incidence nemoci) usuzují autoři na pomalou extinkci patogenu. Nabízí se několik možných vysvětlení, a to jak na lokální, tak na regionální úrovni. K postupné ztrátě nemoci zde pravděpodobně dochází kvůli procesům uvnitř systému, konkrétně kvůli vývoji rezistence u S. latifolia. Studie nenašla žádnou přímou korelaci mezi dynamikou systému a trendy 21
v místním počasí, zároveň ovšem nelze vyloučit vliv dalších environmentálních faktorů (např. eliminace několika zdrojových populací). Dále je studium metapopulací potřeba v případech, kdy systém obsahuje výrazně geneticky diferencované skupiny nebo populace, například S. dioica na již uváděném švédském souostroví. S dioica si zde udržuje silnou genetickou strukturu především kvůli kolonizační dynamice, jmenovitě kvůli omezenému genovému toku a efektu zakladatele (Giles et al., 1998). Tato diferenciace se týká kromě neutrálních genů také selekčně významných genů pro rezistenci vůči květní sněti, jak ukazují například transplantační experimenty (CarlssonGranér, 1997). Jednotlivé populace se mohou výrazně lišit v rezistenci a tato skutečnost se odráží i v celkové dynamice metapopulace, v rámci níž můžeme pozorovat, že náchylnější populace vykazují výraznější vzestup výskytu choroby než relativně rezistentnější populace během patnáctiletého sledování (Carlsson-Granér & Pettersson, 2005). Zajímavým rysem švédského systému je to, že ani v populacích s poměrně dlouhou historií výskytu květní sněti často nedochází k fixaci rezistence, ale naopak se zde víceméně zachovává diferenciace populací vznikající již při kolonizaci jednotlivých ostrovů. Takovou situaci můžeme očekávat ve strukturované metapopulaci na rozdíl od jediné velké nakažené populace (nebo silně propojené metapopulace), kde selekční tlak patogenů pravděpodobně povede k rozšíření rezistence až k případnému vymizení nemoci z populace (Alexander et al., 1996). Zakladatelské efekty zřejmě hrají velkou roli a spolu s limitovaným genovým tokem a vysokým obratem populací rozhodují o mnoha charakteristikách této metapopulace a zajišťují zde dlouhodobé přetrvávání květní sněti (Carlsson-Granér & Pettersson, 2005).
6
ZÁVĚR Květní sněť napadající rostliny z čeledi Caryophyllaceae představuje velmi komplexní
systém, jehož základní prvky jsem se pokusila shrnout v této práce. Kromě sterilizace hostitelské rostliny vede infekce patogenem Microbotryum spp. také k několika zajímavým změnám fenotypu, z nichž některé interpretujeme jako cílenou manipulaci a jiné jako vedlejší efekt nakažení. Přítomnost choroby v populaci může ovlivnit také zdravé rostliny, jelikož často dochází k interferenci spor a pylu na blizně. Květní sněť se zpravidla nachází pouze v některých populacích a v rámci nich pouze na některých jedincích. Mnoho současných poznatků nám pomáhá osvětlit tento nepravidelný výskyt, stejně tak i různou rychlost šíření nemoci. Jelikož se jedná o nemoc přenášenou opylovači, vstupuje do interakce hostitel – patogen další člen a je nutné vzít v potaz mnoho faktorů, které se u jiných rostlinných chorob nevyskytují. Hostitelské rostliny se dostávají 22
pod vliv protichůdných selekčních tlaků, jelikož opylovači plní zároveň také roli vektorů nemoci. Z dosavadního výzkumu vyplývá, že abiotické faktory mají poměrně omezený dopad a výskyt nemoci se jejich pomocí nedaří vysvětlit. Výrazně větší význam mají různé biotické jevy, konkrétně variabilita v aktivní i pasivní rezistenci rostlin, rozdíly mezi samčími a samičími jedinci dvoudomých druhů, variabilita ve virulenci patogenů, preference opylovačů a další. Kombinací těchto faktorů získáme představu o výsledku interakce rostliny a patogenu především na lokální a individuální úrovni. Dále je potřeba získat informace o prostorovém uspořádání jedinců a zaměřit se na charakter populace. Mezi významné charakteristiky patří stáří, velikost a hustota populace. Dále je důležité zkoumat jednotlivé populace ve vztahu k jiným, tedy věnovat se metapopulační dynamice, protože míra propojení populací na daném území může rozhodovat například o rychlosti šíření choroby a fixaci rezistence rostlin. Pro