Sinice (Cyanobacteria) se na Zemi poprvé objevily asi před 3,5 miliardami let. Patří mezi
hlavní organismy ovlivňující světové biogeochemické cykly a jsou prapředky chloroplastů
dnešních vyšších rostlin. Sinice jsou schopny přežít v nejrůznějších prostředích. Díky jejich
obrovské rozmanitosti zůstává velká většina taxonů systematicky nezařazena. V této práci
jsem studovala morfologické i molekulární znaky tří nových rodů sinic z tropických oblastí
(Pinocchia, Onodrimia a Elainella), také jsem se zaměřila na mezery v systematice sinic.
Spolupracovala jsem na knižní kapitole pojednávající o diverzitě cyanobakterií.
Recentní studie odhalily, že rody jako je Leptolyngbya nebo Pseudanabaena jsou výrazně
polyfyletické. Oba druhově bohaté rody se značí jednoduchou morfologií, vytvářejí tenká
vlákna a obývají jak vodní, tak i terestrické habitaty. Nicméně, na základě polyfyletického
původu byla Leptolyngbya rozdělena do několika nových linií, jako je Oculatella nebo
Nodosilinea. Pseudanabaena na svou revizi stále čeká. Podobně jsem i já popsala dva
neznámé rody odvozené z rodů Leptolyngbya a Pseudanabaena. Pinocchia a Onodrimia
jsou jednoduché vláknité cyanobakterie tropického původu. Fylogeneze založená na genu
16S rRNA jednoznačně odlišila monofyletické linie rodu Pinocchia a Onodrimia od
Pseudanabaena a Leptolyngbya sensu stricto. Snažila jsem se najít morfologickou
apomorfii, která by striktně definovala nově popsané rody. V případě rodu Pinocchia se
jedná pravděpodobně o kryptický rod, avšak některé z trichomů měly výrazně
prodlouženou, špičatou, někdy kuželovitou apikální buňku. Pro ověření, zda se skutečně
jedná o apomorfii, jsem použila nutriční experiment. Nebyl však nalezen signifikantní
rozdíl, který by odlišoval kontrolní a experimentální kulturu. Na druhou stranu, Onodrimia
je charakteristická zvláštním typem reprodukce (produkuje hormogonia v takzvaných
stromečkovitých formacích). Tento charakteristický znak lez považovat za apomorfii.
Další nově popsaná tropická sinice Elainella je velice podobná sinici rodu
Pseudophormidium. Pseudophormidium je málo prostudovaný taxon s nejasnou
morfologií. Pro definici tohoto nového rodu jsem použila jak fylogenezi na základě 16S
rRNA genu a morfologické informace, tak i celo-genomový přístup. Celková délka
genomu byla 8 702 141 párů bází. V genomu rodu Elainella jsem identifikovala geny
sloužící k fixaci vzdušného dusíku a deset potencionálně biosyntetických genových
klastrů, pouze dva z nich zřejmě produkující cytotoxické metabolity. Z datované
fylogeneze na základě 69 ortologních genů jsme se pokusila odhalit vznik rodu Elainella a
kmene Leptolyngbya sp. JSC-1. Tento klád se pravděpodobně diversifikoval asi před 2,24-
2,47 miliardami let.
Gen kódující malou podjednotku ribozomu (16S rRNA gen) je hojně užívaný marker pro
fylogenezi bakterií. V databázích můžeme najít tisíce sekvencí tohoto genu. Na druhou
stranu, je obecně známo, že morfologická charakteristika neodpovídá molekulární
fylogenezi. Proto jsem chtěla tento zjevný paradox, neustále se zvětšujícího množství dat
a nesprávného fylogenetického určení, prostudovat pomocí algoritmu PTP (Poisson Tree
Process). Alignovala jsem 10 037 sekvencí genu 16S rRNA a pomocí PTP algoritmu jsem
delimitovala počet druhů sinic v databázi GenBank. PTP identifikovalo pouze 2741 PTPdefinovaných
druhů, avšak 51 % PTP-druhů bylo nekultivovatelných. Také jsem se
zaměřila na faktory, které by mohly tuto nelehkou situaci taxonomie sinic zlepšit (např.
nově popsané taxony by měly být vždy charakterizovány autapomorfií, metagenomická
data by měla být vyhodnocována pečlivěji, revize by měly být prováděny pouze
s robustním a správným výběrem taxonů).
