6. Sekce biologicko-ekologických věd
- Proč je v tropických lesích tolik druhů hmyzu (BC)
- Antagonistické a synergistické vztahy působení prvoků a virů na složení přírodního bakterioplanktonu (BC)
- Jaderný receptor určuje buněčný osud (BC)
- Emise oxidu dusného a methanu z půdy pastvin (BC)
- Revize tasemnic řádu Pseudophyllidea (Cestoda): fylogenetická analýza na základě morfologických, biologických a molekulárních dat (BC)
- Výrazná expanze velikosti genomu vikve (Vicia pannonoca) způsobená namnožením jediného typu gigantického retroelementu (BC)
- Biogeografický přístup k rostlinným invazí a procesy podmiňující naturalizaci nepůvodních rostlin (BÚ)
- Úloha arbuskulárních mykorhiz v kontaminovaných a degradovaných půdách (BÚ)
- Populační dynamika rostlin a její význam pro pochopení chování druhů v krajině (BÚ)
- Důkazy historické a recentní selekce působící na geny hlavního histokompatibilního systému (MHC) v cyklických populacích hlodavců (ÚBO)
- Evoluční síly ovlivňující hnízdní strategie u ptáků (ÚBO)
- Tažní ptáci a virus ptačí chřipky H5N1 - šíření v Eurasii, možnosti zánosu do Ameriky a rozptylu po kontinentu (ÚBO)
- Proteinová flexibilita přizpůsobuje fotosyntetickou transformaci energie k okolní teplotě (ÚSBE)
6.1 Proč je v tropických lesích tolik druhů hmyzu?
Proč v tropických lesích žije tolik druhů organismů a jaké ekologické mechanismy umožňují jejich koexistenci patří k nejstarším, ale stále nevyřešeným, otázkám biologie. Lesy tropického a mírného pásma jsou natolik odlišné, že smysluplné srovnání jejich ekologie je obtížné. Proto jsme pro tento účel vyvinuli novou metodu, srovnávající soubory druhů vybrané tak, aby měly shodnou strukturu vzájemných fylogenetických vztahů (tedy topologii kladogramů, založených na molekulárních datech). Z lužního lesa v ČR a deštného lesa na Papui Nové Guineji jsme takto vybrali 15 druhů stromů pro analýzu jejich herbivorního hmyzu. Zjistili jsme, že druhová rozmanitost herbivorů, vztažená na jeden druh stromu, se mezi oběma lesy neliší. Opravili jsme tak dosavadní představy o tom, že koexistence tisíců druhů hmyzu v tropech je umožněna jejich úzkou specializací, a tedy jemnějším rozdělením potravních zdrojů každé živné rostliny mezi herbivory. O našem objevu psal mezinárodní tisk (např. New York Times) a časopis Science ho komentoval jako významný pokrok ve studiu ekologie hmyzu (Kitching, 2006, Science 313:1055).
Srovnání housenek ze středoevropských a novoguinejských stromů se shodnou strukturou fylogenetických vztahů.
Novotny, V., Drozd, P., Miller, S. E., Kulfan, M., Janda, M., Basset, Y., Weiblen, G. D. (2006) Why are there so many species of herbivorous insects in tropical rainforests? Science 313: 1115-1118. [IF 30.93]
6.2 Antagonistické a synergistické vztahy působení prvoků a virů na složení přírodního bakterioplanktonu
Pohlcování bakterií prvoky a napadení bakterií specifickými viry - takzvanými bakteriofágy, jsou dva nejdůležitější faktory určující početnost a druhové složení bakterií v přírodních vodních ekosystémech. Tím, že prvoci i viry napadají stejný zdroj potravy, tj. bakterie, můžeme mezi nimi logicky předpokládat antagonistické vztahy. Náš výzkum však přinesl překvapivá zjištění. Specifický výběr některých druhů nebo skupin bakterií pohlcovaných prvoky navodil velké posuny ve složení společenstev bakterií, kde posléze převážilo pouze několik druhů bakterií, buď rychle rostoucích, nebo vláknitých. Protože každý typ bakteriofága může napadnout pouze určitou, geneticky velmi úzkou skupinu bakterií, posuny vyvolané prvoky vlastně významně stimulují aktivitu specifických skupin virů. Nejedná se tedy pouze o antagonistický vztah, ale naopak o velmi specifický typ stimulace aktivity pouze vybraných skupin virů. Tuto hypotézu jsme testovali pomocí terénních pokusů na Římovské přehradě. Zde jsme prokázali synergické působení predace prvoků a napadení bakterií viry na složení přirozeného bakterioplanktonu. Spolupůsobení obou faktorů způsobilo rychlý nárůst vláknitých bakterií rodu Flectobacillus, které byly odolné jak vůči predaci prvoků, tak i proti napadení viry. Naopak některé skupiny bakterií (citlivé na napadení specifickými viry) byly v experimentálním systému potlačeny a tak prakticky vypadly ze soutěže o substrát, což ještě urychlilo růst vláknitých bakterií rodu Flectobacillus
(A) Bakterioplankton a heterotrofní bičíkovci v epifluorescenčním mikroskopu - zelená fluorescence zviditelňuje buňky bakterií hybridizující se specifickou genetickou sondou jak v planktonu, tak i potravních vakuolách bičíkovců (buňky bičíkovců jsou dva výrazné modré objekty o průměru 3-4 µm). (B a C) Mikroautoradiografie kombinovaná s fluorescenční mikroskopií. Relativní aktivita vláken rodu Flectobacillus (úměrná množství vyvolaných černých zrn přiléhajících k vláknu) je menší ve variantě pouze s bičíkovci (B), než ve variantě obohacené jak bičíkovci, tak viry (C).