predikce ohledně vývoje epidemií nebo dlouhodobé persistence nemoci v systému je proto potřeba věnovat pozornost jevům na všech úrovních. Během studia dostupné literatury jsem zjistila několik oblastí, ve kterých by další výzkum mohl přinést cenné informace. Především se jedná o otázku vztahu mezi aktivní a pasivní složkou rezistence, jelikož v zásadě existují dva protichůdné názory. První z nich říká, že je-li rostlina chráněna jedním způsobem, například má-li spolehlivou biochemickou rezistenci, nemusí již investovat do další mechanismů, jako je avoidance pomocí snížené produkce květů (Gibson et al., 2013). Proto bychom očekávali negativní korelaci. Naopak druhý přístup uvažuje o genetické vazbě mezi aktivní a pasivní rezistencí, případně také o pleiotropním efektu biochemické rezistence, který by mohl vést ke zpožděnému kvetení a menšímu počtu květů. V tomto případě spolu budou jednotlivé složky pozitivně korelovat a pasivní rezistence je chápána spíš jako vedlejší produkt biochemické rezistence (Biere & Antonovics, 1996). Další perspektivní téma představuje otázka lokální adaptace květních snětí. Rozšířená teorie předpokládá, že paraziti mají výhodu v koevolučním zápase se svými hostiteli, především díky své rychlé generační době. Proto dokáží svého soupeře „předběhnout“ a jsou na něj dobře lokálně adaptovaní. Ovšem květní sněti mají několik charakteristik, které mohou naopak vést k jejich pomalejšímu vývoji, a dokonce i opačnému trendu, tedy k lokální maladaptaci. Konkrétně se jedná o převažující selfing, relativně dlouhou generační dobu a malou schopnost migrace ve srovnání se svým hostitelem (Kaltz et al., 1999). Doposud proběhl jeden experiment na květních snětích, který ukazuje na špatnou lokální adaptaci (Kaltz et al., 1999). 23
V systému květních snětí zůstávají stále nezodpovězené otázky i po mnoho let probíhajícím výzkumu. Důležitý vhled vždy získáme srovnáním charakteristik různých druhů, které mohou pomoci vysvětlit mnohé zajímavé skutečnosti pozorované u květních snětí. Z tohoto důvodu bych se ve své navazující diplomové práci ráda věnovala květním snětím na rodu Dianthus, který byl prozatím ve výzkumu spíše opomíjen.
24
7
LITERATURA
Abbate JL, Antonovics J. 2014. Elevational disease distribution in a natural plant-pathogen system: insights from changes across host populations and climate. Oikos 123: 1126–1136. Alexander HM. 1987. Pollination Limitation in a Population of Silene Alba Infected by the Anther-Smut Fungus, Ustilago violacea. Journal of Ecology 75: 771–780. Alexander HM. 1989. An experimental field study of anther-smut disease of Silene alba caused by Ustilago violacea: Genotypic variation and disease incidence. Evolution 43: 835–847. Alexander HM. 1990. Epidemiology of Anther-Smut Infection of Silene Alba Caused by Ustilago Violacea : Patterns of Spore Deposition and Disease Incidence. Journal of Ecology 78: 166–179. Alexander HM, Antonovics J. 1988. Disease spread and population dynamics of anther-smut infection of Silene alba caused by the fungus Ustilago violacea. Journal of Ecology 76: 91–104. Alexander HM, Antonovics J. 1995. Spread of anther-smut disease (Ustilago violacea) and character correlations in a genetically variable experimental population of Silene alba. Journal of Ecology 83: 783–794. Alexander HM, Antonovics J, Kelly AW. 1993. Genotypic Variation in Plant Disease ResistancePhysiological Resistance in Relation to Field Disease Transmission. Journal of Ecology 81: 325–333. Alexander HM, Maltby A. 1990. Anther-smut infection of Silene alba caused by Ustilago violacea: factors determining fungal reproduction. Oecologia 84: 249–253. Alexander HM, Thrall PH, Antonovics J, Jarosz AM, Oudemans P V. 1996. Population Dynamics and Genetics of Plant Disease: A Case Study of Anther-Smut Disease. Ecology 77: 990. Antonovics J. 2004. Antonovics Long-term study of a plant-pathogen metapopulation. In: Hanski I, Gaggiotti OE, eds. Metapopulation ecology, genetics, and evolution. San Diego: Elsevier Academic Press, 471–488. Antonovics J. 2005. Plant venereal diseases: insights from a messy metaphor. The