Anotace v angličtině
Cyanobacteria emerged on Earth approximately 3.5 billion years ago. They are the major
contributor to global biogeochemical cycles and are ancestors of today's chloroplast of
higher plants. Cyanobacteria thrive across many habitats. However, due to their enormous
diversity, taxonomy remains in chaos and most taxa are uncharacterised. In this thesis, I
have investigated the morphological and molecular features of three new cyanobacterial
genera from tropical areas (Pinocchia, Onodrimia, and Elainella). Moreover, I aimed to
identify gaps in cyanobacterial systematics and cooperated on a book chapter focused on
cyanobacterial diversity.
Recent investigations revealed that Leptolyngbya and Pseudanabaena are extensively
polyphyletic cyanobacterial taxa. Both species-rich genera have very simple morphology,
create thin filaments and occur mostly in aquatic and terrestrial habitats. However, due to
polyphyly, Leptolyngbya was divided into several genera such as Oculatella and
Nodosilinea. Pseudanabaena still waits for its revision. I identified two unknown genera
similar to Leptolyngbya and Pseudanabaena. They were named Onodrimia and Pinocchia.
Both of them are simple filamentous cyanobacteria with tropical origin. The phylogenetic
study of 16S rRNA clearly distinguished Pinocchia and Onodrimia as monophyletic clades
distant from Pseudanabaena and Leptolygbya sensu stricto. I endeavoured to find the
unique apomorphic character which would strictly define newly described genera.
Pinocchia is a cryptic genus but some trichomes possess prolongated, pointed and
sometimes conical apical cell. For confirmation of this morphological apomorphy, I
applied nutrient experiment. The results did not show any significant difference between
standard and experimental cultures. On the other hand, Onodrimia possess a peculiar type
of reproduction (it reproduces by tree-like hormogonia tufts). This character could be
considered as apomorphy.
Another new tropical cyanobacterium Elainella is morphologically very similar to
Pseudophormidium. Pseudophormidium is poorly studied lineage, with unclear
morphology. For confirmation of this new genus, I used 16S rRNA phylogeny,
morphological data and also whole genome assessment. The total length of the draft
genome was 8 702 141 bp. Elainella genome contains genes for atmospheric nitrogen
fixation and also 10 potentially biosynthetic genes clusters, but only 2 were assigned as
already known genes with the ability to produced cytotoxic metabolites. A dated phylogeny
of 69 orthologous genes revealed the origin of Elainella and its sister's clade Leptolyngbya
sp. JSC-1. They diverged probably 2.24-2.47 BYA.
Gene for the small subunit of the prokaryotic ribosome (16S rRNA) is a widely used marker
for bacterial phylogeny. There are hundreds of thousands of sequences of this gene in
molecular databases. But it is widely known that morphological characters do not perfectly
correspond with molecular phylogeny. Therefore, I wanted to describe this evident paradox
of increasing data yet poor phylogenetic resolutions by PTP (Poisson Tree Process)
algorithm. I aligned 10037 sequences of 16S rRNA and I used PTP delimitation to a defined
quantity of species in GenBank database. PTP identified just 2741 PTP-defined species,
but 51% PTP-defined species were assigned to uncultured samples. I also proposed
possible suggestions which could improve this difficult situation.
Sinice (Cyanobacteria) se na Zemi poprvé objevily asi před 3,5 miliardami let. Patří mezi
hlavní organismy ovlivňující světové biogeochemické cykly a jsou prapředky chloroplastů
dnešních vyšších rostlin. Sinice jsou schopny přežít v nejrůznějších prostředích. Díky jejich
obrovské rozmanitosti zůstává velká většina taxonů systematicky nezařazena. V této práci
jsem studovala morfologické i molekulární znaky tří nových rodů sinic z tropických oblastí
(Pinocchia, Onodrimia a Elainella), také jsem se zaměřila na mezery v systematice sinic.
Spolupracovala jsem na knižní kapitole pojednávající o diverzitě cyanobakterií.
Recentní studie odhalily, že rody jako je Leptolyngbya nebo Pseudanabaena jsou výrazně
polyfyletické. Oba druhově bohaté rody se značí jednoduchou morfologií, vytvářejí tenká
vlákna a obývají jak vodní, tak i terestrické habitaty. Nicméně, na základě polyfyletického
původu byla Leptolyngbya rozdělena do několika nových linií, jako je Oculatella nebo
Nodosilinea. Pseudanabaena na svou revizi stále čeká. Podobně jsem i já popsala dva
neznámé rody odvozené z rodů Leptolyngbya a Pseudanabaena. Pinocchia a Onodrimia
jsou jednoduché vláknité cyanobakterie tropického původu. Fylogeneze založená na genu
16S rRNA jednoznačně odlišila monofyletické linie rodu Pinocchia a Onodrimia od
Pseudanabaena a Leptolyngbya sensu stricto. Snažila jsem se najít morfologickou
apomorfii, která by striktně definovala nově popsané rody. V případě rodu Pinocchia se
jedná pravděpodobně o kryptický rod, avšak některé z trichomů měly výrazně
prodlouženou, špičatou, někdy kuželovitou apikální buňku. Pro ověření, zda se skutečně
jedná o apomorfii, jsem použila nutriční experiment. Nebyl však nalezen signifikantní
rozdíl, který by odlišoval kontrolní a experimentální kulturu. Na druhou stranu, Onodrimia
je charakteristická zvláštním typem reprodukce (produkuje hormogonia v takzvaných
stromečkovitých formacích). Tento charakteristický znak lez považovat za apomorfii.
