Molekulární ekologie
a Genetické metody v zoologii

Miloš Macholán a Josef Bryja

Cílem této části projektu je propojit tematicky poněkud roztříštěné a do jisté míry se překrývající přednášky Genetické metody v zoologii (dále jen GMZ) a Molekulární ekologie (dále jen ME) do logického a propojeného rámce. Současně je však mít na paměti, že přednášky z GMZ si zapisují i studenti, kteří nemají hlubší zájem o molekulární techniky.

podzimní semestr 2010, výuka realizována v průběhu semestru 20. 9.-22. 12. (Genetické metody)

Z uvedeného důvodu byla jednotlivá témata GMZ upravena tak, aby pokrývala pokud možno co nejširší metodický záběr (tedy nejen současné molekulárně-genetické metody, ale i morfologické, cytogenetické a elektroforetické techniky) a současně aby poskytovala studentům základní přehled o metodách zpracování dat (např. metody fylogenetické analýzy, základy populační genetiky).

jarní semestr 2011, výuka realizována v průběhu semestru 21. 2.-20. 5. (Molekulární ekologie)

V další fázi jsou přednášky ME (jakožto logická nástavba GMZ) modifikovány tak, aby reflektovaly (i) nejnovější laboratorní metody a (ii) současné - a bouřlivě se rozvíjející - metody zpracování dat, založené na koalescenční teorii, bayesovské analýze a teorii klin. Důraz je kladen na vysvětlení principů formující genetickou strukturu populací a interpretaci genetických dat získaných v přirozených či experimentálních populacích. Tento důraz vychází z teoretické populačně-genetické základny kurzu Evoluční biologie, na který oba předměty úzce navazují.

V průběhu zimy a jara 2011 byly připraveny výukové materiály pro přednášky a praktická cvičení zaměřené na následující témata:
hybridizace, role hybridních zón;
teorie koalescence;
fylogeografie, genetická historie rozšíření druhu;
fylogenetická analýza, rekonstrukce fylogeneze (touto problematikou se z různých úhlů pohledu zabývají Genetické metody v zoologii i Molekulární ekologie);
využití genetických metod v behaviorální ekologii;
stanovení populačně-genetické struktury (příbuznost na různých úrovních, bariéry toku genů, "isolation-by-distance" atd.);
ochranářská genetika (inbreeding, efektivní velikost populace, "genetic rescue");
funkční genetická variabilita a její význam pro adaptace.

podzimní semestr 2011, výuka realizována v průběhu semestru 19. 9.-22. 12. (Genetické metody)

Pro výuku v průběhu podzimního semestru byla během léta inovována přednáška Cytogenetické metody a během roku připraveno praktické cvičení k tématům Elektroforéza, Cytogenetické metody, Rekonstrukce fylogeneze a fylogeografie.

V rámci praktické výuky byly studentům představeny metody extrakce DNA, jednoduchá a multiplex PCR, elektroforéza DNA fragmentů v horizontálním agarózovém gelu nebo v kapiláře (tzv. fragmentační analýza mikrosatelitů) a Sangerovo sekvenování.
Pro praktickou výuku je využíváno přístrojové vybavení, které může poskytnout specializované pracoviště partnera projektu, Ústavu biologie obratlovců.

Značným přínosem pro inovaci výuky v podzimním semestru 2011 bylo zapojení zahraničního specialisty, Jean-Françoise Cossona z Centre de biologie pour de gestion des populations v Montpellier (Francie). K předmětu Genetické metody v zoologii vedl dr. Cosson 3. listopadu přednášku "Next-generation sequencing of PCR products: Applications for genotyping, variant identification and environmental barcoding" (spolu s kolegou Maximem Galanem).
4. listopadu se dr. Cosson podílel na vedení workshopu moderních imunogenetických metod v Nových Hradech (v první řadě šlo o praktické seznámení s moderními metodami, doplněné prezentací "Landscape genetics highlights the role of bank vole metapopulation dynamics in the epidemiology of Puumala hantavirus"). Kromě přímého přínosu pro posluchače přednášky a frekventanty workshopu (možnost využili kromě studentů a doktorandů též učitelé MU a pracovníci partnerského Ústavu biologie obratlovců) budou získané poznatky zahrnuty do výuky předmětu v rámci probíhající inovace jeho náplně pro další semestry.

jarní semestr 2012, výuka realizována v průběhu semestru 20. 2.-18. 5. (Molekulární ekologie)

V průběhu zimy a jara 2012 byla připravena inovovaná struktura přednášky (včetně odstranění překryvů s náplní předmětu Evoluční biologie). V jejím rámci jsou připraveny aktuální výukové materiály pro přednášky a praktická cvičení zaměřené na následující témata:
barcoding a genetická identifikace pohlaví;
využití genetických metod v behaviorální ekologii
základy populační genetiky - vnitropopulační a mezipopulační genetická struktura;
inbreeding a jeho detekce v populačně-genetických datech;
ochranářská genetika;
počítačové analýzy týkající se "landscape genetics" (BAPs, Geneland);
analýza populačně-genetických dat.

podzimní semestr 2012, výuka realizována v průběhu semestru 17. 9.-21. 12.

Pro výuku v průběhu podzimního semestru byla během léta inovována přednáška a praktické cvičení v těchto oblastech:
analýza fenotypu: signální fenotypy, epigenetika
morfometrické zpracování dat: metody tradiční morfometrie, geometrická morfometrie
cytogenetické metody: karyotyp, diferenciální barvení, vybarvování chromosomů
elektroforéza enzymů a neenzymatických bílkovin
cvičení cytogenetických a elektroforetických metod
analýza molekulárních dat: práce se sekvencemi, základní charakteristika fylogenetických metod
cvičení práce se sekvencemi: programy BLAST, GenBank, databáze ENTREZ, seřazení sekvencí pomocí programu Clustal
metody analýzy dat: metody maximální úspornosti, heuristika, substituční modely, distanční metody, shluková analýza, věrohodnostní metody (maximum likelihood, bayesovská analýza), testy modelů, spolehlivost stromů, software
DNA markery
genetické technologie nové generace v evoluční ekologii - uplatnění "next-generation sequencing"
extrakce DNA, PCR, real-time PCR
cvičení amplifikace DNA, PCR, real-time PCR, fragmentační analýza
kodominantní znaky - mikrosatelity a SNPs, SINE, LINE, sekvence
dominantní znaky - AFLP, RAPD, fingerprinting (k domin. i kodom. znakům rozšíření přednášky, vyčlenění materiálů pro cvičení)
transkriptomika (ve spolupráci s dr. Cellerinem, viz níže)

Značným přínosem pro inovaci výuky v podzimním semestru 2012 bylo zapojení zahraničního specialisty Alessandra Cellerina ze Scuola Normale Superiore v Pise (Itálie). K předmětu Genetické metody v zoologii vedl dr. Cellerino 29. listopadu přednášku "Age-dependent transcriptome regulation in the annual fish Nothobranchius furzeri: a case study for the application of RNA-Seq to novel model species".
Spolupráce s vyučujícími předmětu se promítla do inovované přednášky věnované transkriptomice. Mimo tyto přednášky se dr. Cellerino podílel na vedení praktického cvičení metod evoluční genomiky. Pro výuku konkrétních metod a individuální konzultace (28. a 30. 11.) bylo využito přístrojové vybavení histologické laboratoře a fluorescenční mikroskop na oddělení parazitologie Ústavu botaniky a zoologie Přírodovědecké fakulty a konfokální mikroskop, který bylo možno využít na Ústavu histologie a embryologie Lékařské fakulty MU.
Kromě přímého přínosu pro posluchače přednášky a frekventanty cvičení (možnost využili kromě studentů a doktorandů též učitelé MU a pracovníci partnerského Ústavu biologie obratlovců) budou získané poznatky zahrnuty do výuky předmětu v rámci probíhající inovace jeho náplně pro další semestry.

jarní semestr 2013, výuka realizována v průběhu semestru 18. 2.-20. 5. (Molekulární ekologie)

Během zimy a jara 2013 byly připraveny aktuální výukové materiály pro přednášky zaměřené na následující témata:
DNA barcoding;
genetické identifikace, určování jedinců a identifikace pohlaví;
inbreeding, stanovení příbuznosti;
vnitropopulační genetická variabilita, mezipopulační struktura;
ochranářská genetika;
exprimované geny.
Podrobněji jsou v roce 2013 inovovány lekce:
hybridizace a hybridní zóny:
- hybridizace u rostlin a živočichů,
- mozaikové versus tenzní zóny, teorie tenzních zón,
- metody studia hybridních zón (případová studie u myší),
- geografické a jiné komplikace, alternativní přístupy (genomické kliny, kliny ve 2D),
- hybridogeneze;
koalescence a fylogeografie:
- genové versus druhové stromy, ancestrální polymorfismus versus sortování linií,
- Fisherův-Wrightův model, Kingmanova koalescence a její důsledky,
- vliv selekce, migrace a rekombinace na koalescenci, genové a druhové stromy z hlediska teorie koalescence,
- vymezení fylogeografie, změny velikosti populace, bayesovský panoramatický graf,
- fylogeografické kategorie, genealogické konkordance, disperze a vikariance;
Zvláštní zřetel byl v tomto roce věnován tématu fylogenetické aplikace v molekulární ekologii:
- příprava molekulárních dat - datové formáty, seřazení sekvencí,
- fylogenetické metody, jejich výběr, metoda maximální úspornosti, parsimonie a podmínky koexistence, hledání optimálního stromu,
- evoluční (substituční) modely, metody založené na genetických distancích, distanční metody a konzistence
- testování hypotéz, LRT, Akaike, RRT, relaxované molekulární hodiny,
- metoda maximální věrohodnosti, Bayesiánský přístup,
- MCMC, Metropolisův-Hastingsův algoritmus, burn-in,
- spolehlivost stromů, bootstrap versus aposteriorní pravděpodobnosti, konsensuální stromy.
Souběžně byla připravena aktuální náplň pro praktická cvičení:
metody analýzy dat:
- metody maximální parsimonie, hledání optimálního stromu pomocí metody branch-and-bound a heuristické analýzy
- metody maximální věrohodnosti, bayesiánské metody, distanční metody (neighbor-joining, UPGMA)
- demonstrace metod linearizace stromů a relaxovaných molekulárních hodin, grafické úpravy fylogenetických stromů

V závěru semestru se v rámci svého pobytu na Masarykově univerzitě zapojil do výuky zahraniční expert Paul Van Daele. Jeho praktické cvičení a související konzultace byly zaměřeny na uplatnění moderních přístupů ve srovnávací fylogeografii, které mohou dát odpověď na otázky šíření druhů, významu přírodních bariér a vývojové diverzifikace izolovaných populací.

podzimní semestr 2013, výuka realizována v průběhu semestru 16. 9.-20. 12. (Genetické metody)

Pro výuku v průběhu podzimního semestru byla během léta inovována přednáška a praktické cvičení v těchto oblastech:
fenotypové znaky: typy znaků, tradiční morfometrie, geometrická morfometrie
- cvičení: aplikace metod tradiční a geometrické morfometrie v zoologickém výzkumu
cytogenetické metody: karyotyp, typy chromosomů, mitotické a meiotické preparáty, kultivace krve a fibroblastů, metody standardního a diferenciálního barvení, buněčné sortování, FISH, chromosome painting
- cvičení: příprava chromosomového preparátu, standardní a diferenciální barvení
elektroforéza proteinů: příprava vzorků, nosná média, principy histochemického barvení, vyhodnocování
- cvičení: elektroforéza proteinů
Metody zpracování dat - základy fylogenetické analýzy: znaky, přehled metod, maximální úspornost, distance, maximální věrohodnost, bayesovská analýza, testování hypotéz, bootstrap
- cvičení: fylogenetická analýza v praxi

Fotogalerie předmětu

Předměty