New phytologist 165: 71–80. Antonovics J, Alexander HM. 1992. Epidemiology of anther-smut infection of Silene alba ( = S . latifolia ) caused by Ustilago violacea : patterns of spore deposition in experimental populations. Proceedings: Biological Sciences 250: 157–163. Antonovics J, Hood M, Partain J. 2002. The Ecology and Genetics of a Host Shift : Microbotryum as a Model System. The American Naturalist 160: S40–S53. Antonovics J, Thrall PH, Jarosz AM, Stratton D. 1994. Ecological Genetics of Metapopulations: The Silene-Ustilago Plant-Pathogen System. In: Real LA, ed. Ecological Genetics. Princeton: Princeton University Press, 146–170. Baker HG. 1947. Infection of species of Melandrium by Ustilago violaceae (Pers.) Fuckel and the transmission of the resultant disease. Annals of botany 11: 333–348. Bernasconi G, Antonovics J, Biere a, Charlesworth D, Delph LF, Filatov D, Giraud T, Hood ME, Marais G a B, McCauley D, et al. 2009. Silene as a model system in ecology and evolution. Heredity 103: 5–14. 25
Biere A, Antonovics J. 1996. Sex-specific costs of resistance to the fungal pathogen Ustilago violacea (Microbotryum violaceum) in Silene alba. Evolution 50: 1098–1110. Biere A, Honders SC. 1996a. Impact of flowering phenology of Silene alba and S . dioica on susceptibility to fungal infection and seed predation. Oikos 77: 467–480. Biere A, Honders SC. 1996b. Host adaptation in the anther smut fungus Ustilago violacea (Microbotryum violaceum): infection success, spore production and alteration of floral traits on two host species and their F1-hybrid. Oecologia 107: 307–320. Biere A, Honders SC. 1998. Anther Smut Transmission in Silene latifolia and Silene dioica - Impact of Host Traits, Disease Frequency and Host density. International Journal of Plant Sciences 159: 228– 235. Biere A, Honders SC. 2006. Coping with third parties in a nursery pollination mutualism : Hadena bicruris avoids oviposition on pathogen-infected , less rewarding Silene latifolia. New Phytologist 169: 719–727. Bucheli E, Gautschi B, Shykoff JA. 2000. Host-specic differentiation in the anther smut fungus Microbotryum violaceum as revealed by microsatellites. Journal of Evolutionary Biology 13: 188–198. Bucheli E, Shykoff JA. 1999. The Influence of Plant Spacing on Density-Dependent versus FrequencyDependent Spore Transmission of the Anther Smut Microbotryum violaceum. Oecologia 119: 55–62. Burdon J. 1987. Diseases and plant population biology. Cambridge: Cambridge University Press. Cafuir L, Antonovics J, Hood ME. 2007. Tissue Culture And Quantification Of Individual-Level Resistance To Anther-Smut Disease In Silene Vulgaris. International Journal of Plant Sciences 168: 415– 419. Cai L, Giraud T, Zhang N, Begerow D, Cai G, Shivas RG. 2011. The evolution of species concepts and species recognition criteria in plant pathogenic fungi. Fungal Diversity 50: 121–133. Carlsson U, Elmqvist T. 1992. Epidemiology of Anther-Smut Disease ( Microbotryum violaceum ) and Numeric Regulation of Populations of Silene dioica. Oecologia 90: 509–517. Carlsson U, Elmqvist T, Wennstrom A, Ericson L. 1990. Infection by Pathogens and Population Age of Host Plants. Journal of Ecology 78: 1094–1105. Carlsson-Granér U. 1997. Anther-Smut Disease in Silene dioica: Variation in Susceptibility Among Genotypes and Populations, and Patterns of Disease Within Populations. Evolution 51: 1416–1426. Carlsson-Granér U, Elmqvist T, Gardfjell H, Agren J, Ingvarsson P. 1998. Floral sex ratios, disease and seed set in dioecious Silene dioica. Journal of Ecology 86: 79–91. Carlsson-Granér U, Giles BE, Thrall PH. 2014. Patterns of disease and host resistance in spatially structured systems. European Journal of Plant Pathology 138: 499–511. Carlsson-Granér U, Pettersson TM. 2005. Host susceptibility and spread of disease in a metapopulation of Silene dioica. Evolutinary Ecology Research 7: 353–369. Carlsson-Granér U, Thrall PH. 2002. The spatial distribution of plant populations , disease dynamics and evolution of resistance. Oikos 97: 97–110. 26