Další nově popsaná tropická sinice Elainella je velice podobná sinici rodu
Pseudophormidium. Pseudophormidium je málo prostudovaný taxon s nejasnou
morfologií. Pro definici tohoto nového rodu jsem použila jak fylogenezi na základě 16S
rRNA genu a morfologické informace, tak i celo-genomový přístup. Celková délka
genomu byla 8 702 141 párů bází. V genomu rodu Elainella jsem identifikovala geny
sloužící k fixaci vzdušného dusíku a deset potencionálně biosyntetických genových
klastrů, pouze dva z nich zřejmě produkující cytotoxické metabolity. Z datované
fylogeneze na základě 69 ortologních genů jsme se pokusila odhalit vznik rodu Elainella a
kmene Leptolyngbya sp. JSC-1. Tento klád se pravděpodobně diversifikoval asi před 2,24-
2,47 miliardami let.
Gen kódující malou podjednotku ribozomu (16S rRNA gen) je hojně užívaný marker pro
fylogenezi bakterií. V databázích můžeme najít tisíce sekvencí tohoto genu. Na druhou
stranu, je obecně známo, že morfologická charakteristika neodpovídá molekulární
fylogenezi. Proto jsem chtěla tento zjevný paradox, neustále se zvětšujícího množství dat
a nesprávného fylogenetického určení, prostudovat pomocí algoritmu PTP (Poisson Tree
Process). Alignovala jsem 10 037 sekvencí genu 16S rRNA a pomocí PTP algoritmu jsem
delimitovala počet druhů sinic v databázi GenBank. PTP identifikovalo pouze 2741 PTPdefinovaných
druhů, avšak 51 % PTP-druhů bylo nekultivovatelných. Také jsem se
zaměřila na faktory, které by mohly tuto nelehkou situaci taxonomie sinic zlepšit (např.
nově popsané taxony by měly být vždy charakterizovány autapomorfií, metagenomická
data by měla být vyhodnocována pečlivěji, revize by měly být prováděny pouze
s robustním a správným výběrem taxonů).
Anotace v angličtině
Cyanobacteria emerged on Earth approximately 3.5 billion years ago. They are the major
contributor to global biogeochemical cycles and are ancestors of today's chloroplast of
higher plants. Cyanobacteria thrive across many habitats. However, due to their enormous
diversity, taxonomy remains in chaos and most taxa are uncharacterised. In this thesis, I
have investigated the morphological and molecular features of three new cyanobacterial
genera from tropical areas (Pinocchia, Onodrimia, and Elainella). Moreover, I aimed to
identify gaps in cyanobacterial systematics and cooperated on a book chapter focused on
cyanobacterial diversity.
Recent investigations revealed that Leptolyngbya and Pseudanabaena are extensively
polyphyletic cyanobacterial taxa. Both species-rich genera have very simple morphology,
create thin filaments and occur mostly in aquatic and terrestrial habitats. However, due to
polyphyly, Leptolyngbya was divided into several genera such as Oculatella and
Nodosilinea. Pseudanabaena still waits for its revision. I identified two unknown genera
similar to Leptolyngbya and Pseudanabaena. They were named Onodrimia and Pinocchia.
Both of them are simple filamentous cyanobacteria with tropical origin. The phylogenetic
study of 16S rRNA clearly distinguished Pinocchia and Onodrimia as monophyletic clades
distant from Pseudanabaena and Leptolygbya sensu stricto. I endeavoured to find the
unique apomorphic character which would strictly define newly described genera.
Pinocchia is a cryptic genus but some trichomes possess prolongated, pointed and
sometimes conical apical cell. For confirmation of this morphological apomorphy, I
applied nutrient experiment. The results did not show any significant difference between
standard and experimental cultures. On the other hand, Onodrimia possess a peculiar type
of reproduction (it reproduces by tree-like hormogonia tufts). This character could be
considered as apomorphy.
