Modelka Daphnia
Do vybrané společnosti modelových organismů oficiálně uznávaných americkou agenturou financující biomedicínský výzkum National Institutes of Health nedávno přibyl drobný sladkovodní korýš. Po boku octomilky Drosophila melanogaster a háďátka Caenorhabditis elegans stanula jako třetí zástupce bezobratlých hrotnatka. To je české jméno perloočky, mnohem známější pod latinským názvem Daphnia. V současné době je dokončena analýza genomu prvního druhu tohoto rodu (jde o prvního kompletně sekvenovaného korýše) a čtení genomů dvou dalších druhů probíhá. Čím si rod Daphnia takový zájem vědeckého světa vysloužil?
Perloočky jsou planktonní korýši, kteří jen vzácně dorůstají přes centimetr délky. Svou tělesnou velikost však překonávají ekologickým významem. Různé druhy žijí ve většině pevninských stojatých vod, od čistých horských jezer přes zelené hypertrofní rybníky, louže na cestách a dočasné pouštní tůně až po slané laguny u mořského pobřeží. Původně sladkovodní perloočky osídlily i pobřežní moře a najdeme mezi nimi také druhy, jimž stačí k životu mokrý substrát.
Nejznámější perloočkou je hrotnatka rodu Daphnia. V moři ani mokré hlíně ji sice nenajdeme, ale ve stojatých vodách bývá často nejvýznamnějším planktonním korýšem. Jako klíčový konzument řas a sinic a zároveň důležitá potrava mnoha ryb plní funkci spojovacího článku mezi primární produkcí fytoplanktonu a vyššími trofickými úrovněmi ve volné vodě. Již více jak dvě století jsou tyto perloočky centrem pozornosti nejen hydrobiologů, ale i vědců z mnoha dalších biologických oborů a jde pravděpodobně o nejprozkoumanější vodní bezobratlé živočichy na světě. Jaké vlastnosti je ale předurčily k tomu, aby se o ně začal zajímat i výzkum biomedicínský?
Vhodný modelový živočich pro experimentální práci by měl splňovat několik vlastností: měl by mít malou velikost a krátkou generační dobu, být velmi plodný a snadno chovatelný a mělo by s ním jít dobře manipulovat. Perloočky rodu Daphnia všechny tyto požadavky splňují a navíc nabízejí unikátní výhody. Jsou dost malé, aby se stovky jedinců vešly do lahve od okurek za oknem (kde je stačí krmit řasovou suspenzí), ale dost velké, aby se s nimi dalo individuálně manipulovat. Samice za život vyprodukuje desítky až stovky mláďat a několik desítek experimentálních linií se snadno vejde na stěnu malé klimatizované místnosti.
Klíčovou přidanou hodnotou perlooček pro laboratorní výzkum je jejich životní cyklus (cyklická partenogeneze), v němž se střídá nepohlavní a pohlavní rozmnožování a diapauza (viz rámeček 1). Jde o velmi úspěšnou strategii, jak v proměnlivém prostředí přežít nepříznivá období, efektivně využít dostupných potravních zdrojů v období příznivém, a s malými investicemi do „neproduktivního“ samčího pohlaví využít evolučních výhod pohlavního rozmnožování. Pro vědecké experimenty je pak nedocenitelné, že je velmi snadné namnožit velké množství geneticky identických jedinců. Na nich lze např. testovat působení různých faktorů prostředí, aniž by pokus ovlivňovala genetická variabilita uvnitř testovaného vzorku.3) To je jeden z důvodů, proč se perloočky staly oblíbeným modelem v ekotoxikologii.
Možnost sledovat odděleně vlivy prostředí a genotypu způsobila, že Daphnia je jedním z hlavních modelů pro výzkum fenotypové plasticity, tj. změn fenotypu (zejména morfologie jedinců) při odlišné expresi stejného genotypu. Enormní fenotypová plasticita je zřejmá již uvnitř životního cyklu – geneticky identičtí samci a samice jednoho druhu jsou si méně podobní než samice druhů oddělených desítkami milionů let evoluce. Velkou pozornost výzkumníků si zasloužila zejména plasticita morfologických struktur, kterými se různé druhy rodu Daphnia brání před predátory (viz rámeček 2), ale kupříkladu i adaptace v chování.
Schopnost produkovat dlouhověká diapauzní stadia přispěla k tomu, že perloočky jsou velmi vhodným objektem pro výzkum evolučních procesů. Tato stadia se ukládají v jezerních sedimentech, kde vytvářejí zásobárnu genotypů, podobnou semenné bance rostlin v půdě. „Banka“ trvalých vajíček je nejen zdrojem genetické variability pro lokální populace, ale umožňuje vědcům unikátní pohled do minulosti. Několik desítek let staré genotypy lze v laboratoři přimět, aby se vylíhly, a ještě mnohem starší vajíčka je možné analyzovat alespoň genetickými metodami.
Ze sedimentů jezer se dá zároveň vyčíst mnohé o vývoji prostředí, v němž perloočky žily. Genetická analýza a experimenty se „vzkříšenými“ klony umožnily rekonstruovat desítky let trvající evoluční odpovědi rodu Daphnia na různé faktory: znečištění lidskou činností, vysazení ryb nebo křížení s nepůvodním druhem. Porovnání různě starých genotypů perloočky a jejích parazitů také umožnilo přímo experimentálně testovat klíčové evolučně biologické tvrzení o rychlé koevoluci těchto protivníků – tzv. hypotézu červené královny (viz Vesmír 78, 700, 1999/12).
Přečtení genomu jednoho z druhů rodu Daphnia dále rozšíří využití perlooček jako modelových organismů. Genomické nástroje umožňují přímo analyzovat, které geny jsou aktivní v různých životních situacích – např. při vzniku samců, při napadení parazitem nebo v přítomnosti predátora či pesticidů ve vodním prostředí. Můžeme tedy zjišťovat, jak se vyvíjely vlastnosti, jež podmiňují úspěch těchto modelek ve vodním prostředí.
Poznámky
1) O pozoruhodných vlastnostech rodinného života perlooček přednášel roku 1857 členům londýnské Královské společnosti Charles Darwin, i když se jeho výzkumu sám nevěnoval.
2) V případě, že potřebujete klonální kulturu některého z méně náročných druhů rodu Daphnia, je poměrně snadné nechat si zaslat od kolegy efipia v obálce a po zalití vodou si namnožit potřebné množství genotypů.
3) Inbrední linie laboratorních myší nabízejí podobné podmínky. Daphnia má však tu výhodu, že každá samice odchycená v přírodě umožňuje založit laboratorní klonální kulturu.
4) Přes intenzivní snahu se zatím žádný kairomon, na který perloočky reagují, nepodařilo chemicky charakterizovat. V některých případech, jako jsou tzv. „rybí kairomony“, se zdá, že se nejedná o látky přímo produkované predátory, ale že je produkují nebo alespoň chemicky modifikují s nimi asociované bakterie.
5) Jde o pěkný příklad tzv. maternálního efektu, kdy rodičovská generace ovlivňuje fenotyp potomků, aniž dochází ke změně genetické informace (viz Vesmír 89, 216, 2010/4).
Samci na zakázku , instantní samice , nakažlivá asexualita a jiné podivnosti1)
Obyvatelé mnohých pevninských vod se obvykle musí vyrovnat s nepříznivými obdobími, ať už je to zima s nedostatkem potravy, nebo třeba letní vyschnutí. Cyklická partenogeneze s diapauzou v životním cyklu je téměř ideálním řešením situace. Za vhodných podmínek se druh rozmnožuje nepohlavně a rychle dosahuje vysoké populační hustoty. Období jen těžko slučitelná se životem přežívá ve formě pohlavně produkovaných „spících“ stadií. Ta zajišťují obnovení populace a zároveň jsou zásobárnou evolučního potenciálu druhu.
„Trvalá vajíčka“ perlooček jsou ve skutečnosti embrya ve stadiu gastruly, mají pozastavený vývoj a mohou dokonale vzdorovat nepříznivým podmínkám. V životaschopném stavu vydrží i desetiletí. Nevadí jim dlouhodobé vyschnutí nebo pobyt v bezkyslíkatém prostředí jezerního bahna a jsou schopna přežít průchod trávicím traktem studenokrevné ryby i vodního ptáka. U rodu Daphnia jsou navíc „vajíčka“ fyzicky chráněna chitinozním obalem, takzvaným efipiem, vzniklým z krunýře mateřského jedince.
V okamžiku, kdy fyzikální a chemické parametry okolí (např. zaplavení suchého efipia, nízká salinita vody, dostatek kyslíku, prodlužování dne ap.) signalizují vhodné podmínky, diapauzní embryo zahájí další růst a líhne se z něj mladá samička. Ta během několika dnů či týdnů dospívá a začíná se nepohlavně rozmnožovat. Vajíčka, která má v plodové komůrce na zádech, se vyvíjejí do podoby malých, dospělcům podobných perlooček, jež matka posléze „porodí“ a dál pokračuje v reprodukci. Potomci jsou geneticky identičtí se svou matkou a za normálních okolností jsou všichni, nebo alespoň naprostá většina z nich, samičího pohlaví. Klonální rozmnožování samic převládá během větší části sezony.2)
Konec období spokojeného života se perloočkám ohlašuje nejrůznějšími signály (zvyšováním salinity ve vysychající tůni, úbytkem potravy souvisejícím s velkým nárůstem populační hustoty, zkracováním dne s příchodem podzimu v mírném pásu). Populace tvořená převážně samicemi si pak „vzpomene“ na výhody samčího pohlaví a alespoň část samic změní strategii – ve snůškách partenogeneticky se rozmnožujících samic se objeví nezanedbatelný podíl samců (morfologicky značně odlišných, ale geneticky identických s matkami) a některé dospělé perloočky se místo tvorby další klonální snůšky připraví na páření se samci. Tato příprava je doprovázena změnami v morfologii (na krunýři samice se objevují základy budoucího efipia) i v oogenezi (vajíčka efipiálních samic mají poloviční počet chromozomů a velké množství zásobních látek). Po spáření a úspěšném oplození vzniká zárodek. Je uložen v efipiu, má pozastavený vývoj a čeká na další období vhodných podmínek, kdy bude životní cyklus pokračovat.
Výše uvedený popis cyklické partenogeneze perlooček platí pro většinu druhů, ale není překvapivé, že existují odchylky. Neznáme žádnou perloočku, která by se vzdala výhod klonálního rozmnožování, ale existují populace rozmnožující se výhradně nepohlavně. Ty jsou zajímavé zejména pro studium evoluce a významu sexu (a to nejen u perlooček).
V drsných, ale relativně dobře předvídatelných podmínkách severských nebo horských jezer lze najít linie tvořící efipiální vajíčka i bez přispění samců. Ušetří tak časovou investici do jedné generace, kdy by za normálních okolností museli samci dospět. V kompetici s pohlavně se rozmnožujícími genotypy jsou takové asexuální linie zvýhodněny. Asexualita je také jedinou možností pro přežití některých mezidruhových kříženců, kteří pohlavního rozmnožování nejsou schopni.
Ještě zajímavější je případ severoamerického druhu rodu Daphnia, v němž jsou běžně rozšířené asexuální linie, schopné „nakazit“ asexualitou své příbuzné. Jejich samičky produkují diploidní efipiální vajíčka nepohlavně, ale neztratily schopnost tvorby samců, kteří produkují životaschopné haploidní spermie a mohou kopulovat se sexuálními samičkami jiných klonů. Vzhledem k tomu, že samci přenášejí mutace, jež tuto „nakažlivou asexualitu“ způsobují, prokazují svému pohlaví medvědí službu.
Helmy proti znakoplavkám, pichláky na ryby, trnová koruna proti listonohům
Různé druhy rodu Daphnia jsou vystaveny nebezpečí z mnoha stran. Ve stálých vodních plochách je ohrožují planktonožravé ryby i draví korýši, v malých tůních zase dospělci či larvy různého vodního hmyzu (znakoplavek, vážek nebo komárům podobných koreter), v rozlitině na poli po dešti se kromě perlooček mohou vylíhnout listonozi. Perloočky jsou schopny vnímat nebezpečí díky kairomonům,4) specifickým chemickým látkám, které přítomnost predátora signalizují (viz rovněž Vesmír 80, 629, 2001/11).
Antipredační odpovědi ovlivňují chování, životní strategie i morfologii rodu Daphnia. Přítomnost ryb orientujících se zrakem vyvolává u potenciální kořisti v jezerech migrační chování. Perloočky se ve dne přesouvají do větších hloubek, kde hrozí menší nebezpečí, v noci vyplouvají do teplejších povrchových vrstev bohatších na potravu. Zároveň dospívají rychleji a v menší velikosti, čímž zvyšují své šance na rozmnožení dříve, než se stanou kořistí ryb. V přítomnosti dravých larev koreter se strategie perlooček mění. Tito dravci se neorientují zrakem a dokážou ulovit jen kořist omezené velikosti. Proto je pro perloočku výhodné investovat do růstu, co nejrychleji dosáhnout „bezpečné“ velikosti a teprve poté se věnovat reprodukci.
Nejpozoruhodnější antipredační strategií u některých druhů rodu Daphnia jsou ale indukované morfologické struktury. Pokud samice vnímavého druhu vycítí ve svém okolí přítomnost určitého predátora, její potomci v následující generaci ponesou „brnění“, které zvýší jejich odolnost.5) Ohromná helma na hlavě australského druhu Daphnia longicephala znemožňuje uchopení znakoplavkám, Daphnia lumholtzi z tropických jezer bývá ozbrojena ostny, jež ji efektivně brání dokonce i proti rybímu plůdku. Druhy z komplexu Daphnia atkinsoni obývají v Evropě a Středomoří dočasné tůně s častým výskytem listonohů. Proti nim se brání tvorbou ozubené struktury na hlavě, kterou jsme nazvali „trnová koruna“. Chráněné a nechráněné formy jsou morfologicky natolik odlišné, že byly donedávna považovány za samostatné druhy. Indukované morfologické změny mohou mít ale mnohem skrytější podobu – mladí jedinci některých druhů ohrožovaných dravými larvami koreter mají oproti jedincům z bezpečných vod několikanásobně pevnější krunýř, na pohled se však odlišují jen drobnými zoubky v týlní části těla.
Ke stažení
článek ve formátu pdf [824,29 kB]
O autorovi
Adam Petrusek
Doporučujeme
Se štírem na štíru
Ustrašená společnost 
