Mezidruhová hybridizace perlooček komplexu Daphnia longispina a její ekologický a evoluční význam

(Adam Petrusek, Štěpánka Dlouhá, Jakub Stodola)

Málokdo z obyčejných smrtelníků zaznamená přítomnost planktonních korýšů rodu Daphnia v jiné souvislosti, než při krmení rybiček. O to víc je však udivující jejich křehká průsvitná krása, množství, v jakém se v planktonu českých stojatých vod vyskytují, i význam, který pro tento ekosystém mají. Jsou klíčovou složkou sladkovodních potravních řetězců a jakožto významní filtrátoři zajišťují čistotu a kvalitu vody v přehradních nádržích. Díky svému životnímu cyklu – cyklické partenogenezi – se staly modelovými organismy pro řadu biologických oborů. V aplikovaném výzkumu se používají například při testování toxicity chemických látek. S rozvojem molekulárních metod posledních desetiletích stoupl význam perlooček rodu Daphnia také pro evoluční biologii.

foto: J. Fott

Naše pozornost je zaměřena na výzkum ekologie a evoluce druhového komplexu Daphnia longispina, do kterého kromě „čistých“ druhů náleží také množství mezidruhových kříženců, zpětných kříženců a jedinců s komplikovanou kombinací alel. K hybridizaci a introgresi genů dochází v evropských vodách především mezi druhy D. longispina, D. galeata a D. cucullata. Tyto druhy jsou ve střední Evropě hojné, mají překrývající se areály výskytu a často tak alespoň některé z nich nalézáme na stejných lokalitách. Jejich hybridi  v partenogenetické části životního cyklu dosahují stejných nebo dokonce vyšších populačních hustot než rodičovské druhy a významně se tak podílí na procesech probíhajících v planktonních společenstvech. K pochopení ekologických i evolučních vztahů v druhovém komplexu je proto výzkum hybridů klíčový. 

foto: J. Seďa

Při výzkumu ekologie a hybridizace perlooček z druhového komplexu D. longispina se na katedře zaměřujeme na tato témata:

1. Diferenciace nik a konkurence druhů D. longispina, D. galeata, D. cucullata a jejich hybridů na gradientech korytovitých nádržích je stěžejním tématem celého výzkumného projektu. Korytovité nádrže jsou asi jediným stojatým sladkovodním ekosystémem, který je charakteristický přítomností výrazných horizontálních ekologických gradientů. Pro výskyt zooplanktonu, rod Daphnia nevyjímaje, je klíčová především změna v obsahu živin a fytoplanktonu a rozdílná intenzita rybí predace mezi oblastí přítoku a hráze. Tyto gradienty narušují homogenitu pelagického prostředí a otevírají perloočkám celou škálu ekologicky odlišných habitatů. Pro nás jsou zase poměrně snadno měřitelné a umožňují nám sledovat prostorovou distribuci populací uvnitř nádrže a preference a konkurenceschopnost jednotlivých druhů a mezidruhových kříženců. Na základě dosavadních výsledků si navíc troufáme tvrdit, že přítomnost podélných ekologických gradientů by mohla uvnitř nádrží vést ke vzniku lokálních hybridních (nebo alespoň hybridy dominovaných) zón, které v běžných stojatých vodách nenalézáme.
2. Tvarová variabilita druhů a mezidruhových kříženců. Jedna z metod geometrické morfometrie – Fourierovská eliptická analýza – aplikovaná na obrys těla perlooček by nám měla pomoci rozuzlit věčné dohady – totiž nakolik se na výsledném fenotypu hybridů podílí genotyp a nakolik vliv podmínek vnějšího prostředí. Naší snahou je také charakterizovat s pomocí statistiky a čísel fenotyp (tj. vzhled) mezidruhových hybridů, jehož nejúspěšnější současný popis zní zhruba: „Hybridi jsou prostě něco mezi, ale ne úplně.“
3. Detailní genetická struktura populací ve vybraných nádržích. Se „zbraní hromadného tvoření“ molekulárních dat v rukou – analýzou mikrosatelitů – budeme schopni zodpovědět několik dalších, pro nás klíčových, otázek. Kdo je vůbec kdo? Hybridizují úspěšně všechny genotypy? Jak je úspěšný sex hybridů? Vede masivnější hybridizace ke větší tvarové variabilitě? A můžeme pozorovat různé prostorové či ekologické preference na úrovni genotypů také uvnitř jediného druhu?
4. Porovnání různých přístupů ke genetické identifikaci druhů a hybridů. Způsobů, jak poznat v rámci komplexu D. longispina  „kdo je kdo“, existuje několik. Určování na základě morfologických znaků je velmi nespolehlivé, proto se používá řada molekulárních metod: od standardně používané alozymové elektroforézy, přes restrikční analýzu oblasti ITS jaderného genomu až po identifikaci pomocí několika mikrosatelitových lokusů najednou. Každá tato metoda má své výhody a nevýhody. Za účelem minimalizovat zbytečné ztráty katedrového konta (a také abychom získali co nejspolehlivější výsledky) se snažíme zjistit, který je ten nejlepší a co možná nejlevnější. 

foto: Š. Dlouhá

Při výzkumu velmi úzce spolupracujeme s J. Seďou a J. Macháčkem z Hydrobiologického ústavu AV ČR v Českých Budějovicích, kteří začali zkoumat hybridy v nádržích již v 90. letech minulého století. Klíčová je pro nás také spolupráce s pracovní skupinou K. Schwenka z univerzity J. W. Goetha ve Frankfurtu nad Mohanem.

V  letech 2005-6 byl výzkum financován Grantovou agenturou České republiky (hl. řešitel J. Seďa), na něj navázal projekt Š. Dlouhé (Ruthové) od Grantové agentury Univerzity Karlovy. V roce 2009 byl zahájen čtyřletý projekt financovaný Grantovou agenturou Akademie věd ČR (nadále ve spolupráci s AV ČR).

Na leteckém snímku viditelný podélný gradient obsahu fytoplanktonu v nádrži Římov, jedné z našich sledovaných lokalit.

ortofoto: Gefos a.s., České Budějovice

Vybrané publikace:

Petrusek, A., Seďa, J., Macháček, J., Ruthová, Š., Šmilauer, P. (2008): Daphnia hybridisation along ecological gradients in pelagic environments: the potential for the presence of hybrid zones in plankton. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Series B-Biological Sciences, 363(1505): 2931-2941.

Seďa, J., Petrusek, A., Macháček, J., Šmilauer, P. (2007): Spatial distribution of the Daphnia longispina species complex and other planktonic crustaceans in the heterogeneous environment of canyon-shaped reservoirs. Journal of Plankton Research, 29(7): 619-628.

Skage, M., Hobæk, A., Ruthová, Š., Keller, B., Petrusek, A., Seďa, J., Spaak, P. (2007): Intra-specific rDNA-ITS restriction site variation and an improved protocol to distinguish species and hybrids in the Daphnia longispina complex. Hydrobiologia, 594: 19-32.