Badania naukowe

Obszary badawcze Katedry Genetyki:

  1. Zmienność genetyczna populacji drzew leśnych w kontekście ochrony zasobów genowych.Badania dotyczą oceny zmienności genetycznej wewnątrz populacji, zróżnicowania genetycznego między populacjami, filogeografii gatunków oraz oceny potencjału adaptacyjnego. Badaniami obejmowane są również gatunki chronione. Jest to najszerszy obszar badawczy angażujący w zasadzie wszystkich pracowników Katedry.
  2. Ekologia i genetyka populacyjna wybranych grup owadów.Badania prowadzone są głównie przez Andrzeja Oleksę, koncentrują się na gatunkach owadów zasiedlających dziuple drzew rosnących w alejach przydrożnych.
  3. System kojarzenia oraz przepływ genów w populacjach drzew leśnych. Głównym celem badań jest określenie mechanizmów decydujących o poziomie zmienności genetycznej populacji, ze szczególnym uwzględnieniem przebiegu procesów reprodukcyjnych, w tym poziomu samozapłodnienia, przepływu genów wewnątrz i między populacjami, a także uwarunkowań męskiego i żeńskiego sukcesu reprodukcyjnego (Chybicki, Burczyk i inni).
  4. Opracowanie nowych metod oceny przebiegu procesów genetycznych w populacjach. Badania obejmują opracowanie nowych metod statystycznych oraz ewaluację i modernizację dotychczas stosowanych metod w celu dostosowania aparatu statystycznego do specyfika markerów genetycznych (Chybicki, Burczyk).
  5. Wykorzystanie markerów genetycznych do identyfikacji leśnego materiału rozmnożeniowego oraz identyfikacji osobniczej drzew (drewna) w postępowaniach sądowych.Głównym celem badań jest opracowanie zestawów markerów genetycznych oraz optymalizacji i standaryzacji procedur laboratoryjnych i statystycznych umożliwiających identyfikację osobniczą (Dzialuk, Chybicki, Burczyk)
  6. Wykorzystanie osiągnięć genetyki drzew leśnych w procesie hodowli selekcyjnej i zarządzania zasobami genowymi. Badania koncentrują się na opracowaniu naukowych podstaw regionalizacji nasiennej wybranych gatunków drzew leśnych (np. rodzimych dębów, z wykorzystaniem chloroplastowych markerów mikrosatelitarnych), oraz wykorzystaniu markerów DNA w celu weryfikacji doświadczeń rodowych i proweniencyjnych, a także monitorowania zmienności genetycznej w populacjach ważnych dla ochrony zasobów genowych. (Burczyk, Trojankiewicz, Chybicki, Sandurska, Chmielewski, Jankowska-Wróblewska).
  7. Genomika drzew leśnych.Prace badawcze dotyczą identyfikacji genów kandydackich powiązanych z procesem fenologii rozwoju, ich resekwencjonowaniu oraz analizy polimorfizmu tych genów, a także ich elementów regulatorowych w dużej skali geograficznej. Wyniki badań pomogą również w określeniu potencjału dalekiego przepływu genów za pośrednictwem pyłku (Burczyk, Ulaszewski, Chybicki, Sandurska).