Collin CL, Pennings PS, Rueffler C, Widmer A, Shykoff JA. 2002. Natural Enemies and Sex - How Seed Predators and Pathogens Contribute to Sex-Differential Reproductive Success in a Gynodioecious Plant. Oecologia 131: 94–102. Ebert D, Hamilton WD. 1996. Sex against virulence: the coevolution of parasitic diseases. Trends in Ecology & Evolution 11: 79–82. Elmqvist T, Liu D, Carlsson U, Giles BE. 1993. Anther-Smut Infection in Silene dioica: Variation in Floral Morphology and Patterns of Spore Deposition. Oikos 68: 207. Fior S, Karis PO, Casazza G, Minuto L, Sala F. 2006. Molecular phylogeny of the Caryophyllaceae (Caryophyllales) inferred from chloroplast matK and nuclear rDNA ITS sequences. American Journal of Botany 93: 399–411. Fontaine MC, Gladieux P, Hood ME, Giraud T. 2013. History of the invasion of the anther smut pathogen on Silene latifolia in North America. New Phytologist 198: 946–956. Le Gac M, Hood ME, Fournier E, Giraud T. 2007a. Phylogenetic Evidence of Host-Specific Cryptic Species in the Anther Smut Fungus. Evolution 61: 15–26. Le Gac M, Hood ME, Giraud T. 2007b. Evolution of reproductive isolation within a parasitic fungal species complex. Evolution 61: 1781–1787. Galeuchet DJ, Perret C, Fischer M. 2005. Performance of Lychnis flos-cuculi from Fragmented Populations under Experimental Biotic Interactions. Ecology 86: 1002–1011. Gibson AK, Petit E, Mena-Ali J, Oxelman B, Hood ME. 2013. Life-history strategy defends against disease and may select against physiological resistance. Ecology and Evolution 3: 1741–1750. Giles BE, Lundqvist E, Goudet J. 1998. Restricted gene flow and subpopulation differentiation in Silene dioica. Heredity 80: 715–723. Giles BE, Pettersson TM, Carlsson-Granér U, Ingvarsson PK. 2006. Natural selection on floral traits of female Silene dioica by a sexually transmitted disease. New Phytologist 169: 729–39. Giraud T, Jonot O, Shykoff JA. 2005. Selfing Propensity under Choice Conditions in a Parasitic Fungus, Microbotryum violaceum , and Parameters Influencing Infection Success in Artificial Inoculations. International Journal of Plant Sciences 166: 649–657. Hood ME, Mena-alí JI, Gibson AK, Oxelman B, Yockteng R, Arroyo MTK, Conti F, Pedersen AB, Gladieux P, Antonovics J, et al. 2010. Distribution of the anther-smut pathogen Microbotryum on species of the Caryophyllaceae. New Phytologist 187: 217–229. Hooftman DAP, van Kleunen M, Diemer M. 2003. Effects of habitat fragmentation on the fitness of two common wetland species, Carex davalliana and Succisa pratensis. Oecologia 134: 350–359. Charlesworth D, Charlesworth B. 1987. Inbreeding depression and its evolutionary consequences. Annual Review of Ecology and Systematics 18: 237–268. Cheptou PO, Imbert E, Lepart J, Escarre J. 2000. Effects of competition on lifetime estimates of inbreeding depression in the outcrossing plant Crepis sancta (Asteraceae). Journal of Evolutionary Biology 13: 522–531.
27
Janzen DH. 1968. Host Plants as Islands in Evolutionary and Contemporary Time. American Naturalist, The 102: 592–595. Jennersten O. 1983. Butterfly visitors as vectors of Ustilago violacea spores between caryophyllaceous plants. Oikos 40: 125–130. Jennersten O. 1988. Insect Dispersal of Fungal Disease: Effects of Ustilago Infection on Pollinator Attraction in Viscaria vulgaris. Oikos 51: 163–170. Jennersten O, Nilsson SG, Wastljung U. 1983. Local plant populations as ecological islands : the infection of Viscaria vulgaris by the fungus Ustilago violacea. Oikos 41: 391–395. Jürgens A, Witt T, Gottsberger G. 1996. Reproduction and pollination in central European populations of Silene and Saponaria species. Botanica Acta 109: 316–324. Kaltz O, Gandon S, Michalakis Y, Shykoff JA. 1999. Local maladaptation in the anther-smut fungus Microbotryum violaceum to its host plant Silene latifolia: evidence from a cross-inoculation experiment. Evolution 53: 395–407. Kaltz O, Shykoff JA. 2001. Male and female Silene latifolia plants differ in per-contact risk of infection by a sexually transmitted disease. Journal of Ecology 89: 99–109. Kawecki TJ, Ebert D. 2004. Conceptual issues in local adaptation. Ecology