Another new tropical cyanobacterium Elainella is morphologically very similar to
Pseudophormidium. Pseudophormidium is poorly studied lineage, with unclear
morphology. For confirmation of this new genus, I used 16S rRNA phylogeny,
morphological data and also whole genome assessment. The total length of the draft
genome was 8 702 141 bp. Elainella genome contains genes for atmospheric nitrogen
fixation and also 10 potentially biosynthetic genes clusters, but only 2 were assigned as
already known genes with the ability to produced cytotoxic metabolites. A dated phylogeny
of 69 orthologous genes revealed the origin of Elainella and its sister's clade Leptolyngbya
sp. JSC-1. They diverged probably 2.24-2.47 BYA.
Gene for the small subunit of the prokaryotic ribosome (16S rRNA) is a widely used marker
for bacterial phylogeny. There are hundreds of thousands of sequences of this gene in
molecular databases. But it is widely known that morphological characters do not perfectly
correspond with molecular phylogeny. Therefore, I wanted to describe this evident paradox
of increasing data yet poor phylogenetic resolutions by PTP (Poisson Tree Process)
algorithm. I aligned 10037 sequences of 16S rRNA and I used PTP delimitation to a defined
quantity of species in GenBank database. PTP identified just 2741 PTP-defined species,
but 51% PTP-defined species were assigned to uncultured samples. I also proposed
possible suggestions which could improve this difficult situation.
Sinice patří mezi nejvýznamnější primární producenty téměř ve všech akvatických i terestrických ekosystémech. Diverzita sinic (Cyanobacteria) v tropických oblastech je často opomíjená. Výzkum sinic je totiž tradičně zaměřen spíše na temperátní zónu a v poslední době na polární oblasti. Současným problémem jsou rovněž kryptické rody a druhy sinic. Jedná se o taxony, které jsou rozeznatelné pouze na základě molekulárních markerů, morfologicky jsou vzájemně neodlišitelné. V rámci disertační práce budou zpracovány kmeny získané převážně z tropických oblastí. V laboratoři budou kmeny charakterizovány po morfologické stránce v optickém mikroskopu. Geneticky budou popsány sekvenováním vybraných genetických markerů (např. 16S rRNA, ITS regionu mezi 16S a 23S rRNA). Poté budou získaná data publikována v mezinárodních impaktových časopisech.
Zásady pro vypracování
Sinice patří mezi nejvýznamnější primární producenty téměř ve všech akvatických i terestrických ekosystémech. Diverzita sinic (Cyanobacteria) v tropických oblastech je často opomíjená. Výzkum sinic je totiž tradičně zaměřen spíše na temperátní zónu a v poslední době na polární oblasti. Současným problémem jsou rovněž kryptické rody a druhy sinic. Jedná se o taxony, které jsou rozeznatelné pouze na základě molekulárních markerů, morfologicky jsou vzájemně neodlišitelné. V rámci disertační práce budou zpracovány kmeny získané převážně z tropických oblastí. V laboratoři budou kmeny charakterizovány po morfologické stránce v optickém mikroskopu. Geneticky budou popsány sekvenováním vybraných genetických markerů (např. 16S rRNA, ITS regionu mezi 16S a 23S rRNA). Poté budou získaná data publikována v mezinárodních impaktových časopisech.
Seznam doporučené literatury
Belligner, E. G. and Sigee, D.C.(2010): Freshwater algae: identification and use as bioindicators.- 271 pp., Wiley- Blackwell, Hoboken, New Jersey.
Dvořák, P., Poulíčková, A., Hašler, P., Belli, M., Casamatta, D. A. and Pipini A. (2015): Species concepts and speciation factors in cyanobacteria, with connection th the problems of diversity and classification.- Biodiver. Conserv.4:739-757.
Komárek, J., Kaštovský, J., Mareš, J. and Johansen, J. R. (2014): Taxonomic classification of cyanoprokaryotes (cyanobacterial genera) 2014, using a polyphasic approach.- Preslia 86: 295-335.
Seznam doporučené literatury
Belligner, E. G. and Sigee, D.C.(2010): Freshwater algae: identification and use as bioindicators.- 271 pp., Wiley- Blackwell, Hoboken, New Jersey.
Dvořák, P., Poulíčková, A., Hašler, P., Belli, M., Casamatta, D. A. and Pipini A. (2015): Species concepts and speciation factors in cyanobacteria, with connection th the problems of diversity and classification.- Biodiver. Conserv.4:739-757.
Komárek, J., Kaštovský, J., Mareš, J. and Johansen, J. R. (2014): Taxonomic classification of cyanoprokaryotes (cyanobacterial genera) 2014, using a polyphasic approach.- Preslia 86: 295-335.