Badania naukowe Katedry Genetyki od początku istnienia jednostki związane były ściśle z genetyką drzew leśnych, co wiązało się z dotychczasowym doświadczeniem naukowym Jarosława Burczyka, obecnego kierownika Katedry Genetyki. W czasie pracy w Instytucie Dendrologii PAN zajmował się on m.in. analizą systemów kojarzenia na plantacjach nasiennych, odbył również długoterminowe starze naukowe we Francji (Stypendium CIES) oraz Stanach Zjednoczonych (Stypendium Fulbrighta). Zdobyte doświadczenia chciał wykorzystać w pracy naukowej na ówczesnej Wyższej Szkole Pedagogicznej. W roku 1995 uzyskał po raz pierwszy grant naukowy (Efektywność przekazywania informacji genetycznej w populacjach drzew leśnych na przykładzie plantacji nasiennych sosny i świerka) przyznany przez Komitet Badań Naukowych. Był to wówczas jeden z największych projektów badawczych na uczelni (130 000 PLN). Projekt realizowany był we współpracy z Instytutem Dendrologii PAN. Uzyskane środki finansowe pozwoliły na stworzenie podstaw zaplecza aparaturowego umożliwiającego prowadzenie badań zmienności genetycznej w oparciu o markery izoenzymowe. Badania genetyczne były kontynuowane w ramach istniejącego od 1996 roku Zakładu Biologii Eksperymentalnej. Liczne artykuły naukowe z tego okresu, będące w głównej mierze wynikiem podjętej wcześniej współpracy międzynarodowej (USA, Francja, Finlandia), opublikowane zostały w renomowanych czasopismach naukowych (m.in. HeredityCanadian Journal of Forest ResearchScandinavian Journal of Forest ResearchSilvae GeneticaForest Ecology and Management). Jedną z przełomowych, często do dziś cytowanych publikacji z tamtego okresu była praca omawiająca problem modelowania systemu kojarzenia i dyspersji pyłku u nagonasiennych na przykładzie kalifornijskiej sosny Pinus attenuata (Burczyk i in. 1996). Prace dotyczące analiz systemu kojarzenia drzew iglastych były podstawą rozprawy habilitacyjnej Jarosława Burczyka.

W Katedrze Genetyki od wielu lat prowadzone są badania zmierzające do opracowania efektywnych metod oceny przepływu genów w populacjach roślin. W roku 2002 opublikowano wyniki badań systemu kojarzenia i dyspersji pyłku na plantacji nasiennej Eucalyptus regnans (Burczyk i in. 2002). Praca ta wprowadziła nowe aspekty metodyczne badania systemów kojarzenia w oparciu o model sąsiedztwa i do dziś jest jedną z częściej cytowanych publikacji Katedry. Burczyk i Koralewski (2005) przeprowadzili badania porównawcze metod analiz rodzicielstwa i metod pośrednich dyspersji genów wykazując podobieństwa i różnice różnych podejść metodycznych. W 2006 roku opublikowano nowatorską metodę badania przepływu genów w oparciu o analizę rodzicielstwa siewek powstałych w drodze naturalnego odnowienia (Burczyk i in. 2006). Metody te były dalej rozwijane w celu szczegółowego zbadania przepływu genów w populacjach dębów (Chybicki i Burczyk 2010a,b, 2013). Wykryto, że u tego taksonu znaczny udział kojarzeń powstaje przy udziale pyłku pochodzącego spoza lokalnej populacji, a dyspersja nasion, mimo barochorii typowej dla dębów, może zachodzić efektywnie na znaczne odległości na skutek zoochorii. Tak szczegółowe badania nie były wcześniej prowadzone na świecie. W roku 2007 wykazano, że u rodzimych dębów mogą pojawiać się spontanicznie osobniki poliploidalne (Dzialuk i in. 2007).