Letters 7: 1225–1241. Kemler M, Göker M, Oberwinkler F, Begerow D. 2006. Implications of molecular characters for the phylogeny of the Microbotryaceae (Basidiomycota: Urediniomycetes). BMC evolutionary biology 6: 35. Kemler M, Martín MP, Telleria MT, Schäfer AM, Yurkov A, Begerow D. 2013. Contrasting phylogenetic patterns of anther smuts (Pucciniomycotina: Microbotryum) reflect phylogenetic patterns of their caryophyllaceous hosts. Organisms Diversity and Evolution 13: 111–126. Lee JA. 1981. Variation in the Infection of Silene Dioica (L.) Clairv. By Ustilago Violacea (Pers.) Fuckel in North West England. New Phytologist 87: 81–89. López-Villavicencio M, Branca A, Giraud T, Shykoff JA. 2005. Sex-Specific Effect of Microbotryum violaceum (Uredinales) Spores on Healthy Plants of the Gynodioecious gypsophila repens (Caryophyllaceae). American Journal of Botany 92: 896–900. Marr DL. 1997. Impact of a Pollinator-Transmitted Disease on Reproduction in Healthy Silene Acaulis. Ecology 78: 1471. Marr DL. 1998. The effect of Microbotryum violaceum spores on pollen germination in Silene acaulis. International Journal of Plant Sciences 159: 221–227. Marr DL, Delph LF. 2005. Spatial and temporal pattern of a pollinator-transmitted pathogen in a longlived perennial , Silene acaulis. Evolutinary Ecology Research 7: 335–352. Ouborg NJ, Biere A, Mudde CL. 2000. Inbreeding Effects on Resistance and Transmission-Related Traits in the Silene-Microbotryum Pathosystem. Ecology 81: 520–531. Refrégier G, Le Gac M, Jabbour F, Widmer A, Shykoff J a, Yockteng R, Hood ME, Giraud T. 2008. Cophylogeny of the anther smut fungi and their caryophyllaceous hosts: prevalence of host shifts and importance of delimiting parasite species for inferring cospeciation. BMC evolutionary biology 8: 100. 28
Roche BM, Alexander HM, Maltby AD. 1995. Dispersal and Disease Gradients of Anther-Smut Infection of Silene Alba at Different Life Stages. Ecology 76: 1863–1871. Roy BA. 1996. A plant pathogen influences pollinator behavior and may influence reproduction of nonhosts. Ecology 77: 2445–2457. Shykoff JA, Bucheli E. 1995. Pollinator Visitation Patterns, Floral Rewards and the Probability of Transmission of Microbotryum Violaceum, a venerel disease of plants. Journal of Ecology 83: 189– 198. Shykoff JA, Bucheli E, Kaltz O. 1997. Anther Smut Disease in Dianthus silvester (Caryophyllaceae): Natural Selection on Floral Traits. Evolution 51: 383–392. Shykoff JA, Kaltz O. 1997. Effects of the anther smut fungus Microbotryum violaceum on host life history patterns in Silene latifolia (Caryophyllaceae). International Journal of Plant Sciences 158: 164– 171. Shykoff JA, Kaltz O. 1998. Phenotypic Changes in Host Plants Diseased by Microbotryum violaceum Parasite Manipulation, Side Effects, and Trade-offs. International Journal of Plant Sciences 159: 236– 243. Schäfer AM, Kemler M, Bauer R, Begerow D. 2010. The illustrated life cycle of Microbotryum on the host plant Silene latifolia. Botany 88: 875–885. Thompson JN, Burdon JJ. 1992. Gene-for-gene coevolution between plants and parasites. Nature 360. Thrall PH, Biere A, Antonovics J. 1993. Plant life-history and disease susceptibility - the occurrence of Ustilago violacea on different species within the Caryophyllaceae. Journal of Ecology 81: 489–498. Thrall PH, Biere A, Uyenoyama MK. 1995. Frequency dependent disease transmission and the dynamics of the Silene-Ustilago host-pathogen system. The American Naturalist 145. Thrall H, Jarosz AM. 1994. Host-Pathogen Dynamics in Experimental Populations of Silene Alba and Ustilago Violacea. I. Ecological and Genetic Determinants of Disease Spread. Journal of Ecology 82: 549–559. Vanky K. 1998. The genus Microbotryum (smut fungi). Mycotaxon 67: 33–60. Vercken E, Fontaine MC, Gladieux P, Hood ME, Jonot O, Giraud T. 2010. Glacial refugia in pathogens: European genetic structure of anther smut pathogens on Silene latifolia and Silene dioica. PLoS pathogens 6. Vergeer P, Wagemaker N, Ouborg NJ. 2012. Evidence for an epigenetic role in inbreeding depression. Biology Letters 8: 798–801.
29
