Populační variabilita smrku - přístupy a analýza

Miroslav Zeidler

Neopadavý jehličnan s průběžným kmenem, přeslenitým větvením a kuželovitou korunou, který zná z vlastní zkušenosti téměř každý z nás, není nutné dlouze popisovat. Můžeme připomenout, že rod Picea má v Evropě, Asii a Severní Americe přes čtyřicet druhů. K tomu “našemu” má geograficky nejblíže smrk sibiřský (Picea obovata) a smrk východní (P. orientalis). S oběma zmíněnými příbuznými je možné se setkat více na východě, v oblasti tajgy a Kavkazu. Na našem území je domácí jen druh jediný, a tím je smrk ztepilý (Picea abies (L.) Karst.)

Stále nevíme všechno

Z hledisek ekologických a ekonomických patří smrk bezesporu již nejméně 200 let k předním dřevinám Evropy a díky člověku zde navíc získal dominantní postavení mezi lesními dřevinami. Informace o vlastnostech jehlic, kořenového systému, současném rozšíření, ekologii, růstových i fyzikálně chemických charakteristikách shromažďují lesníci po celá staletí a naše poznání pokročilo v tomto směru poměrně velmi daleko v porovnání s jinými druhy dřevin. K pochopení evolučních vztahů a chování druhu na úrovni populací už tak rozsáhlé a především dlouhodobé informace nemáme. Lze to přičíst na vrub technickým možnostem, které ještě před několika desítkami let neumožňovaly natolik rozsáhlý vhled do populačních procesů v širších souvislostech.

Prehistorické vlivy

Zhruba před 1,6 mil. let začal proces, kdy oscilace klimatu vyvolaly několik období zalednění, která byla příčinou mnoha migrací rostlinných druhů, smrk nevyjímaje. To, co se může na mapě zdát jen jako plynulý ústup, byly ve skutečnosti i extinkce a přežívání na nunatacích. Po ústupu zalednění mohl smrk opětovně kolonizovat místa, kde již dříve rostl. S tím bylo spojeno i několik populačních procesů, ke kterým v genomu smrku muselo zákonitě dojít. Původně velká genetická variabilita druhu se v důsledku vymizení velké části populace prudce zmenšila a po obnovení příznivých klimatických podmínek došlo k opětovnému nárůstu populace spojeného se zvyšováním genetické variability (tzv. efekt hrdla lahve). K těmto procesům docházelo opakovaně a na různých místech v rámci současného areálu druhu se všemi důsledky, které z takovýchto dějů pro genom vyplývají. Dále je nutné připočíst historické vlivy jako migrace, kolonizace z refugií, sekundární kontakt populací během posledních 15 000 let a konečně vliv člověka na konci tohoto časového období.

Hledá se vhodná metoda

Pokud se chceme dovědět více o tom, jak výše uvedené procesy zamíchaly (genetickou) variabilitou v rámci populací, mezi populacemi, a tím i v rámci celého druhu, je nutné zvolit vhodnou metodu.

Mezi prvními, které člověka napadnou, je srovnávání jedinců jednotlivých populací na základě morfologických znaků. Během dlouhé doby, kdy byla snaha populace jakýmkoliv způsobem odlišit a třídit, byla popsána celá řada takových znaků. Přesto jsou v mnoha případech rozdíly mezi populacemi stanovené na jejich základě sporné.

Srovnávání nalezených makrozbytků se současnými porosty naznačuje, že morfometrická konstituce smrku ztepilého se zformovala nejpozději v období interglaciálu a pravděpodobně již dříve, v preglaciálním období. Z tohoto pohledu nelze s dostatečnou spolehlivostí prokázat původnost některých porostů. Na rozsáhlejším území, například velikosti naší republiky, však lze určité tendence vysledovat, a bylo tak možné určit předpokládaný postup migrace smrku na naše území. V mnoha případech mají rozhodující vliv lokální selekční tlaky, které se mohou projevovat jak na fenotypové, tak genotypové úrovni. Nezbylo než obrátit pozornost ke zkoumání variability smrku na molekulární úrovni.

O čem vypovídají alozymy

K jednomu z prvních způsobů analýzy genomu bezesporu patří metodika zkoumání pomocí alozymů (isoenzymů či isozymů). Jedná se o analýzu produktů (proteinů) různých alel téhož lokusu daného genu. Nejde tedy o přímé zkoumání na úrovni DNA. Byly vyvinuty postupy analýz pro desítky enzymových systémů a vytvořeny rozsáhlé srovnávací databáze. Avšak ani na této úrovni se nepodařilo zcela spolehlivě odlišit populace na menších geografických škálách. S určitostí však můžeme říci, že studie zabývající se alozymovou variabilitou smrku pomohly objasnit proces přenosu genů (genový tok). U smrku k němu dochází na poměrně velké vzdálenosti. Mezi populacemi tak existují pouze malé rozdíly a převažují spíše úzké genetické vztahy.

