Mezidruhové křížení ryb a jeho vliv na odolnost hostitelů vůči parazitům

Vzájemné křížení druhů (mezidruhová hybridizace) je běžným fenoménem u obratlovců, zejména u ryb. U hybridního potomstva první generace, tzv. první filiální generace hybridů (F1 hybridi), je častý rychlejší růst, delší přežívání a vyšší tolerance k environmentálním podmínkám nebo rezistence k parazitům v porovnání s rodičovskými druhy. Tento fenomén označujeme jako heterozní efekt (výhodu).

Heterozní výhoda se tedy ve většině případů vyskytuje pouze u F1 hybridů. U potomků, kteří vzniknou v dalších generacích tzv. zpětným křížením (tj. dojde ke křížení potomka F1 generace s jedním z rodičovských druhů), nastává selhání hybridů (hybrid breakdown), které je důsledkem genetické nekompatibility rodičovských genomů. Tito hybridi pak mají redukovanou biologickou zdatnost (fitness), trpí nízkou životaschopností a přežíváním, vykazují reprodukční abnormality nebo sterilitu, limitovanou ekologickou úspěšnost a jsou více postiženi parazity. Odolnost nebo naopak vnímavost vůči různým parazitárním infekcím tedy může být dobrým ukazatelem biologické zdatnosti hybridních ryb.

Studium genetické nekompatibility hybridů

Andrea Vetešníková Šimková je profesorkou zoologie na Přírodovědecké fakultě Masarykovy univerzity. Více než dvacet let se se svým týmem věnuje evoluční biologii, ekologii a evoluční imunologii parazito-hostitelských vztahů v systémech rybích hostitelů a jejich asociovaných parazitů.

V průběhu řešení projektu podpořeného GA ČR se se svým týmem zaměřila na studium mezidruhového křížení u dvou systémů kaprovitých ryb s různou mírou genetické odlišnosti. První systém tvořil kapr obecný (Cyprinus carpio) a karas stříbřitý (Carassius gibelio), kteří vykazují menší míru genetické diferenciace, a druhý fylogeneticky více vzdálené druhy plotice obecná (Rutilus rutilus) a cejn velký (Abramis brama).

Studium patogenu asociovaného s rodičovským druhem

V prvním experimentu se výzkumný tým Andrey Vetešníkové Šimkové zaměřil na odolnost rodičů i hybridních generací v prvním systému (kapr obecný a karas stříbřitý) k viru jarní virémie (SVCV – Spring viraemia of carp virus), která představuje ekologicky i ekonomicky závažné onemocnění kaprovitých ryb.

Výsledky potvrdily vysokou vnímavost kapra obecného k infekci. Hybridi F1 generace byli nízce vnímaví k onemocnění podobně jako druhý z rodičovských druhů – karas stříbřitý. V případě post-F1 generací hybridů ovšem výzkumníci prokázali jejich vysokou vnímavost vůči virovému onemocnění, což lze interpretovat jako důsledek fenoménu hybridního selhání. Významnou roli ve vnímavosti některých skupin zpětných hybridů k virové nákaze sehrála tzv. cyto-nukleární nekompatibilita (tj. neslučitelnost vzniklých kombinací mitochondriálních a jaderních genomů) a rovněž byla důležitá role vnímavého (kapra obecného) nebo rezistentního (karase stříbřitého) rodičovského druhu v procesu křížení. Profily genů, které vyjadřují rozdíly v genové expresi mezi infikovanou a kontrolní skupinou ryb – zejména těch zapojených do důležitých imunitních drah, vykazovaly podobnosti mezi F1 generací hybridů a rezistentním rodičem – karasem stříbřitým. Naopak k virové infekci vysoce vnímavý kapr obecný a generace post-F1 hybridů vykazovali vzájemnou podobnost i v expresi imunitních genů.

