Petr BurešPetr Bureš1)1), , Wang Yi-FengWang Yi-Feng2)2), ,

Lucie HorováLucie Horová1)1), , Jan SudaJan Suda3)3)

1)1) Department of Botany Faculty of Department of Botany Faculty of Science Masaryk Univ. Brno,Science Masaryk Univ. Brno,

2)2) Department of Botany North- Department of Botany North-West. Univ. Lanzhou, West. Univ. Lanzhou,

3)3) Department of Botany, Faculty of Department of Botany, Faculty of Science, Charles Univ., PragueScience, Charles Univ., Prague

Cirsium Cirsium : Interspecific hybridization : Interspecific hybridization and DNA contentand DNA content

arvense vulgare brachy-cephalum

canum vulgare heterophyllum palustre

erisitha-les

pannonicum spimosissimum

oleraceum acaule eriopho-rum

2n=34

Ostatní

2n=32 2n=30

2n=262n=24

2n=28

2n=162n=182n=20

2n=22

2n=1022n=51

2n=36

2n=68

Chromosomové počty v rodu Cirsium

V celém rodu převládá 2n = 34

zhruba 2/3 druhů

dalším nejčastěji zastoupeným počtem je 2n = 68 (zhruba 12 % druhů)

Cirsium palustreCirsium oleraceum

Cirsium oleraceum × C. palustre = C. × hybridum

49N

50N

51N

13E 14E 15E 16E 17E 18E

Cirsium oleraceum x palustre liter.Cirsium oleraceum x palustre herb.

Cirsium vulgareCirsium oleraceum

Cirsium oleraceum × C. vulgare = C. × bipontinum

49N

50N

51N

13E 14E 15E 16E 17E 18E

Cirsium oleraceum x C. vulgare - herb.

palustreoleraceum

rivulare

brachycephalum

arvense

vulgare

heterophyllum canum

pannonicum

acaule

eriophorum

„Intenzita mezidruhové hybridizace“ v rodu Cirsium podle počtu dokladů v českých herbářích (celkem 28 hybridů)

8

0

8

1

5

5

656

7

5

Problémy:

• Liší se velikostí genomu druhy na stejné ploidní úrovni, nebo častá hybridizace způsobuje, že se druhy velikostí genomu neliší?

• Mohou být případné rozdíly ve velikosti genomu adaptivní odpovědí na nějaké eko-geografické faktory?

• Mají kříženci jiný počet chromosomů než rodičovské druhy?

• Souvisí různá frekvence vzniku různých přirozených hybridních kombinací nějak s velikostí genomu?

I

Material & Methods

Relative DNA content: Brno

PA – I (HBO lamp + DAPI)

954 measurements of 13 species and 12 hybrids from

102 populations with standard Cirsium vulgare (the same individual in all measurements)

mean CV = 2.37 s.d. = 0.61

Prague

Absolute DNA content & AT frequency: Brno + Praha

Brno

PA – I (HBO lamp + DAPI)

108 measurements of 12 species (=12x3 individuals)

mean CV stand. = 2.09 s.d. = 0.42

mean CV sample = 2.17 s.d. = 0.39

standard Lycopersicon esculentum ‘Stupické polní tyčkové rané’

PA – II (laser + PI)

102 measurements of 12 species (=10x3+2x2 individuals)

mean CV stand. = 3.19, s.d. = 0.33

mean CV sample = 3.23, s.d. = 0.39

3x in three different days

II.

Interspecific genome size variability

G0/G1 Cirsium

heterophyllum

G0/G1 Cirsium eriophorum

G0/G1 Cirsium vulgare

100 200 300 400 Fluorescence channel

400

300

200

100

Fig. 1. Range of interspecific genome size in Central European Cirsium species: Histogram of relative nuclear DNA content obtained after flow-cytometric analysis of DAPI stained nuclei, showing the diploid species with the smallest genome (Cirsium heterophyllum), the diploid species with the largest genome (C. eriophorum), and the lone tetraploid species (C. vulgare).

0,38 0,43 0,48 0,53 0,58 0,63

relativní velikost jaderné DNA jednotlivých druhů: ♦ průměr ± směrodatná odchylka

eriophorum

brachycephalum

arvense

acaule

palustre

pannonicum

rivulare

erisithales

oleraceum

canum

heterophyllum

relative 2C DNA content ♦ mean± ├standard deviation┤

Signicicant negative correlations between genome size and eco-geographical features (p<0.05)

Ellenberg’s indicator value for moisture

(rs = –0.68, p = 0.029)

Ellenberg’s indicator value for continentality

(rs = –0.64, p = 0.045)

Eastern limit of geographical distribution

(rs = –0.64, p = 0.032)

Spinyness (adaptation to herbivore pressure)

(Kendall Tau = –7.34, p<0.001)

Longevity (biennials vers. perennials)

(Kendall Tau = –0.604, p= 0.004)

Cirsium vulgare 5.54 ± 0.12 49.85

Cirsium eriophorum 3.60 ± 0.03 48.38

Cirsium brachycephalum 2.98 ± 0.05 49.98

Cirsium arvense 2.84 ± 0.05 51.75

Cirsium acaule 2.62 ± 0.03 50.95

Cirsium palustre 2.58 ± 0.05 49.14

Cirsium spinosissimum 2.53 ± 0.02b –

Cirsium pannonicum 2.44 ± 0.03 50.73

Cirsium rivulare 2.40 ± 0.033.43 ± 0.05

51.69–

Cirsium erisithales 2.33 ± 0.03 50.94

Cirsium oleraceum 2.32 ± 0.03 50.49

Cirsium canum 2.24 ± 0.02 50.65

Cirsium heterophyllum 2.14 ± 0.03 51.65

Absolute 2C DNA content in pg ± s.d.