Ważnym nurtem badawczym Katedry jest ocena poziomu wsobności w populacjach buka i cisa (Chybicki i in. 2009; Chybicki i in. 2011; Chybicki i in. 2012). Autorzy wykazali, że wiele wcześniejszych doniesień naukowych informujących o istnieniu wsobności w populacjach buka zwyczajnego Fagus sylvatica otrzymanych przy użyciu mikrosatelitarnych markerów DNA (SSR), mogło być obarczonych błędem wynikającym ze stosowania metod badawczych nieuwzględniających obecności tzw. alleli zerowych (null). Opracowane przez autorów nowe metody badawcze pozwalają na precyzyjną ocenę wsobności, a ich zastosowanie w przypadku wybranej populacji buka zwyczajnego dowiodło braku wsobności u tego gatunku (Chybicki i Burczyk 2009, Chybicki i in. 2009). Należy zwrócić uwagę, że opracowana metodyka zaimplementowana w programie komputerowym INEst autorstwa Igora Chybickiego jest coraz szerzej wykorzystywana przez innych naukowców na świecie, o czym świadczyć może rosnąca liczba cytowań tej publikacji (do chwili obecnej ponad 100 cytowań). Interesującym okazało się również odkrycie istnienia niewielkiego poziomu wsobności w populacjach cisa pospolitego Taxus baccata, gatunku dwupiennego, u którego wsobność może występować jedynie na skutek kojarzenia się osobników spokrewnionych (Chybicki i in. 2011). Dotychczas uważano, że rozdzielnopłciowość u tych roślin może skutecznie zapobiegać wsobności i jej negatywnym skutkom. W badaniach wykorzystano markery kodominacyjne (SSR), jak i dominacyjne (AFLP), opracowując jednocześnie nowatorskie metody statystyczne. Ważnym nurtem badawczym okazały się badania zmienności genetycznej drzew leśnych, głównie sosen, w dużej skali geograficznej (Dzialuk i in. 2009; Dzialuk i in. 2011; Dzialuk i in. 2012).

Dołączenie do zespołu Andrzeja Oleksy rozszerzyło tematykę badawczą Katedry o problemy ekologii i genetyki populacyjnej owadów. Jednym z podstawowych obiektów badań jest pszczoła miodna, najważniejszy pod względem ekonomicznym gatunek owada. Andrzej Oleksa wraz z zespołem wdrożył metody badawcze pozwalające na wykorzystanie analiz DNA w celu identyfikacji pochodzenia pszczół, umożliwiające skuteczne przypisanie badanego materiału do hodowanych w Polsce podgatunków pszczoły. Metody te są niezbędne dla prawidłowej ochrony zasobów genowych tych owadów. Dużym osiągnięciem było wykazanie, że w populacjach z rejonów linii hodowlanych rodzimej pszczoły miodnej spotyka się rodziny pszczele wywodzące się od matek obcego pochodzenia, co może negatywnie wpływać na zachowanie integralności rodzimej pszczoły miodnej (Oleksa i in. 2011). Jednak równocześnie wykazano częściową izolację reprodukcyjną pomiędzy rodzimym podgatunkiem pszczoły miodnej a innymi podgatunkami wykorzystywanymi w pszczelarstwie na terenie Polski (Oleksa i in. 2013c). Zespół pod kierunkiem Andrzeja Oleksy badał również pochodzenie dziko żyjących pszczół zasiedlających aleje drzew w północnej Polsce (Oleksa i in. 2013b). Badania te pokazały, że w sprzyjających okolicznościach znaczny odsetek populacji pszczoły pozostaje poza kontrolą człowieka, przez co pula genowa pszczół znajduje się nie tylko pod wpływem sztucznej selekcji, ale również doboru naturalnego. Tworzy to interesujące okoliczności do obserwacji powstawania adaptacji do lokalnych warunków pożytkowych i klimatycznych oraz odporności na pasożyty.