Směry vývoje analýzy DNA

V poslední době se pozornost obrátila k technikám zabývajícím se přímou analýzou genomu. Protože popis takových metod začíná být pro neodborníka složitý, zaměříme se pouze na výčet těch nejběžnějších z nich. K prvním používaným metodám tohoto druhu patří RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA), kdy lze analýzu provést bez předchozí znalosti sekvence DNA. Zde je nutné přiznat, že i výstupy z přímých analýz DNA nemusí být spolehlivé. Některé problémy lze vyřešit použitím metody analýzy SSR (Single Sequence Repeat), nazývanými rovněž mikrosatelity. Jejich analýza je založena na analýze lokusů, které obsahují jednoduché repetice. Genom konifer je často značně rozsáhlý s mnohými repeticemi, což brání vyvinutí čistých a konzistentních metod. V poslední době je metoda SSR proto navíc kombinovaná s AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms), a vznikla tak metoda označovaná jako SAMPL (Selectively Amplified Microsatelite Polymorphic Loci). Na otázku, jak se osvědčí v praktickém výzkumu populací smrku, nám odpoví nejbližší budoucnost.

K objasnění způsobu šíření smrku v Eurasii lze navíc využít mitochondriální genom (mtRNA), který je menší a děděný výlučně po mateřské linii. Takto zaměřený výzkum se tedy orientuje na genetickou informaci přenášenou v podobě semen, tedy na kratší vzdálenosti, než je tomu u pylu.

Souhrn současného poznání

Jakkoli se můžou zdát molekulární metody složité, významně přispívají k pokroku v našem poznání. Jejich kombinací s paleobotanickými údaji byl prehistorický původ smrku ztepilého umístěn do oblasti východní Asie, odkud dále migroval do Evropy. Tak jako ostatní druhy konifer, i smrk má poměrně velký jaderný genom. O jeho organizaci toho zatím moc nevíme, ale předpokládá se, že je tvořen z velké části repetitivní DNA, což může být zdrojem potíží právě při analýzách DNA.

V oblasti střední Evropy je třeba navíc zodpovědět otázku, proč pouze 5 % z celkové diverzity druhu je možné vysvětlit mezipopulační variabilitou. Genetická variabilita v geografickém prostoru střední Evropy je obecně natolik malá, že náhodně vybraná populace bude mít nejspíše genetickou variabilitu reprezentativní pro celý druh. Jednou z odpovědí může být již výše nastíněný vývoj po zalednění. Populace ve střední Evropě vykazují poměrně nízkou genetickou variabilitu právě proto, že všechny pocházejí z Karpatských a Dinaridských refugií. Pro úplnost je nutné zmínit refugia poblíž Moskvy, ze kterých vznikaly skandinávské populace smrku. K setkání smrků ze středoevropské oblasti a z moskevských refugií dochází ve východním Polsku (obr. 3). Refugia si lze v tomto případě představit spíše jako mozaiku malých ostrůvků lesa s nevelkou genetickou variabilitou. Po ústupu ledovce se smrk začínal šířit právě odtud, a zákonitě tak vznikaly rozsáhlé populace s podobnou genetickou strukturou. Od doby, kdy populace započaly znovu expandovat, uběhlo přibližně 10 000 let, což je z hlediska dřeviny čas poměrně krátký pro vznik řady nových mutací. Připomeňme, že k přenosu genů dochází na značně velké vzdálenosti a v rámci Evropy tak spolu může na dálku komunikovat řada populací.

Význam variability

Pro nás možná rozsáhlý a nepřehledný genom smrku je z hlediska jeho přizpůsobení místním podmínkám prostředí nespornou výhodou. Variabilita umožňuje adaptace na pozměněné životní podmínky. Navíc je pravděpodobné, že populace v refugiích existovaly v environmentálně heterogenních podmínkách (nadmořská výška, sklon, orientace, půdní heterogenita atd.). Výsledkem tedy mohla být preadaptace některých jedinců na různé podmínky, která se projevila až na nově kolonizovaných biotopech či zůstává stále v rozsáhlém genomu ukryta. Je pravděpodobné, že celý genom smrku se pro nás během blízké doby stane věcí známou a prozkoumanou. Tak jak se tomu stalo u jiných, pro člověka důležitých druhů organismů. Přesto nám ještě nějakou dobu potrvá, než pochopíme zcela jasně „chování“ tohoto druhu na úrovni populací a genů.

Právě v dnešní době intenzivního působení lidských vlivů je důležité zachovat schopnost adaptability lesních druhů dřevin včetně smrku. Jeho budoucí schopnost reagovat na změny prostředí, především tolik zmiňované změny klimatu, je podmíněna současnou genetickou diverzitou. Tento skrytý potenciál bude důležitý nejen pro smrk, ale i pro nás.

Pozn.: Tento příspěvek vznikl za podpory projektu VaV SM/6/70/05.

Adresa autora:

RNDr. Miroslav Zeidler, Ph.D.

Přírodovědecká fakulta Univerzity Palackého

E-mail: Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript.