GENETSKA DEMOGRAFIJA LJEKOVITE KADULJE (Salvia...

Martina GrdiMartina Grdiššaa

SveuSveuččiliiliššte u Zagrebu, Agronomski fakultette u Zagrebu, Agronomski fakultet

EE--mail: mgrdisa@agr.hrmail: mgrdisa@agr.hr

GENETSKA DEMOGRAFIJA LJEKOVITE GENETSKA DEMOGRAFIJA LJEKOVITE KADULJE (KADULJE (Salvia officinalis Salvia officinalis L.): L.):

PUTOVANJE U PROPUTOVANJE U PROŠŠLOSTLOST

(1) Ljekovita kadulja (Salvia officinalis L.)

(2) Genetska raznolikost i srodnost

(3) Genetska struktura

(4) Modeliranja ekoloških niša

(5) Evolucijska povijest

PLANPLAN

LJEKOVITA KADULJALJEKOVITA KADULJA

- Salvia officinalis L.

- stranooplodna, entomofilna

- višegodišnji polugrm-od antičkih vremena korištenau ljekovite, prehrambene i

ukrasne svrhe - prirodna rasprostranjenost:

obalno područje zapadnog Balkana, središnji i južni dio Apeninskog poluotoka

- uzgoj:mediteransko područje,Australija, Njemačka, SAD

- naturalizirane populacije:biljke pobjegle iz uzgoja

RASPROSTRANJENOST PRIRODNIH POPULACIJA RASPROSTRANJENOST PRIRODNIH POPULACIJA

SVNHRV

BIH

MNE

MKDALB

GRC

ITA

KOS

SRB

ROM

MDA

BLG

HUN

GENETSKA RAZNOLIKOSTGENETSKA RAZNOLIKOST

(1) Prikupljanje

- tkivo listova za izolaciju DNA

-30 populacija / 709 uzoraka (20 do 25 po populaciji)

-porijeklo: 11 Balkanskih zemalja

- status:23 prirodne populacije

7 kultiviranih/naturaliziranih populacija

(2) Ekstrakcija DNA

(3) Analiza molekularnim biljezima

- 8 mikrosatelitnih biljega (SSR) razvijenih za ljekovitu kadulju (Simple Sequence Repeats; SSRs)

- 165 alela

PRIKUPLJANJE PRIKUPLJANJE

Populacije:

prirodne

kultivirane

(naturalizirane)

ROM

MDA

BLG

MKD

GRC

ALB

KOSMNE

BIH

HRV

HUN

SVN

ITA

SRB

KomiKomižža, otok a, otok VVisis

CCaavtatvtat

GENETSKA RAZNOLIKOSTGENETSKA RAZNOLIKOST

Prirodne Kultivirane

No. 23 7

Nav 8.696 3.821

Nar 7.920 3.672

Raspon 5.13-10.30 2.71-4.19

P(Nar) P < 0.001

Npr(ukupno po populaciji)

20 0

Npr(prirodne

vs. kultivirane)

115 0

(1) Prosječni broj alela po populaciji (Nav)

(2) Alelno bogatstvo (Nar)- prosječan broj alela po populaciji neovisno o veličini uzorka

(3) Broj privatnih alela (Npr)- broj utvrđenih alela u populaciji

(ili u grupi populacija: prirodne vs. kultivirane)

ALELNO BOGATSTVOALELNO BOGATSTVO

Alelno bogatstvo:

< 5

5 - 7

7 - 9

> 9

GRC 1

GRC 2

ALB 2

MNE 2

MKD 1

MKD 2HRV 6

MNE 1

SRB 2

BIH 3BIH 2

BIH 1

ALB 1

BIH 4

HRV 8HRV 7

HRV 5

HRV 3

HRV 4

HRV 2

HRV 1

SVN 2

SVN 1

SRB 1 ROU 2

MDA 1

MDA 2

ROU 1KOS 1

KOS 2

0.01

81

99

99

100

99

72

KultiviraneNaturalizirane

- Matrica udaljenosti:Cavalli-Sforza and Edwards' tetivna udaljenost

- metoda sparivanja susjeda(Neighbour-joining)

- nezakorijenjeno stablo

- 7 kultiviranih/naturaliziranih populacija odvojilo se od ostalih populacija tvoreći poseban klaster(vrijednost bootstrap 99%) što upućuje na istovjetan izvor kultiviranog biljnog materijala

GENETSKA SRODNOSTGENETSKA SRODNOST

Bootstrap:

- Bayesovska analiza populacijske strukture

Pretpostavka:

- postoji K broj izvornih populacija, a svaka je karakterizirana setom frekvencije alela na svakom lokusu

Cilj:

- Pridružiti jedinke izvornim populacijama na način da se minimalizira:

(1) Hardy-Weinberg ravnoteža (HWE) i

(2) ravnoteža vezanosti gena (LE)

GENETSKA STRUKTURAGENETSKA STRUKTURA

POSTUPAKPOSTUPAK

(1) Pretpostavljanje broja izvornih popualcija (K)

(1.1) Izabrati različite vrijednosti K

(1.2) Izračunati posteriorne vjerojatnosti za svaki K

(1.3) Utvrditi najvjerojatniji broj populacija (K)

(2) Pripadnost jedinki izvornim populacijama

(2.1) Pridruživanje jedinki populacijama (K)

(2.2) Za svaku jedinku izračunati udio genoma koji potječe iz određene izvorne populacije

GENETSKA STRUKTURA KOD K = 2GENETSKA STRUKTURA KOD K = 2

100

75

50

25

0

K = 2

Q

Klaster: A B

P30

P29

P28

P27

P26

P25

P24

P23

P22

P21

P20

P19

P18

P17

P16

P15

P14

P13

P12

P11

P10

P09

P08

P07

P06

P05

P04

P03

P02

P01

BKultivirane populacije

APrirodne populacije

- udio genoma (Q) svake pojedinačne jedinke koji potječe iz određenog klastera (izvorne populacije):

- svaka je jedinka predstavljena stupcem, a boja odgovara postotku genoma koji potječe iz određene izvorne populacije

P26Sićevo Gorge

Srbija

SVN HRV BIH MNE ALB MKD GRE KOS SRB ROM MDA

100

75

50

25

0

100

75

50

25

0

K = 3

K = 2

Pro

port

ion o

f m

embers

hip (Q

)

Klaster: A1 A2 B

P30

P29

P28

P27

P26

P25

P24

P23

P22

P21

P20

P19

P18

P17

P16

P15

P14

P13

P12

P11

P10

P09

P08

P07

P06

P05

P04

P03

P02

P01

BKultivirane populacije

A1Sjeverozapadne

populacije

A2Sjeveroistočne

populacije

- klaster A (prirodne populacije) je kod K = 3 podijeljena u dvaklastera na temelju zemljopisnog podrijetlaA1 Sjevero-zapad: jadranske populacijeA2 Jug - istok: Crna Gora-Albanija-Makedonia-Grčka

SVN HRV BIH MNE ALB MKD GRE KOS SRB ROM MDA

GENETSKA STRUKTURA KOD K = 3GENETSKA STRUKTURA KOD K = 3

Klaster: A B

100

75

50

25

0

100

75

50

25

0

100

75

50

25

0

K = 4

K = 3

K = 2

Pro

port

ion o

f m

embers

hip (Q

)

Klaster: A1 A2 A3 B

Klaster: A B

Klaster: A1 A2 B

P30

P29

P28

P27

P26

P25

P24

P23

P22

P21

P20

P19

P18

P17

P16

P15

P14

P13

P12

P11

P10

P09

P08

P07

P06

P05

P04

P03

P02

P01

BKultivirane populacije

A1SjeverniJadran

A2Južni

Jadran

A3Makedonija

Grčka

- prirodne populacije se nadalje dijele u tri klastera

GENETSKA STRUKTURA KOD K = 4GENETSKA STRUKTURA KOD K = 4

A1

A2 A3

B

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

Zemljopisna udaljenost

Genets

ka u

daljenost

r = 0.47

PMantel = 0.0001

R2 = 0.23

GENETSKA STRUKTURA KOD K = 4GENETSKA STRUKTURA KOD K = 4

(1) Ljekovita kadulja (Salvia officinalis L.)

(2) Genetska raznolikost i srodnost

(3) Genetska struktura

(4) Modeliranja ekoloških niša

(5) Evolucijska povijest

PLANPLAN

MODELIRANJE EKOLOMODELIRANJE EKOLOŠŠKIH NIKIH NIŠŠAA

- Modeliranje rasprostranjenosti vrste (SDMs)- procijeniti odnos između zapisa o rasprostranjenosti vrste na određenim staništima i okolišnih uvjeta tih staništa- procijeniti pogodnost staništa za naseljavanje i

preživljavanje vrste- proizvesti modeliranu distribuciju vrste

(= utvrditi povoljno stanište za vrstu)- ulazni podaci:

(1) zemljopisna rasprostranjenost68 podataka o rasprostranjenosti (ravnomjerno raspoređenih)

(2) okolišni uvjeti staništa (lokacija)19 bioklimatskih parametara (WorldClim database)- 11 temperaturnih- i 8 oborinskih parametara- predstavljaju godišnja kretanja, sezonske promjene itemperaturne i oborinske ekstreme

0.26 - 0.50

0.51 - 0.75

0.76 - 0.94

Suitability

EENM: SADANM: SADAŠŠNJI KLIMATSKI UVJETINJI KLIMATSKI UVJETI

0.26 - 0.500.51 - 0.750.76 - 0.94

Pogodnost staništa:

Apeninski poluotok

Jadransko more

Balkanski poluotok

0.26 - 0.50

0.51 - 0.75

0.76 - 0.94

Suitability

EENM: SADANM: SADAŠŠNJI KLIMATSKI UVJETINJI KLIMATSKI UVJETI

0.26 - 0.500.51 - 0.750.76 - 0.94

Pogodnost staništa:

Apeninski poluotok

Jadranski more

Balkanski poluotok

A1

A2A3

POVIJESNA RASPROSTRANJENOSTPOVIJESNA RASPROSTRANJENOST

- modeliranje moguće rasprostranjenosti vrste u

vrijeme posljednjeg glacijalnog maksimuma (LGM;~21,000 godine pr.n.e.)

- otkrivanje mogućih glacijalnih refugija vrste

Ulazni podaci:

(1) model sadašnjeg stanja

(2) klimatski uvjeti u prošlosti

19 bioklimatskih varijabli

bioklimatski podaci za LGM koje su razvili

Paleoclimate Modelling Intercomparison Project Phase II

- dva modela:

CCSM (Community Climate System Model; USA)

MIROC (Model for Interdisciplinary Research on Climate; Japan)

EENNMM: POSLJEDNJI GLACIJALNI MAKSIMUM : POSLJEDNJI GLACIJALNI MAKSIMUM CCCSM UVJETICSM UVJETI

Balkanski poluotokApeninski poluotok

0.26 - 0.500.51 - 0.750.76 - 0.94

Pogodnost staništa:

A3

Jadransko more

- CCSM: drastični pad temperature

Suitability0.26 - 0.50

0.51 - 0.75

0.76 - 0.84

0.26 - 0.500.51 - 0.750.76 - 0.94

Pogodnost staništa:

Apeninski poluotok

Balkanski poluotok

A3

A1

A2

Jadransko more

- MIROC: umjereni pad temperature

EENNMM: POSLJEDNJI GLACIJALNI MAKSIMUM : POSLJEDNJI GLACIJALNI MAKSIMUM CCCSM UVJETICSM UVJETI

EVOLUCIJSKA POVIJEST EVOLUCIJSKA POVIJEST

- otkrivanje evolucijske povijesti pomoću Aproksimativne Bayesovske analize (Approximate Bayesian Computation; ABC)

- ulazni podaci:- molekularni podaci

- scenariji koji opisuju evolucijsku povijest

- postupak:- simulirati (veliki broj) setova podataka za svaki scenarij

- usporediti simulirane i utvrđene setove podataka

- najsličniji simulirani set podataka je najvjerojatniji

- cilj:- usporediti alternativne scenarije

posteriorna vjerojatnost svakog scenarija

- procijeniti parametre za jedan ili više scenarijaefektivna veličina populacije; vrijeme razdvajanja

POPULACIJEPOPULACIJE

A1

A2A3

Alelno bogatstvo:

A1 7.97

A2 8.49

A3 6.25

ABC analiza:

A1: 92 jedinke iz 7 pop

A2: 91 jedinke iz 10 pop

A3: 82 jedinke iz 4 pop

PET JEDNOSTAVNIH POVJESNIH SCENARIJAPET JEDNOSTAVNIH POVJESNIH SCENARIJA

Scenarij 1

Populacija A1 je nastala iz

populacije A2, koja je nastala iz populacije A3

Scenarij 2

Populacija A3 je nastala iz

populacije A2, koja je nastala iz populacije A1

A1

A2

A3

A3 A2 A1

A1 A2 A3

A1

A2

A3

Scenarij 3

Populacije A1 i A3 odvojeno su nastale iz populacije A2

Scenarij 4

Populacija A2 je nastala

hibridizacijom populacijaA1 i A3

A1

A2

A3

A3 A2 A1

A1 A2 A3

A1

A2

A3

PET JEDNOSTAVNIH POVJESNIH SCENARIJAPET JEDNOSTAVNIH POVJESNIH SCENARIJA

Scenarij 5

Sve tri populacije su se razdvojile u

isto vrijeme

A2 A1 A3

A1

A2

A3

FFIVE SIMPLE IVE SIMPLE HHISTORIC ISTORIC SSCENARIOSCENARIOS

ScenarijPosteriorna vjerojatnost

(PP)

1 0.166

2 0.193

3 0.075

4 0.126

5 0.440

REZULTATI:REZULTATI:

POVIJESNA REKONSTRUKCIJA: DAVNA PROPOVIJESNA REKONSTRUKCIJA: DAVNA PROŠŠLOSTLOST

?

Vegetacijska karta Europe u zadnjem ledenom dobu

Rasprostranjenost ljekovite kadulje prije zadnje glacijacije ?

ABC Efektivna veličina populacije:Izvorna pop. 8,550 jedinki

A1 4,330 jedinkiA2 7,190 jedinkiA3 2,440 jedinki

Glacijalne refugije:1. Iberijski poluotok2. Apenninski poluotok 3. Balkanski poluotok

Rasprostranjenost ljekovite kadulje u vrijeme zadnjeg glacijalnog maksimuma

A2A3

A1

Karta 52 refugije na mediteranskom području (Médail i Diadema, 2009.)

ABC Vrijeme razdvajanja:prije 572 generacija(95% CI: 157-1,540)

Životni vijek generacijedo 300 godina

POVIJESNA REKONSTRUKCIJA: RAZDVAJANJEPOVIJESNA REKONSTRUKCIJA: RAZDVAJANJE

A2 A1 A3