Šimek, K., Horňák, K., Jezbera, J., Mašín, M., Nedoma, J., Gasol, J. M. Schauer. M.: Influence of top-down and bottom-up manipulations on the R-BT065 subcluster of -proteobacteria, an abundant group in bacterioplankton of a freshwater reservoir. Appl. Environ. Microbiol. 71: 2381-2390 (2005)
Jezbera, J., Horňák, K., Šimek, K.: Food selection by bacterivorous protists: insight from the analysis of the food vacuole content by means of Fluorescence In Situ Hybridization. FEMS Microbiol. Ecol. 52: 351-363 (2005)
Horňák, K., Mašín, M., Jezbera, J., Bettarel, Y., Nedoma, J., Sime-Ngando, T., Šimek, K.: Effects of decreased resource availability, protozoan grazing and viral impact on a structure of bacterioplankton assemblage in a canyon-shaped reservoir. FEMS Microb. Ecol. 52: 315-327. (2005)
Jezbera, J., Horňák, K., Šimek K.: Prey selectivity of bacterivorous protists in different size fractions of reservoir water amended with nutrients. Environ. Microbiol. 8: 1330-1339 (2006)
Šimek K., Hornák K., Jezbera J., Nedoma, J., Vrba, J., Straškrábová, V., Macek, M., Dolan, J. R., Hahn M.W.: Maximum growth rates and possible life strategies of different bacterioplankton groups in relation to phosphorus availability in a freshwater reservoir. Environ. Microbiol. 8: 1613-1624 (2006)
Horňák, K., Jezbera, J., Nedoma, J., Gasol, J.M., Šimek, K.: Bacterial leucine incorporation under different levels of resource availability and bacterivory in a freshwater reservoir. Aquat. Microb. Ecol. 45: 277-289 (2006)
Weinbauer, M.G., Horňák K., Jezbera J., Nedoma, J., Dolan, J.R., Šimek K.: Synergistic and antagonistic effects of viral lysis and protistan grazing on bacterial biomass, production and diversity. (Environ. Microbiol., online publication doi:10.1111/j.1462-2920.2006.01200.x) (2007)
Šimek K., Weinbauer, M.G., Horňák, K., Jezbera J., Nedoma, J., Dolan J.R. Grazer and virus-induced mortality of bacterioplankton accelerates development of Flectobacillus populations in a freshwater community. (Environ. Microbiol. , online publication doi:10.1111/j.1462-2920.2006.01201.x) (2007) >
6.3 Jaderný receptor určuje buněčný osud
Během diferenciace nabývají buňky nových vlastností a stávají se součástí orgánů a tkání. Jaké geny řídí osud buněk se dovídáme z práce na modelových organismech, jako je háďátko Caenorhabditis elegans. Pohlavní žláza háďátka je zajímavým modelem pro studium určení buněčného osudu, neboť její stavba a funce závisí na asymetrii dělení jediné mateřské buňky. Každá z dceřinných buněk přitom má jiný osud: distální buňka řídí vývoj gamet, zatímco proximální buňka indukuje vznik pohlavního vývodu. Tuto asymetrii zajišťuje ?-kateninová signální dráha, bez níž se obě dceřinné buňky chovají jako proximální buňka a gamety následkem toho nevzniknou. Ukázali jsme, že určení obou vývojových osudů a tudíž i stavba celého orgánu vyžaduje interakci ?-kateninové dráhy s jaderným receptorem NHR-25. Ztráta NHR-25 dovoluje vývoj distálních buněk a gamet u jinak sterilních mutantů v ?-kateninové dráze. Vazbou na ?-katenin NHR-25 inhibuje aktivitu této dráhy, zatímco NHR-25 sám je naopak blokován ?-kateninem. Ukazuje se, že lidské a myší homology NHR-25 rovněž interagují s ?-kateninem, čímž řídí pohlavní vývoj nebo buněčný cyklus u savců. Vzájemná regulace mezi jadernými receptory a ?-kateninovou signalizací zřejmě představuje obecný mechanismus diferenciace buněk. S výhodou modelu C. elegans jsme však tuto molekulární interakci prokázali na úrovni jednotlivých buněk in vivo.
(A) Bakterioplankton a heterotrofní bičíkovci v epifluorescenčním mikroskopu - zelená fluorescence zviditelňuje buňky bakterií hybridizující se specifickou genetickou sondou jak v planktonu, tak i potravních vakuolách bičíkovců (buňky bičíkovců jsou dva výrazné modré objekty o průměru 3-4 µm). (B a C) Mikroautoradiografie kombinovaná s fluorescenční mikroskopií. Relativní aktivita vláken rodu Flectobacillus (úměrná množství vyvolaných černých zrn přiléhajících k vláknu) je menší ve variantě pouze s bičíkovci (B), než ve variantě obohacené jak bičíkovci, tak viry (C).
Asahina, M., Valenta, T., Silhankova, M., Korinek, V. and Jindra, M. (2006) Crosstalk between a nuclear receptor and ?-catenin signaling decides cell fates in the C. elegans somatic gonad. Dev. Cell 11, 203-211. [IF ca. 15] >
6.4 Emise oxidu dusného a methanu z půdy pastvin
Miloslav Šimek, Petr Brůček, Jiří Čuhel, Dana Elhottová, Jaroslav Hynšt, Alica Chroňáková, Václav Krištůfek, Anna Němcová, Hana Šantrůčková, Eva Uhlířová
Oxid dusný a methan jsou významné tzv. skleníkové plyny a účastní se i odbourávání ozonu ve stratosféře. K jejich největším zdrojům patří mikrobiální procesy přeměn dusíku a uhlíku v půdách. Zjistili jsme, že velkým zdrojem oxidu dusného a pravděpodobně i methanu jsou půdy pastvin a zimoviště skotu. Vzhledem k velké koncentraci zvířat, akumulaci výkalů a změnám ve struktuře půdy se zde tvoří mnoho plynných metabolitů, který posléze emitují do atmosféry. Dusík a další živiny, které se v půdě hromadí během zimy, jsou intenzivně metabolizovány půdními mikroorganismy především za příznivých podmínek (teplota, vlhkost atd.) v jarním období, kdy vzniká většina emisí. Dochází tak nejen k velkým ztrátám živin z ekosystému, ale i ke znečistění atmosféry oxidem dusným, methanem a dalšími stopovými plyny. Významným výsledkem, zejména s ohledem na praktické možnosti snížení tvorby oxidu dusného v zemědělských půdách, je také zjištění, že emise oxidu dusného velmi pravděpodobně souvisejí s pH půdy: při vyšším pH se relativně snižují (a narůstá podíl molekulárního dusíku). Intenzívně studujeme také tvorbu methanu methanogenními archae a oxidaci methanu v povrchové vrstvě půdy s využitím nejmodernějších metodických přístupů a metod molekulární biologie. Výsledky byly publikovány v posledních 5 letech v cca 20 publikacích včetně 5 v mezinárodních vědeckých časopisech a představeny v 16 dalších příspěvcích na 8 mezinárodních konferencích.
Akumulace dobytka na pastvinách vytváří předpoklady pro akceleraci půdních mikrobiálních procesů a v důsledku vede k emisím skleníkových plynů z půd do atmosféry. Zemědělské půdy jsou významným zdrojem emisí oxidu dusného i methanu.
Emise plynů z půd jsou regulovány řadou faktorů prostředí. Mezi významné kontrolní faktory patří pórovitost půdy a obsah vody v půdních pórech. Snímek znázorňuje měření rychlosti zasakování vody do půdy pastviny, v pozadí jsou komory na měření emisí plynů.
Šimek, M., Cooper, J.E.: The influence of soil pH on denitrification: progress towards the understanding of this interaction over the last 50 years. - E. J. Soil Sci. 53: 345-354 (2002).
Šimek, M., Brůček, P., Hynšt, J., Uhlířová, E., Petersen, S.O.: Effects of excretal returns and soil compaction on nitrous oxide emissions from a cattle overwintering area. Agric. Ecosys. Environ. 112: 186-191 ( 2006).
6.5 Revize tasemnic řádu Pseudophyllidea (Cestoda): fylogenetická analýza na základě morfologických, biologických a molekulárních dat
Scholz T., Kuchta R., Brabec J., Škeříková, Levron C., Bruňanská M., Hypša V.
Tasemnice řádu Pseudophyllidea (štěrbinovky) zahrnují také významné a patogenní cizopasníky člověka a sladkovodních ryb (např. škulovce rodů Diphyllobothrium a Triaenophorus, spargana rodu Spirometra, řemenatky rodů Ligula a Digramma, tasemnici Bothriocephalus acheilognathi). Cílem tříletého projektu bylo na základě nově získaných údajů posoudit příbuzenské (fylogenetické) vztahy mezi jednotlivými skupinami těchto tasemnic. Výsledky získané standardními taxonomickými (morfologie, ultrastruktura, studium vývojových cyklů) i molekulárně-fylogenetickými metodami (sekvenování genů pro malou a velkou podjednotku rRNA) ukázaly, že řád Pseudophyllidea je složen ze dvou nepříbuzných skupin. Skupina Diphyllobothriidea, zahrnující cizopasníky teplokrevných obratlovců včetně člověka (tasemnice rodů Diphyllobothrium a Spirometra), patří mezi nejprimitivnější tasemnice. Naproti tomu skupina Bothriocephalidea, složená především z cizopasníků mořských a sladkovodních ryb, tvoří sesterskou skupinu k evolučně nejmladším, tzv. tetrafosátním tasemnicím, včetně zástupců největšího a lékařsky i veterinárně nejvýznamnějšího řádu Cyclophyllidea (kruhovky), zahrnujícího nejvýznamnější cizopasníky člověka (druhy rodů Taenia a Echinococcus). Získané údaje se staly základem pro komplexní revizi celé skupiny včetně redeskripce všech rodů a umožnily navržení nové klasifikace těchto lékařsky i veterinárně významných cizopasníků.
Publikace (časopisy s impakt faktorem - uveden v závorce):
2004
Kuchta R., Scholz T. 2004. Bathycestus brayi n. gen. and n. sp. (Pseudophyllidea: Triaenophoridae) from the deep-sea fish Notacanthus bonaparte in the North-Eastern Atlantic. Journal of Parasitology 90: 316-321. [IF=1.137]
Logan F.J., Horák A., Aydogdu A., Scholz T. 2004. Phylogeny of diphyllobothriid tapeworms (Cestoda: Pseudophyllidea) based on sequences of the ITS-2 region of the rDNA. Parasitology Research 94: 10-15. [IF=1.000]
Scholz T., Škeříková A., Shimazu T., Grygier M.J. 2004. A taxonomic study of species of Bothriocephalus (Cestoda: Pseudophyllidea) from eels in Japan: morphological and molecular evidence of the occurrence of B. claviceps (Goeze, 1782) and confirmation of the validity of B. japonicus Yamaguti, 1934. Systematic Parasitology 57: 87-96. [IF=0.642]
Škeříková A., Hypša V., Scholz T. 2004. A paraphyly of the genus Bothriocephalus Blanchard, 1852 (Cestoda: Pseudophyllidea) inferred from ITS2 and partial 18S rDNA sequences. Journal of Parasitology 90: 612-617. [IF=1.137]
Šnábel V., Hanzelová V., Scholz T., Gerdeaux D., Cabaret J. 2004. Allozyme analysis of genetic variation and polymorphism in Eubothrium salvelini and E. crassum (Cestoda: Pseudophyllidea) from alpine lakes. Parasitology Research 93: 290-295. [IF=1.000]
2005
Hanzelová V., Kuchta R., Scholz T., Shinn A.P. 2005. Morphometric analysis of four Eubothrium (Cestoda: Pseudophyllidea) parasites of salmonid fish: an interspecific and intraspecific comparison. Parasitology International 54: 207-214. [IF = 1,083]
Kuchta R., Hanzelová V., Shinn A.P., Poddubnaya L.G., Scholz T. 2005. Redescription of Eubothrium fragile (Rudolphi, 1802) and E. rugosum (Batsch, 1786) (Cestoda: Pseudophyllidea), parasites of fish in the Holarctic Region. Folia Parasitologica 51: 251-260. [IF = 0,837]
Levron C., Bruňanská M., Marchand B. 2005. Spermiogenesis and sperm ultrastructure of the pseudo-phyllidean cestode Triaenophorus nodulosus (Pallas, 1781). Parasitology Research 98: 26-33. [IF=1.060]
Poddubnaya L.G., Mackiewicz J.S., Bruňanská M., Scholz T. 2005. Fine structure of the female reproductive ducts of Cyathocephalus truncatus (Pallas, 1781) (Cestoda: Spathebothriidea), from salmonid fish. Folia Parasitologica 52: 323-338. [IF = 0,837]
Poddubnaya L.G., Mackiewicz J.S., Bruňanská M., Scholz T. 2005. Ultrastructural studies on the reproductive system of progenetic Diplocotyle olrikii (Cestoda: Spathebothriidea): ovarian tissue. Acta Parasitologica 50: 199-207. [IF = 0,560]
Poddubnaya L.G., Mackiewicz J.S., Świderski Z., Bruňanská M., Scholz T. 2005. Fine structure of egg-forming complex ducts, eggshell formation and supporting neuronal plexus in progenetic Diplocotyle olrikii (Cestoda, Spathebothriidea). Acta Parasitologica 50: 292-304. [IF = 0,560]
2006
Brabec J., Kuchta R., Scholz T. 2006. Paraphyly of the Pseudophyllidea (Platyhelminthes: Cestoda): circumscription of monophyletic clades based on phylogenetic analysis of ribosomal RNA. International Journal for Parasitology 36: 1535-1541. [IF=3.346]
Bruňanská M., Scholz T., Dezfuli B.S., Poddubnaya L.G. 2006. Spermiogenesis and sperm ultrastructure of Cyathocephalus truncatus (Pallas, 1781) Kessler, 1868 (Cestoda: Spathebothriidea). Journal of Parasitology 92: 884-892. [IF=1.524]
Caira J.N., Scholz T., Georgiev B.B. 2006. Cestode systematics and phylogeny move forward. Systematic Parasitology 65: 171-174. [IF=0.786] Kuchta R., Scholz T. 2006. Australicola pectinatus n. gen. and n. sp. (Cestoda: Pseudophyllidea) from deep-sea fish Beryx splendens from Tasmania. Journal of Parasitology 92: 126-129. [IF=1.524] Kuchta R., Shinn A.P., Hanzelová V., Scholz T. 2006. A comparative study of the egg morphology in four species of Eubothrium (Cestoda: Pseudophyllidea) with comments on their early development. Invertebrate Biology 125: 1-8. [IF=1.288] Levron C., Bruňanská M., Kuchta R., Freeman M., Scholz T. 2006. Spermatozoon ultrastructure of the pseudophyllidean cestode Paraechinophallus japonicus, a parasite of deep-sea fish Psenopsis anomala (Perciformes, Centrolophidae). Parasitology Research 100: 115-121. [IF=1.226] Levron C., Bruňanská M., Poddubnaya L.G. 2006. Spermatological characters in Diphyllobothrium latum (Cestoda: Pseudophyllidea). Journal of Morphology 267: 1110-1119. [IF=1.421] Levron C., Bruňanská M., Poddubnaya L.G. 2006. Spermatological characters of the pseudophyllidean cestode Bothriocephalus scorpii (Müller, 1776). Parasitology International 55: 113-120. [IF=1.280] Poddubnaya L.G., Bruňanská M., Kuchta R., Scholz T. 2006. First evidence of the presence of microtriches in the Gyrocotylidea. Journal of Parasitology 92: 703-707. [IF=1.524] Škeříková A., Brabec J., Kuchta R., Jiménez J.A., García H.H., Scholz T. 2006. Is the human-infecting Diphyllobothrium pacificum a valid species or just a South American population of the Holarctic fish broad tapeworm, D. latum? American Journal of Tropical Medicine and Hygiene 75: 307-310. [IF=2.482]
6.6 Výrazná expanze velikosti genomu vikve (Vicia pannonoca) způsobená namnožením jediného typu gigantického retroelementu.
Velikost jaderného genomu (množství DNA v buněčném jádře) se mezi jednotlivými druhy a čeleděmi vyšších rostlin liší až tisícinásobně. Tyto rozdíly jsou způsobeny především různým podílem repetitivní DNA, která je tvořena mnohonásobně se opakujícími sekvencemi, uspořádanými buď v řadách za sebou (tzv. satelitní DNA), nebo rozptýlenými v genomu (různé typy transpozónů). Přestože je známo velké množství různých repetitivních sekvencí, o mechanizmech regulujících jejich množení a tím i zvětšování velikosti genomu se ví jen velmi málo. V naší laboratoři jsme identifikovali novou skupinu extrémně dlouhých rostlinných retrotranspozónů nazvaných Ogre, která se výrazně podílí na evoluci velikosti genomu u některých druhů dvouděložných rostlin. Zjistili jsme, že v extrémních případech, jakým je genom vikve panonské, došlo díky výraznému zmnožení Ogre elementů ke zvýšení obsahu jaderné DNA až o 50%. Jelikož Ogre elementy jsou u V. pannonica stále transkripčně aktivní, je možné, že tento proces zde stále pokračuje, a proto nabízí zajímavé možnosti pro další studium.
Neumann, P., Koblížková, A., Navrátilová, A., Macas, J.: Significant expansion of Vicia pannonica genome size mediated by amplification of a single type of giant retroelement. - Genetics 173: 1047-1056 (2006). IF(05): 4,289
Macas, J., Neumann, P.: Ogre elements - a distinct group of plant Ty3/gypsy-like retrotransposons. - Gene, accepted 2006. IF(05): 2,694)
6.7 Biogeografický přístup k rostlinným invazím a procesy podmiňující naturalizaci nepůvodních rostlin
Při studiu rostlinných invazí je třeba integrovat nezávisle formulované hypotézy a teorie, jež doposud vysvětlovaly schopnost rostlinných druhů invadovat a náchylnost regionů k invazím [2, 3]; k hledání principů naturalizace (tedy schopnosti zdomácnět v nové oblasti a volně se zde rozmnožovat bez přispění člověka) je velmi vhodný biogeografický přístup [1]. Temperátní pevninské oblasti jsou více invadované než pevniny v tropech, ale tropické ostrovy jsou zasaženy invazemi stejně jako ostrovy mírného pásu. Úspěšnost naturalizace klesá se zeměpisnou šířkou, je tedy vyšší v klimaticky teplejších oblastech. Všechny dosavadní práce vyjadřovaly úspěšnost naturalizace v dané oblasti prostým počtem přítomných naturalizovaných druhů; v práci [1] jsme jako první použili relativní měřítko (procento naturalizovaných z celkového počtu zavlečených druhů), které umožnilo detekovat závislosti jinak skryté (obr. 1).
Vedle klimatu ovlivňují úspěšnost naturalizace zásadním způsobem také další faktory, zejména tlak propagulí (tedy množství rozmnožovacích částic rostliny, které se dostávají do invadované oblasti) a residenční doba (čas, který uplynul od zavlečení). Dokumentuje to studie sledující vliv obou těchto faktorů. Metodický přínos přitom spočívá v tom, že jsme pracovali se známým zdrojovým souborem druhů; naprostá většina studií přistupuje k problému opačně, srovnává rostliny v cílovém území, kterým se podařilo zdomácnět, ale zdrojový soubor druhů nezná. Díky zaměření na dřeviny jsme navíc odfiltrovali rušivý vliv životní formy [4]. Dřeviny introdukované do ČR pro lesnické účely před několika stoletími zplaňují a naturalizují s vyšší pravděpodobností než druhy introdukované později (obr. 2). Relativní význam residenční doby (délky pěstování) je přitom průkazně větší než význam rozsahu pěstování, tj. tlaku propagulí. Studie dokumentuje, že lesnictví je významným historickým zdrojem invazních druhů dřevin v temperátním pásu. V další práci na souboru 180 druhů dřevin pěstovaných v ČR [5] jsme na základě znalosti vlastností studovaných druhů ověřili, zda je možnost předpovědět, které z nich se stanou invazními, a ukázali jsme, že predikční systém vyvinutý v Austrálii je možno úspěšně použít i v temperátní zóně střední Evropy.
Obr. 1. Data z 27 oblastí celého světa ilustrují, že relativní úspěšnost naturalizace zavlečených rostlin (vyjádřená jako % naturalizovaných druhů z celkového počtu zavlečených) klesá se stoupající zeměpisnou šířkou. Vyneseme-li místo % úspěšnosti pouhý počet naturalizovaných druhů, závislost není patrná [1].
Obr. 2. Doba, po kterou je dřevina pěstována, má rozhodující vliv na pravděpodobnost zplanění, které je prvním krokem k naturalizaci. Pro druhy zavedené do lesnických kultur před rokem 1800 činí pravděpodobnost zplanění 95 % [5].
[1] Pyšek P., Richardson D. M. 2006. The biogeography of naturalization in alien plants. J. Biogeogr. 33: 2040-2050.
[2] Richardson D. M., Pyšek P. 2006. Plant invasions: Merging the concepts of species invasiveness and community invasibility. Progr. Phys. Geogr. 30: 409-431.
[3] Pyšek P., Richardson D. M., Jarošík V. 2006. Who cites who in the invasion zoo: insights from an analysis of the most highly cited papers in invasion ecology. Preslia 78: 437-468.
[4] Thuiller W., Richardson D. M., Pyšek P., Midgley G. F., Hughes G. O., Rouget M. 2005. Niche-based modelling as a tool for predicting the risk of alien plant invasions at a global scale. Global Change Biol. 11: 2234-2250.
[5] Křivánek M., Pyšek P., Jarošík V. 2006. Planting history and propagule pressure as predictors of invasions by woody species in a temperate region. Conserv. Biol. 20: 1487-1498.
[6] Křivánek M., Pyšek P. 2006. Predicting invasions by woody species in a temperate zone: a test of three risk assessment schemes in the Czech Republic (Central Europe). Diversity Distrib. 12: 319-327.
6.8 Úloha arbuskulárních mykorhiz v kontaminovaných a degradovaných půdách
Symbióza s arbuskulárními mykorhizními (AM) houbami přestavuje důležitý mechanismus, kterým se rostliny mohou vyrovnávat se stresem spojeným s nedostatkem minerálních živin a vody, nepříznivým pH půdy či vysokými koncentracemi těžkých kovů.
V sérii biotestů využívajících inhibici růstu kořenů salátu jako citlivého indikátoru toxicity kadmia byla zjištěna nižší toxicita Cd v substrátu, ve kterém byly pěstovány rostliny tabáku inokulované AM houbami než v substrátu pocházejícím od neinokulovaných rostlin [1]. Rozdíl se zvyšoval se stoupající koncentrací Cd v substrátu (obr. 1). V návazném pokusu byl zjištěn deseti- až dvacetinásobný obsah Cd na jednotku biomasy mimokořenového houbového mycelia extrahovaného z kontaminovaného substrátu ve srovnání s kořeny. Hypotézu o imobilizaci těžkých kovů AM houbami potvrzují i výsledky experimentu provedeného v půdě kontaminované olovem, kde inokulace AM houbami vedla ke zvýšení koncentrací Pb v kořenech rostlin, pravděpodobně díky akumulaci kovu v houbovém myceliu [2]. Ze získaných výsledků lze usuzovat na potenciální uplatnění arbuskulární mykorhizy ve fytostabilizaci kontaminovaných půd.
AM houby ovlivňují také produkční charakteristiky rostlin a složení rostlinných společenstev. Různé druhy AM hub a délka jejich mimokořenového mycelia v nádobovém experimentu výrazně ovlivnily koexistenci 2 dominantních druhů rostlin spontánně osídlujících vysoce alkalický antropogenní substrát z odkaliště továrny na PVC v Portugalsku, dřeviny Salix atrocinerea a byliny Conyza bilboana, a to z hlediska produkce biomasy (obr. 2) a tvorby semen [3]. V dalším experimentu zaměřeném na produkci biomasy v substrátu čerstvě rekultivované hnědouhelné výsypky bylo zjištěno, že současná inokulace kukuřice AM houbami a půdními kvasinkami vedla ke zvýšení produkce rostlinné biomasy v závislosti na kombinaci izolátu AM houby a kmene kvasinek [4].
Obr. 1: Vliv koncentrace kadmia v substrátu na růst kořene klíčícího salátu. Relativní délka kořene představuje procenta délky kořene při koncentraci Cd 0 mg.kg-1. Prázdné symboly: substrát z mykorhizní rhizosféry; plné symboly substrát z nemykorhizní rhizosféry.
Obr. 2: Koexistence mezi Conyza bilbaoana a Salix atrocinerea. Procentuální podíl Conyza bilbaoana na celkové biomase v kultivačním systému. Rostliny kontrolní neninokulované nebo inokulované G. intraradices BEG163, G. mosseae BEG198, G. claroideum BEG210, G. geosporum BEG199 nebo směsí těchto 4 izolátů AM hub.
[1] Janoušková M., Pavlíková D., Vosátka M. 2006. Potential contribution of arbuscular mycorrhiza to cadmium immobilisation in soil. Chemosphere 65: 1959-1965.
[2] Sudová R., Pavlíková D., Macek T., Vosátka M. 2007. The effect of EDDS chelate and inoculation with the arbuscular mycorrhizal fungus Glomus intraradices on the efficacy of lead phytoextraction by two tobacco clones. Appl. Soil Ecol. 35: 163-173.
[3] Oliveira R. S., Castro P.M.L., Dodd J.C., Vosátka M. 2006. Different native arbuscular mycorrhizal fungi influence the coexistence of two plant species in a highly alcaline anthropogenic sediment. Plant Soil 287: 209-221.
[4] Gollner M.J., Püschel D., Rydlová J., Vosátka M. 2006. Effect of inoculation with soil yeasts on mycorrhizal symbiosis of maize. Pedobiologia 50: 341-345.
6.9 Populační dynamika rostlin a její význam pro pochopení chování druhů v krajině
Maticové modely jsou cenným nástrojem pro analýzu životaschopnosti populací. Ač jsou tyto techniky používány pro predikci vývoje populací organismů již několik desetiletí, stále trpí mnoha metodickými problémy. Stále také nebylo dostatečně oceněno využití těchto modelů pro zodpovězení různých ekologických otázek. Zabývali jsme se existujícími technikami, které jsou k dispozici pro sběr dat o životním cyklu rostlin. Ukázali jsme, že dnes využívané techniky jsou velmi nepřesné a navrhli jsme techniku, která zaručí větší spolehlivost predikcí maticových demografických modelů [1].
V dalších studiích jsme ukázali možnost využití populačních maticových modelů pro predikci vzácnosti druhů a reakce druhů na zmenšování jejich stanovišť [2, 3]. Výsledky obou studií potvrdily, že přístup založený na studiu celého životního cyklu druhu vede k daleko realističtější predikci chování druhů než klasické přístupy, založené na srovnávání jednotlivých vlastností druhů. Tento výsledek ukazuje, že závěry klasických studií na téma ohroženosti druhů mohou být zavádějící a naznačují potřebu sběru dalších podrobných dat o chování rostlinných populací. Konkrétně jsme v modelových studiích ukázali, že predace semen může být významným faktorem ovlivňujícím rozdíly v hojnosti druhů na krajinné úrovni a to na vzory tomu, že intenzita predace se mezi druhy neliší (obr. 1). Na druhou stranu jsme ukázali, že velikost populace nemá vliv na dlouhodobé perspektivy populací rostlin a to přesto, že ovlivňuje jednotlivé vlastnosti rostlin.