Poza pszczołą miodną głównymi obiektami badań Andrzeja Oleksy są zagrożone gatunki owadów związane z dziuplami drzew, m.in. pachnica dębowa Osmoderma eremita, priorytetowy gatunek Dyrektywy Siedliskowej Unii Europejskiej. Dzięki przeprowadzonym rozpoznaniom udało się ustalić preferencje ekologiczne tego chronionego i zagrożonego gatunku (Oleksa i in. 2007). Wspólne badania prowadzone z naukowcami ze Szwecji zaowocowały ustaleniem feromonu płciowego wykorzystywanego przez wschodnioeuropejskie pachnice (Svensson i in. 2009). Za pomocą markerów DNA zweryfikowano także dotychczasowe poglądy na temat zdolności dyspersji u pachnicy oraz – dzięki metodom analitycznym opracowanym przez Igora Chybickiego - przeprowadzono po raz pierwszy ocenę stopnia wsobności u tego gatunku (Oleksa i in. 2013a). Zespół kierowany przez Andrzeja Oleksę, w skład którego wchodzili również naukowcy z Wrocławia i Poznania, przygotował także propozycję ogólnopolskiego planu działań służących ochronie pachnicy (Oleksa i in. 2012). W Katedrze Genetyki realizowany był projekt zmierzający do ustalenia znaczenia alej jako korytarzy ekologicznych i dróg przepływu genów u innego zagrożonego gatunku chrząszcza, tj. tęgosza rdzawego Elater ferrugineus (grant NCN).

Wyniki badań prowadzonych w Katedrze Genetyki są często wykorzystywane w praktyce. Artur Dzialuk wraz z zespołem opracował metody badawcze pozwalające na wykorzystanie analiz DNA drzew leśnych (jako materiału dowodowego) na potrzeby organów ścigania oraz wymiaru sprawiedliwości, umożliwiające jednoznaczną identyfikację osobniczą podstawowych gatunków drzew leśnych w Polsce (grant NCBiR). Obecnie dowód z analiz DNA drzew jest już uznawany w naszym kraju jako jeden z niewielu niepodważalnych środków dowodowych. Dzięki temu organy procesowe zyskały możliwość prowadzania postępowania dowodowego z wykorzystaniem analiz DNA drzew leśnych mogąc skuteczniej zwalczać plagę szkodnictwa leśnego, a wymiar sprawiedliwości ma możliwość udowodnienia winy w orzecznictwie sądowym, co w znacznym stopniu przyczynia się do wzrostu ładu i bezpieczeństwa publicznego w Polsce. Metody identyfikacji leśnego materiału rozmnożeniowego opracowane przez Katedrę Genetyki zostały wdrożone w Leśnym Banku Genów Kostrzyca, w celu weryfikacji poprawności zbioru nasion przeznaczonych do długoterminowego przechowywania.

Wybrane publikacje pracowników Katedry Genetyki:

  • Burczyk, J., Adams, W. T., Birkes, D. S., Chybicki, I. J. 2006. Using genetic markers to directly estimate gene flow and reproductive success parameters in plants based on naturally regenerated seedlings.Genetics 173: 363–372.
  • Burczyk, J., Adams, W.T., Moran, G.F., Griffin, A.R. 2002. Complex patterns of mating revealed in aEucalyptus regnans seed orchard using allozyme markers and the neighborhood model. Molecular Ecology 11: 2379-2391.
  • Burczyk, J., Adams, W.T., Shimizu, J.Y. 1996. Mating patterns and pollen dispersal in a natural knobcone pine (Pinus attenuata) stand. Heredity 77: 251-260.
  • Burczyk, J., Koralewski, T.E. 2005. Parentage versus two-generation analyses for estimating pollen-mediated gene flow in plant populations.Molecular Ecology 14: 2525-2537.
  • Chybicki, I.J., Burczyk, J. 2009. Simultaneous estimation of null alleles and inbreeding coefficients.Journal of Heredity 100: 106-113.
  • Chybicki, I.J.,Burczyk, J. 2010a. NM+: software implementing parentage-based models for estimating gene dispersal and mating patterns in plants.Molecular Ecology Resources 10: 1071-1075
  • Chybicki, I.J.,Burczyk, J. 2010b. Realized gene flow within mixed stands ofQuercus robur  and Q. petraea (Matt.) L. revealed at the stage of naturally established seedling. Molecular Ecology 19: 2137-2151.
  • Chybicki, I.J., Burczyk, J. 2013. Seeing the forest through the trees: comprehensive inference on individual mating patterns in the mixed stand ofQuercus robur and  petraeaAnnals of Botany 112(3): 561-574.
  • Chybicki, I.J., Oleksa, A., Burczyk, J. 2011. Increased inbreeding and strong kinship structure inTaxus baccata estimated from both AFLP and SSR data. Heredity 107: 589-600
  • Chybicki, I.J., Oleksa, A., Kowalkowska, K. 2012. Variable rates of random genetic drift in protected populations of English yew: implications for gene pool conservation.Conservation Genetics 13: 899-911
  • Chybicki, I.J., Trojankiewicz, M., Oleksa, A., Dzialuk, A., Burczyk, J. 2009. Isolation-by-distance within naturally established populations of European beech (Fagus sylvatica).Botany 87: 791-798.
  • Dzialuk, A., Botaryński, A., Boratyńska, K., Burczyk, J. 2012. Geographic patterns of genetic diversity ofPinus mugo (Pinaceae) in Central European mountains. Dendrobiology 68: 31-41.
  • Dzialuk, A., Chybicki, I., Welc, M., Śliwińska E., Burczyk, J. 2007. Presence of triploids among oak species.Annals of Botany 99: 959-964.
  • Dzialuk, A., Mazur, M., Boratyńska, K., Montserrat, J.M., Romo, A., Boratyński A. 2011. Population genetic structure of Juniperus phoenicea (Cupressaceae) in the western Mediterranean Basin: gradient of diversity on a broad geographical scale.Annals of Forest Science 68:1341–1350.
  • Dzialuk,A., Muchewicz, E., Boratyński, A., Montserrat, J.M., Boratyńska, K., Burczyk, J. 2009. Genetic variation ofPinus uncinata (Pinaceae) In the Pyrenees determined with cpSSR markers. Plant Systematics and Evolution 277: 197-205.
  • Oleksa, A., Chybicki, I., Tofilski, A., Burczyk, J. 2011. Nuclear and mitochondrial patterns of introgression into native dark bees (Apis mellifera mellifera) in Poland.Journal of Apicultural Research 50(2): 116-129.
  • Oleksa, A., Chybicki, I.J., Gawroński, R., Svensson, G.P., Burczyk, J. 2013a. Isolation by distance in saproxylic beetles may increase with niche specialization. Insect Conserv. 17, 219-233.
  • Oleksa, A., Chybicki, I.J., Tofilski, A., Burczyk, J. 2011. Nuclear and mitochondrial patterns of introgression into native dark bees (Apis mellifera mellifera) in Poland. Apic. Res. 50, 116–129.
  • Oleksa, A., Gawroński, R., Tofilski, A. 2013b. Rural avenues as a refuge for feral honey bee population. Insect Conserv. 17, 465–472.
  • <Oleksa, A., Kadej, M., Smolis, A., Klejdysz, T., Malkiewicz, A. 2012. Ochrona pachnicy w Polsce. Propozycja programu działań. Fundacja EkoRozwoju, Wrocław. Pp. 139.
  • Oleksa, A., Ulrich, W., Gawroński, R. 2007. Host tree preferences of hermit beetles (Osmoderma eremita, Coleoptera: Scarabaeidae) in a network of rural avenues in Poland. Polish J. Ecol. 55, 315–323.
  • Oleksa, A., Wilde, J., Tofilski, A., Chybicki, I.J., 2013c. Partial reproductive isolation between European subspecies of honey bees. Apidologie 44, 611–619.
  • Svensson, G.P., Oleksa, A., Gawroński, R., Lassance, J.-M., Larsson, M.C., 2009. Enantiomeric conservation of the male-produced sex pheromone facilitates monitoring of threatened European hermit beetles (Osmoderma). Entomol. Exp. Appl. 133, 276–282.

 

Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Katedra Genetyki,

ul. Aleja Powstańców Wielkopolskich 10, 85-090 Bydgoszcz, tel. (52) 376 79 21