Příčiny a důsledky změn genetické struktury populací bobra evropského

• Název práce v češtině: Příčiny a důsledky změn genetické struktury populací bobra evropského
• Název v anglickém jazyce: Drivers and consequences of Eurasian beaver population genetic structure changes
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: disertační práce
• Jazyk práce: čeština
• Ústav: Katedra zoologie (31-170)
• Vedoucí / školitel: doc. Mgr. Pavel Munclinger, Ph.D.
• Řešitel: Mgr. Jan Náhlovský - zadáno vedoucím/školitelem
• Datum přihlášení: 14.10.2021
• Datum zadání: 14.10.2021

Předběžná náplň práce

Bobr evropský (Castor fiber) prošel dramatickým bottleneckem s vrcholem v 19. století a následným fenomenálním opětovným rozšířením. Při zpětném šíření dochází ke křížení jedinců z různých dříve izolovaných populací, ve kterých se působením driftu zafixovaly jiné alely. Díky snížené variabilitě a křížení tak vzniká unikátní model „přírodní laboratoře“, ve které můžeme sledovat efekty spojené s výskytem různých alel a genotypů vystavených selekci v přirozených podmínkách. U bobra je značně ochuzena celková genetická variabilita včetně MHC genů, ze kterých však byl doposud podrobněji sledován jediný lokus DRB. Pilotní experimenty v rámci diplomové práce ukázaly, že snížení variability se týká i dalších MHC genů (DQA). Analýza sekvencí alel a jejich frekvencí v populacích navíc jasně naznačuje na působení selekce v minulosti i v současnosti v nově založených populacích. Překvapivě se také ukázala vazebná nerovnováha mezi MHC a mitochondriálními haplotypy, která může naznačovat na asortativní křížení. Plán disertace logicky navazuje na pilotní analýzy diplomové práce a cílí na odhalení příčin a důsledků změn genetické struktury bobrů.
První etapa disertace bude zaměřena na rozvedení pilotních projektů z diplomové práce a jejich finalizaci v podobě publikací. Diplomová práce byla zaměřena na genotypizaci reliktních i nově založených populací bobra pomocí mikrosatelitových lokusů a klasického sekvenování mtDNA a dvou MHC lokusů. Pilotní experimenty naznačily střídání vlivu selekce a bottlenecku na MHC lokusy. Jako vedlejší (však pro analýzy nezbytný) produkt se podařilo získat unikátní data pro podrobnou analýzu struktury nově založených populací.
Cíle první etapy:
1) Popis struktury a původu současných populací na území České republiky pomocí neutrálních markerů (mtDNA haplotypy, mikrosatelitové lokusy) a změn v posledních desetiletích (cílový časopis Journal of Vertebrate Zoology). Pro tuto část jsou již provedeny laboratorní analýzy a připraveny datasety k analýzám.
2) Srovnání současného a dřívějšího stavu reliktních populací (cílový časopis Mammal Research). Pro tuto část máme připravená data ze tří reliktních populací, která ukazují na kontakt těchto dříve izolovaných populací s bobry z expanzní vlny.
3) Detekce vlivu selekce a bottlenecku na variabilitu MHC v minulosti i v současných populacích (cílový časopis Molecular Ecology nebo Heredity). Pro tuto část máme připravenou většinu dat a jsou již i provedeny analýzy. Pro finalizaci by bylo vhodné ověřit výsledky analýzou exprese a hlubokým prosekvenováním lokusů metodami sekvenování nové generace. Zásadní bude také doplnění datasetu o vzorky bobra kanadského. Srovnání variability MHC lokusů se situací u sesterského druhu, který neprošel tak silným bottleneckem jako náš cílový druh, ukáže jedinečnost situace u bobra evropského. Vzorky již byly přislíbeny americkými kolegy.