Výsledky našich studií také naznačují velký význam znalostí o populační dynamice druhů pro posouzení výskytu vhodných, ale druhem neobsazených stanovišť v krajině [4]. Konkrétně na výsledcích 11-letého výsevového pokusu demonstrujeme, že možnosti identifikace vhodných neobsazených stanovišť současnými technikami jsou výrazně omezené u druhů s nízkou pravděpodobností uchycení a dlouhou dobou života. Znalost populační dynamiky zájmových druhů před založením takovýchto pokusů by umožnila vzít tuto skutečnost v úvahu a navrhnout robusnější metodiky k identifikaci těchto stanovišť. Výsledky této studie současně ale také potvrzují předpoklad, že vhodná neobsazená stanoviště v krajině opravdu existují. Jejich existence je nezbytná jako jeden z faktorů dokládající skutečnost, že druh v krajině funguje jako metapopulace, tj. soubor propojených vzájemně interagujících populací.
Obr. 1. Vliv predace semen na hojný a vzácný druh rodu Cirsium. Bez predace semen je populační růstová rychlost obou druhů stejná. Zahrnutí stejné míry predace semen pro oba druhy do modelu má za důsledek mnohem větší pokles růstové rychlosti u vzácného než u hojného druhu. Graf ukazuje průměr a směrodatnou odchylku.
[1] Münzbergová Z., Ehrlén J. 2005. How best to collect demographic data for population viability analysis models. J. Appl. Ecol. 42: 1115-1120.
[2] Münzbergová Z. 2005. Determinants of species rarity: Population growth rates of species sharing the same habitat. Am. J. Bot. 92: 1987-1994.
[3] Münzbergová Z. 2006. Effect of population size on prospect of species survival. Folia Geobotanica 41: 137-150.
[4] Ehrlén J., Münzbergová Z., Diekmann M., Eriksson O. 2006 Long-term assessment of seed limitation in plants: results from an 11-year experiment. J. Ecol. 94: 1224-1232.
6.10 Důkazy historické a recentní selekce působící na geny hlavního histokompatibilního systému (MHC) v cyklických populacích hlodavců
Interakce hostitel-patogen hrají významnou roli ve vztahu mezi populační dynamikou a přírodní selekcí. Velmi vhodnými znaky pro studium těchto vztahů jsou geny hlavního histokompatibilního systému (MHC) u druhů s cyklickou populační dynamikou, neboť produkty těchto genů se podílejí na iniciaci imunitní odpovědi proti patogenům a vykazují vysokou úroveň adaptivní variability. Aplikací poloautomatické analýzy konformace jednořetězců (SSCP), klonování a sekvencování byla studována variabilita a exprese genu DQA u tří cyklických druhů hrabošů a poprvé u hlodavců vůbec popsána funkční duplikace tohoto genu u všech tří druhů. Analýza sekvencí prokázala významnou roli historické diverzifikující selekce působící na aminokyseliny, které ve struktuře proteinu zodpovídají za rozlišení a vazbu cizorodého antigenu. Srovnáním genetické struktury sedmi cyklických populací podzemní formy hryzce vodního (Arvicola terrestris) na základě neutrálních (14 mikrosatelitů) a MHC znaků (geny DQA1 a DRB) bylo možno identifikovat typ a intenzitu přírodní selekce působící na MHC geny v současnosti. V období nízké hustoty byly jednotlivé populace více diferencovány na MHC než na neutrálních znacích, tj. kromě migrace a driftu působí i selekce. To by odpovídalo lokálním adaptacím, které jsou způsobeny pravděpodobně rozdílnými společenstvy patogenů v jednotlivých fragmentovaných částech populace. S nárůstem populační hustoty toto uspořádání mizí a v období vrcholné hustoty je celková populace na MHC genech homogenizována dokonce ještě více než na neutrálních znacích. To je možno vysvětlit balancující selekcí v důsledku zvýšené disperze jak hostitelů, tak i parazitů.
BRYJA J., GALAN M., CHARBONNEL N., COSSON J.-F.: Duplication, balancing selection and trans-species evolution explain the high levels of polymorphism of the DQA MHC class II gene in voles (Arvicolinae). - Immunogenetics, 58: 191-202 (2006).
BRYJA J., CHARBONNEL N., BERTHIER K., GALAN M., COSSON J.-F.: Density-related changes in selection pattern on major histocompatibility complex genes in fluctuating populations of voles. - Odesláno do redakce Molecular Ecology.
6.11 Evoluční síly ovlivňující hnízdní strategie u ptáků
Důležitými selekčními silami ovlivňující životní adaptivní historie u ptáků jsou predace a hnízdní parazitismus, ačkoli reprodukční výsledek významně ovlivňují také odchylky od typicky monogamního způsobu rozmnožování (promiskuita). Odhalení principů těchto mechanismů umožňuje detailní poznání specifických rysů ptačích životních historií. Závěry studií jsou nejen teoreticky významné, ale mohou být využity i pro ochranu samotných ptáků nebo k výběru péče o jejich hnízdiště. Poznání faktorů ovlivňujících predaci hnízd poláka velkého umožňuje navrhnout management druhu.V rámci hostitelsko-parazitačního systému jsme zhodnotili "puncture-resistance" hypotézu pevnosti skořápek hnízdního parazita porovnáním nákladů spojených s odstraněním tohoto vejce vybranými hostiteli. Experimentálně jsme testovali nakolik absenční žadonění, jako vedlejší signál, ovlivňuje frekvenci krmení hostiteli. Dále jsme prokázali, že vysoká synchronizace ve snášení vajec hnízdního parazita s jeho hostiteli je adaptivní reakcí na optimální dobu líhnutí parazita. Výsledky komparativní studie ukázaly, že selekční gradient působí vůči nevěře samic (přímé náklady promiskuity) a vysvětluje variabilitu v mimopárovém oplození na mezidruhové úrovni u pěvců.
Albrecht, T., Hořák, D., Kreisinger, J., Weidinger, K., Klvaňa, P., Michot, T.C:. Factors determining Pochard nest predation along a wetland gradient. - J. Wildl. Manage. 70(3): 784-791 (2006).
Albrecht, Kreisinger, J., Piálek, J.: The strength of direct selection against female promiscuity is associated with rates of extrapair fertilizations in socially monogamous songbirds. - Am. Nat. 167: 732-742 (2006).
Antonov, A., Stokke, B., Moksnes, A., Kleven, O., Honza, M., Røskaft, E.: Eggshell strength of an obligate brood parasite: a test of the puncture resistance hypothesis .- Behav. Ecol. Sociobiol. 60: 11-18 (2006).
Honza M, Kuiper SM, Cherry M.I.: Behaviour of African turdid hosts towards experimental parasitism with artificial red-chested cuckoo Cuculus solitarius eggs - J. Avian Biol. 36 (6): 517-522 ( 2005).
Honza M, Moskat, C.: Antiparasite behaviour in response to experimental brood parasitism in the great reed warbler: a comparison of single and multiple parasitism. - Ann. Zool. Fennici 42 (6): 627-633 ( 2005).
Honza, M., Šicha, V., Procházka, P. Ležalová R.: Host defence against a color-dimorphic brood parasite: great reed warblers (Acrocephalus arundinaceus) versus common cuckoo. - J. Ornithol. 147: 629-637 (2006).
Moskat, C., Barta, Z., Hauber, M.E., Honza, M.: High synchrony of egg laying in common cuckoos (Cuculus canorus) and their great reed warbler hosts. - Ethol. Ecol. Evol. 18: 159-167 (2006).
Šicha V., Procházka, P., Honza, M.: Hopeless solicitation? Host-absent vocalization in the common cuckoo has no effect on feeding rate of reed warblers. - J. Ethol. DOI 10. 1007/s10164-006-0011-2 (2006).
6.12 Tažní ptáci a virus ptačí chřipky H5N1 - šíření v Eurasii, možnosti zánosu do Ameriky a rozptylu po kontinentu
Vodní vrubozobí ptáci jsou rezervoárem většiny virů chřipky A, včetně vysoce patogenní ptačí chřipky (HPAI). Vysoká smrtnost jejího subtypu H5N1 se zdála omezovat roli tažných ptáků při jeho šíření. Situace se však změnila, neboť virus HPAI H5N1 se v letech 2005 a 2006 m.j. také prostřednictvím tažných ptáků rychle rozšířil po Asii, Evropě a Africe. Existují tři teoretické možnosti, jak by mohli ptáci tento virus importovat rovněž na západní polokouli: migrace, potulky (zahnání ptáků silným větrem z Evropy či Afriky) a obchod s ptáky. Větrem zahnaní nebo tažní ptáci jsou méně pravděpodobným prostředkem zánosu do Ameriky, zatímco dovoz domácích a okrasných ptáků je potenciálním mechanizmem mnohem pravděpodobnějším. V případě zánosu do Ameriky hrozí podobné riziko následné kontinentální diseminace viru HPAI H5N1 tažnými vrubozobými ptáky (labutě, husy, kachny) jako v Eurasii.
Obrázek: Infekční částice viru chřipky A.
Hubálek Z.:. An annotated checklist of pathogenic microorganisms associated with migratory birds. - J. Wildl. Dis. 40: 639-659 (2004). Hubálek Z.: Migratory birds and influenza virus. 8th Workshop of the Southeastern European Bird Migration Network (SEEN). Praha, abstract (2006). Hubálek Z.: Ptačí chřipka a tažní ptáci. Crex 26: 131-137 (2006). Rappole J. H., Hubálek, Z.: Birds and influenza H5N1 virus movement to and within North America.- Emerg. Infect. Dis. 12: 1486-1492 (2006).
6.13 Proteinová flexibilita přizpůsobuje fotosyntetickou transformaci energie k okolní teplotě
Fyzikálně chemické zákony předpovídají, že rychlost klíčových reakcí ve fotosyntetických reakčních centrech bude vzrůstat exponenciálně se vzrůstající teplotou, což povede k rozdílné účinnosti transformace sluneční energie při růstových teplotách mezofilů a extremofilů. Měření rychlosti přenosu elektronů mezi chinony Qa a Qb fotosystému 2 však ukázalo podobné hodnoty u mezo a termofilů. Pomocí analýzy strukturního modelu fotosystému 2 jsme nalezli dutiny v proteinech D1 a D2 a sekvence aminokyselin zodpovědné za kondenzaci alfa šroubovic, jenž společně poskytují proteinům reakčního centra lokální flexibilitu. Mutace, kterými jsme zvýšili objem aminokyselinových zbytků a zmenšili objem dutin v blízkosti výše zmíněných sekvencí vedly u mezofilů k termofilnímu fenotypu. Pozorované výsledky vysvětlujeme pomocí nového mechanismu zpomalování reakcí nad fyziologickými teplotami, jehož kontrola je na molekulární úrovni zprostředkována sítí vodíkových vazeb mezi kondenzovanými motivy proteinů, v rozporu s klasickým Arrheniovským chováním. Tento odhalený mechanizmus poskytuje nová vodítka pro manipulaci aklimatizace enzymů pro širokou škálu teplot
Shlyk-Kerner, O., Samish, I., Kaftan, D., Neta Holland, P. S., Maruthi Sai, Hadar Kless a Avigdor Scherz - NATURE 442 (7104): 827-830 (2006)
