Role of phenotypic plasticity, genetic and epigenetic differentiation in ecophysiological traits of Festuca rubra L. in response to climate change

• Název práce v češtině: Role fenotypové plasticity, genetické a epigenetické diferenciace u ekofyziologických znaků druhu Festuca rubra L. v reakci na klimatické změny
• Název v anglickém jazyce: Role of phenotypic plasticity, genetic and epigenetic differentiation in ecophysiological traits of Festuca rubra L. in response to climate change
• Klíčová slova: Klimatické změny, ekofyziologické znaky, epigenetická diferenciace, genetická diferenciace, lokální adaptace, fenotypová plasticita, reciproční přesazovací pokusy
• Klíčová slova anglicky: climate change, ecophysiological traits, epigenetic differentiation, genetic differentiation, local adaptation, phenotypic plasticity, reciprocal trasplant experiment
• Akademický rok vypsání: 2015/2016
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra botaniky (31-120)
• Vedoucí / školitel: prof. RNDr. Zuzana Münzbergová, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 10.11.2015
• Datum zadání: 10.11.2015
• Datum odevzdání elektronické podoby: 15.08.2017
• Datum proběhlé obhajoby: 11.09.2017
• Oponenti: Mgr. Renata Schnablová, Ph.D.

Předběžná náplň práce

Pochopení schopnosti druhů reagovat na klimatické změny je nezbytnou podmínkou pro predikce jejich budoucího rozšíření. Cílem této diplomové práce bude identifikovat mechanismy, kterými na klimatické změny reaguje široce rozšířený druh Festuca rubra. Nejčastějším přístupem ke studiu reakce druhů na klimatické změny jsou studie sledující druhy podél výškových gradientů. Zde je ovšem těžké odlišit význam jednotlivých faktorů (např. teploty, srážek, půdních podmínek), neboť jsou tyto faktory podél výškového gradientu korelované. Tato studie bude proto využívat unikátního systému v západním Norsku, který disponuje faktoriálně zkříženými gradienty průměrných ročních srážek a průměrných ročních teplot a umožňuje tyto faktory separovat při zachování maximálně podobných stanovištních podmínek.
Rostliny z různých stanovišť se známými klimatickými podmínkami byly přesazeny do klimaboxů simulující různé podmínky prostředí. Pomocí rozdílů v měřených fyziologických a morfologických charakteristikách se bude určovat, zda tyto rostliny reagují na klimatické změny prostřednictvím fenotypové plasticity nebo genetické adaptace, popř. do jaké míry se zde projevuje fenotypová plasticita a do jaké genetická adaptace, a dále jakou část adaptace tvoří dědičné epigenetické modifikace.

Otázky:

1) Reaguje druh Festuca rubra na klimatické změny prostřednictvím fenotypové plasticity nebo je geneticky adaptována? Popř. do jaké míry se projevuje fenotypová plasticita a do jaké genetická adaptace?
2) Hraje nějakou roli v adaptaci na klimatické změny epigenetická dědičnost? Popř. jaká část genetické adaptace je zapříčiněna dědičnými epigenetickými modifikacemi?

Metodika:
Pro tuto studii bylo využito 12 lokalit nacházejících se na faktoriálně zkřížených gradientech průměrných ročních srážek a průměrných ročních teplot v západním Norsku. Na jedenácti z dvanácti těchto lokalit se vyskytuje modelová rostlina Festuca rubra. Na každé z těchto lokalit bylo nasbíráno 25 samostatných genet.
V první části pokusu byly genety klonálně namnoženy a umístěny do čtyř klimaboxů. Klimaboxy byly nastaveny tak, aby simulovaly podmínky z nejextrémnějších podmínek norských lokalit (tj. teplý suchý, teplý vlhký, studený suchý a studený vlhký). Po aklimatizaci na nich proběhlo měření fotosyntetické aktivity, osmotického potenciálu, fluorescence chlorofylu a specifické listové plochy.
V druhé části se napěstují nové odnože z původních rostlin a polovina se ošetří demetylačním činidlem. Rostliny budou přemístěny do klimaboxů a po aklimatizaci budou probíhat stejná měření jako v první části pokusu.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

Understanding the ability of species to respond to climate change is a important for predicting their future expansion. The aim of this diploma thesis will be to identify the mechanisms by which the widespread species Festuca rubra reacts to climate change. The most common approach to studying species response to climate change is the study of species along altitude gradients. However, it is difficult to distinguish the significance of individual factors (eg temperature, precipitation, soil conditions) as these factors are correlated along the height gradient. This study will therefore use the unique system in western Norway, which has factorial crossed gradients of average annual precipitation and average annual temperatures and allows these factors to separate while maintaining the most similar site conditions.
Plants from different sites with known climatic conditions were transplanted into growth chambers simulating different environmental conditions. Differences in measured physiological and morphological traits will determine whether these plants respond to climate change through phenotypic plasticity or genetic adaptation or the extent to which phenotypic plasticity and genetic adaptation is shown, and what part of the adaptation consists of inheritance epigenetic modifications.

Questions:

1) Does Festuca rubra react to climate change through phenotypic plasticity or is genetically adapted? Or, to what extent does phenotypic plasticity and genetic adaptation occur?
2) Does epigenetic inheritance play a role in adapting to climate change? Or, what part of the genetic adaptation is caused by inherited epigenetic modifications?

Methodology:
For this study, 12 localitis placed on factorial crossed gradients of average annual precipitation and average annual temperatures in western Norway. At eleven of these twelve sites, the model plant Festuca rubra was found. At each of these localities, 25 separate genets were collected.
In the first part of the experiment, the genets were cloned and placed in four growth chambers. Growth chambers were set to simulate conditions from the most extreme conditions of Norwegian sites (ie warm dry, warm wet, cold dry and cold wet). After acclimatization, measurements of photosynthetic activity, osmotic potential, chlorophyll fluorescence and specific leaf areas were performed.
In the second part, new offspring of the original plants are grown and half is treated with a demethylating agent. Plants will be moved to growth chambers and after acclimatization, the same measurements will be performed as in the first part of the experiment.