Schéma křížení aplikováno v systému kapr obecný a karas stříbřitý. Vnímavost k viru jarní virémie je označena barevně (zeleně – rezistentní generace, červeně – vnímavé generace, žlutě – středně vnímavé generace).

Podíl rodičovských genů a míra parazitace

Důsledkem vzájemných evolučních interakcí mezi parazity a hostiteli (koevoluce) dochází ke genetickým adaptacím na straně parazita i hostitele. Jejich častým důsledkem je, že parazit vykazuje morfologické adaptace, díky kterým se může přichytit pouze ke konkrétnímu druhu hostitele, který je kompatibilní pouze se specifickým parazitem (například z pohledu genetiky, imunity a / nebo morfologie parazitované tkáně).

Zájmovými parazity je skupina Monogenea, do které patří zejména vnější paraziti infikující žábry, ploutve a pokožku ryb. Tito parazité vykazují vysokou druhovou diverzitu, celou řadu specifických morfologických adaptací na úrovni orgánu, který jim umožňuje přichycení k povrchu rybího hostitele, a hostitelskou specifitu, tj. určitý druh parazita je často striktně asociován pouze s jedním druhem hostitele.

Plotice obecná i cejn velký, rodičovské druhy ve druhém studovaném systému, mají každý svoje asociované druhy monogeneí. Výzkumníkům se v případě infekce druhově početnými ektoparazity ze skupiny Monogenea podařilo prokázat hybridní heterozu – hybridi F1 generací vykazovali menší míru parazitární infekce, byli nicméně parazitováni hostitelsky-specifickými parazity obou rodičovských druhů. Překvapivým zjištěním byla asymetrie zastoupení rodičovským druhům asociovaných parazitů u F1 generací hybridů, kterou naznačily již i předešlé studie výzkumného týmu. Mechanismus tohoto jevu je zatím neznámý a vyžaduje další studie na molekulární úrovni.

Míra parazitárního zatížení v této studii byla srovnatelná u obou rodičovských druhů i generací zpětných hybridů. Výzkumníci prokázali, že míra zastoupení genů rodičovských druhů v genomu hybridních potomků je určující pro to, v jakém poměru budou zastoupeni jednotliví hostitelsky specifičtí parazité. Jejich výzkum tedy poukazuje na význam vzájemné adaptace (tzv. koadaptace) mezi hostitelsky specifickým parazitem a jeho asociovaným hostitelem.

Jak ovlivňuje zdatnost hybridů nespecifický parazit?

V další studii se výzkumníci zaměřili na to, jak hostitelsky nespecifičtí parazité ovlivňují zdatnost hybridů. Kandidátním parazitem byl opět zástupce monogeneí z čeledi Diplozoidae, který se vyznačuje unikátní životní strategií. Larvální stádia tohoto parazita migrují do cílové pozice na žábrách rybího hostitele, dochází k fúzi dvou larev a vzniká jedinec následně dosahující pohlavní zralosti.

Vybraný zástupce Paradiplozoon homoion nevykazuje hostitelské preference, a je tedy schopen infikovat vysoký počet různých hostitelských druhů, zástupců kaprovitých ryb. Studie ukázala nižší míru infekce u experimentálně infikovaných rodičovských druhů plotice obecné a cejna velkého a hybridů F1 generace, a naopak dokumentovala vyšší parazitární infekci u zpětných hybridů, což je v souladu s předpokladem jejich genetického selhání.

Výsledky získané experimentální parazitární infekcí vědci podpořili navazující analýzou rozdílně exprimovaných genů mezi infikovanými a neinfikovanými rybími jedinci (tzv. diferenciálně exprimovaných genů), při které hybridi F1 generace vykazovali nižší počet diferenciálně exprimovaných genů ve srovnání s hybridy zpětného křížení. Studie odhalila důležité dráhy rybího hostitele spojené s jeho imunitou, diferenciací červených krvinek a vazbou složek krevního barviva aktivované parazitem P. homoion, který se živí krví rybího hostitele.

 

Zdroj: Grantová agentura ČR