Druhá etapa bude zaměřena na souvislost fenotypových projevů, fitness a výskytu MHC alel v admixovaných populacích. Pilotní experimenty totiž naznačily překvapivý vztah kondice a MHC genotypů. U vzorků bobrů z českých populací máme k dispozici kromě jejich geografické polohy také další údaje, jako je pohlaví, hmotnost a různé tělesné míry, jejichž kombinace již byla u bobrů v několika studiích úspěšně použita jako ukazatel kondice. Určení pohlaví ověříme pomocí jednoduché molekulární metody. Rozdíly v MHC by mohly významně ovlivnit složení mikrobiomu, který se stále více dostává do popředí jako významný činitel ovlivňující fitness jedince. Plánujeme analýzu mikrobiomu bobrů z reliktních a nově založených populací, a také analýzu jedinců s různými MHC genotypy. Tato analýza by mohla odhalit vztah genetické diverzity a MHC genotypů se složením a diverzitou mikrobiomu. Výhodou je podrobná znalost technik analýzy mikrobiomu na našem oddělení (team J. Kreisingera).
Cíle druhé etapy
1) Zjištění vztahu MHC genotypů a ukazatelů fitness. Pro tuto část práce jsou všechna data již k dispozici.
2) Popis mikrobiomu bobra evropského a zjištění vztahu složení a diverzity mikrobiomu s MHC genotypy a celkovou genetickou diverzitou. Vzorky pro odladění analýz jsou k dispozici. Další vzorky získáme díky spolupráci s kolegy z ČZU (team A. Vorla), kteří pravidelně bobry chytají v ČR, a pomocí zavedených mezinárodních spoluprací.
Třetí etapa se zaměří na analýzu disperze a pohlavně specifických markerů v nově založených populacích. Pilotní analýzy také naznačily přítomnost cytonukleární nerovnováhy MHC lokusů a mtDNA. Jednou z možných příčin této nerovnováhy by mohlo být asortativní křížení, na které se také pokusíme zaměřit. Stávající set doplníme o markery na chromosomu Y, abychom pokryli markery s uniparentálním přenosem (marker na mtDNA již máme odzkoušen). Pokusíme se využít mikrosatelitové lokusy v sekvencích chromosomu Y z dostupných celogenomových dat bobra kanadského. Naše předběžná analýza již odhalila několik nadějných lokusů. Dostupnost celogenomových dat také přímo vybízí k rozšíření setu mikrosatelitových lokusů pro možnost podrobnějších analýz. Dále se zaměříme na celogenomové analýzy pomocí nových možností sekvenování. Tyto přístupy pomohou odhalit detaily struktury nově založených populací (dosavadní markery poskytují jen velmi hrubý obraz), zachycení míry promíchání (admixture) původních genomů z reliktních populací (pomocí analýzy genomických klin a admixture mapping) a rozdíly v disperzi mezi pohlavími. Flexibilně využijeme aktuální možnosti. Metody se totiž dramaticky vyvíjejí. Jednou z možností je získání většího množství SNPs (pomocí ddRAD sekvenování a pomocí SNPs z dříve publikované práce Senn et al. (2014), kde bohužel SNPs byly pro naši studii vybrány nevhodným nenáhodným způsobem a hrozí zde tedy takzvaný ascertainment bias). Protože komunikace bobrů je do značné míry založena na čichu a pachových značkách, plánujeme analýzu produktů pachových žláz. Zvláště bakteriální složení výměšků pachových žláz by mohlo přinést slibné výsledky a je logickým napojením na analýzy MHC.
Cíle třetí etapy:
1) Analýza prostorové struktury uniparentálně předávaných částí genomu a srovnání disperze samců a samic v nově založených populacích pomocí genetických metod.
2) Podrobná analýza promíchání původních genomů z reliktních populací křížením v nově založených populacích pomocí celogenomových přístupů.
3) Zjištění bakteriálního složení výměšků pachových žláz a jeho vztahu ke genetické diverzitě a MHC genotypům.
Z druhé i třetí etapy samozřejmě očekáváme publikační výstupy. Určit přesně cílové časopisy by však bylo poněkud předčasné.