AT freqeuency %

III.

Genome size of hybrids

heterophyllum x rivulare

palustre x rivulare

oleraceum x rivulare

heterophyllum x oleraceum

erisithales x palustre

acaule x oleraceum

oleraceum x palustre

erisithales x oleraceum

canum x palustre

canum x oleraceum

heterophyllum x palustre

erisithales x heterophyllum

relative genome size 4.0 4.5 5.0

(mean of parent1 with smaller genome) =

average of hybrid (mean of parent1 + mean of parent2) / 2

= (mean of parent2 with larger genome)

Genome size of hybrids was smaller than predicted

Fig. 2. Relationship between the potential range of hybrid relative DNA content (├──┤), expected hybrid relative DNA content (■), and actual relative DNA content of Cirsium interspecific hybrids (◊).

0

100

200

300

400

500

600

700

ole can pal riv aca pan het arv vul eri bra

„Hybridní promiskuita“ jednotlivých druhů v rodu Cirsium podle počtu dokladů v českých herbářích

vulgare

eriophorum

brachycephalum

arvense

acaule

palustre

pannonicum

rivulare

oleraceum

canum

heterophyllum herb. specimens of hybrids 400 600 800 10 8 6 relative genome size

large genome

many

hybrids

few or no hybrids

small genome

Fig. 3. Relationship between relative DNA content of Cirsium species and the production of interspecific hybrids.

Species with smaller genome produce hybrids more frequent = the same tendency as at individual level ?

Cirsium heterophyllum

Cirsium rivulare

Důležitým faktorem pro mezidruhovou hybridizaci mohou být také rozdíly v rozšíření rodičov-ských druhů

Místa společného výskytu

Cirsiumheterophyllum

a

C. rivulare

Jen v těchto územích mohou vznikat kříženci mezi

Cirsium heterophyllum a C. rivulare

49N

50N

51N

13E 14E 15E 16E 17E 18E

Cirsium palustre - liter.Cirsium palustre - herb.

49N

50N

51N

13E 14E 15E 16E 17E 18E

Cirsium oleraceum - liter.Cirsium oleraceum - herb.

Cirsium palustre

Cirsium oleraceum

Pokud se druhy podobají svým rozšířením, mohou teoreticky tvořit hybridy častěji

Ke kvantifikaci podobnosti v roz-šíření lze využít společné výskyty ve

fytogeografických okresech !

Jak ale kvantifikovat míru podobnosti v rozšíření ve vztahu k hybridizaci ???

Intenzita hybridizace mezi druhem x a druhem y

99

Σ xi . yii = 1

i =

99

Σ h(x×y)ii = 1

počet lokalit druhu x ve fytogeografickém okrese i

počet lokalit druhu y ve stejném fytogeografickém okrese i

počet lokalit hybrida x×y v i-tém fytogeografickém okrese

druh y = C. rivulare

Intenzita hybridizace mezi druhem x a druhem y

99

Σ xi . yii = 1

i =

99

Σ h(x×y)ii = 1

Celkový počet lokalit hybrida v České republice

druh x = C. heterophyllum

Suma součinů zachycuje právě území (fytochoriony), kde se druhy vyskytují společně

na příkladu C. heterophyllum a C. rivulare

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

can x ole ole x riv pal x riv aca x pan pal x can ole x pal aca x ole aca x can

Intenzita mezidruhové hybridizace rodu Cirsium v České republice

99

Σ xi . yii = 1

i =

99

Σ h(x×y)ii = 1

heterophyllum

canum

oleraceum

erisithales

rivulare

pannonicum

palustre

acaule

arvense

brachycephalum

eriophorum

0,39 0,44 0,49 0,54 0,59 0,64 0,69

Mají mezidruhové rozdíly ve velikosti jaderné DNA nějaký vliv na intenzitu mezidruhové hybridizace v rodu Cirsium ?

Co znamená rozdíl ve velikosti jaderné DNA ?

Rozdíl velikosti jaderné DNA

Intenzita mezidruhové hybridizace v rodu Cirsium ve vztahu k rozdílům ve velikosti jaderné DNA rodičovských

druhů

can x ole ole x riv pal x riv aca x pan pal x can ole x pal aca x ole aca x can

intenzita hybridizace rozdíl ve velikosti jaderné DNA

klima-index

Termo_lok Mezo_lok Oreo_lok 1 x ––––––––– + 0 x –––––––– + (–1) x –––––––– Termo_ploch Mezo_ploch Oreo_ploch –––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– Termo_lok Mezo_lok Oreo_lok ––––––––– + ––––––––– + –––––––– Termo_ploch Mezo_ploch Oreo_ploch

K=

AT

con

cent

ratio

n

klima-index

Spearman

rs = 0.85

p=0.003