Introdução Genética da Conservação: Diversidade Genética e Evolução das Populações Naturais

Curso de Genética da Conservação Professores: Fabrício R. Santos, Gisele P.M. Dantas, UFMG Bibliografia: Fundamentos de Genética da Conservação [Frankham et al. 2008] e artigos científicos http://www.icb.ufmg.br/labs/lbem/aulas/genconsufpb.html Introdução Genética da Conservação: Diversidade Genética e Evolução das Populações Naturais www.sbg.org.br Professores Fabrício R Santos e Gisele P.M. Dantas fsantos@icb.ufmg.br Departamento de Biologia Geral, UFMG 2013 1 2 3 O Valor da Biodiversidade Biológico Valor intrínseco que é dado aos organismos vivos, espécies e comunidades bióticas, separado dos interesses humanos. Não é mutuamente exclusivo em relação ao valor antropocêntrico. Antropocêntrico Valor para a espécie humana baseada na sua provisão de bens (alimentos, O 2, fármacos etc), serviços ao ecossistema (redução do CO 2, balanço climático, pluvial e fluvial) e informação (científica, cultural). Unidades da Biodiversidade Ecossistemas (funcional e ecológica) Espécies Variabilidade genética Milhões de espécies conectadas historicamente e ecologicamente 1

Quantas espécies existem na Terra? It is a remarkable testament to humanity's narcissism that we know the number of books in the US Library of Congress on 1 February 2011 was 22,194,656, but cannot tell you to within an order-of-magnitude how many distinct species of plants and animals we share our world with. Robert May Why Worry about How Many Species and Their Loss? Plos Biol. 2011 Em 2010, no relatório Amazônia Viva da WWF foi divulgado que durante a década de 1999-2009 foram descritas cientificamente mais de 1200 espécies, uma a cada três dias (sem mencionar os invertebrados!) 637 espécies de plantas, 257 peixes, 216 anfíbios, 55 répteis, 16 pássaros e 39 mamíferos I. 15.000 espécies novas são descritas a cada ano, atualmente apenas 1,7 milhão destas estão cientificamente identificadas; II. A melhor estimativa do número de espécies (apenas eucariotos) é de 8,7 milhões (Mora et al. Plos Biol 2011) e calcula-se que levariam mais 500 anos para descrevê-las no ritmo atual; III. A maior parte das espécies de eucariotos a serem descritas estão se extinguindo antes que possamos estudá-las! Evolução e conservação da biodiversidade Não há como pensar em conhecer, conservar, manejar e fazer o uso sustentável da biodiversidade sem a Biologia Evolutiva Unidades da Biodiversidade Ecossistemas (funcional e ecológica) Espécies Variabilidade genética Variabilidade genética Conceitos importantes Variação genética: variantes alélicos originados por mutação e/ou recombinação Diversidade ou variabilidade genética: medida da variabilidade existente dentro ou entre populações e/ou espécies. 2

Variabilidade Genética Fundamento de toda Biodiversidade; Necessária para a continuidade evolutiva; A variação genética é originada por mutação e intensificada por mecanismos recombinatórios e sexuais; Manifestada no nível genotípico e fenotípico (minoria); Pode ser neutra (dinâmica influenciada apenas pela Deriva) ou adaptativa (dinâmica influenciada pela Deriva e Seleção Natural). Mutação e novos alelos A ocorrência de uma nova mutação em um locus em uma população finita é um evento raro (SNP ~10-8 /sítio/geração). Nas populações naturais, a grande maioria das mutações gera novos alelos que são perdidos por deriva genética, efeito mais acentuadas naquelas com N pequeno. Mutação é a única forma de uma população adquirir novos alelos, se não há outras populações para cederem migrantes. No entanto, é um processo muito lento e não é considerado para restauração da diversidade, principalmente em espécies de tempos de geração mais longo. Macromutação genômica Variação genética no DNA Poliploidização está envolvida na especiação instantânea Transições são mais comuns que transversões porque as enzimas de reparo do DNA podem reconhecer mais facilmente um erro de replicação devido a transversões. 3

Mutações de ponto em éxons Recombinação Genes Não Ligados Genes Ligados Segregação cromossômica Crossing-over Recombinação e rearranjos genômicos Marcadores moleculares Crossing-over desigual pode gerar segmentos duplicados redundantes (parálogos) que podem acumular mutações independentemente e resultar em genes com funções diferentes. Inversões Equilíbrio de Hardy-Weinberg (EHW) A dinâmica populacional da diversidade genética é afetada pelos processos evolutivos: - Deriva genética (depende do tamanho populacional) - Seleção natural (mais eficiente em populações maiores) - Taxa de mutação (significativa apenas para loci com altas taxas) - Endogamia (depende do tamanho populacional, parentesco) - Migração/fluxo gênico (ação local entre populações conectadas) Populações estão em EHW quando: tamanho populacional é infinito; acasalamento é totalmente ao acaso; não há fluxo gênico; não há novas mutações ocorrendo; não há seleção natural. (p + q) 2 = p 2 + 2pq + q 2 Populações evoluem (saem do EHW) quando há efeitos da: seleção natural, deriva, mutação, fluxo gênico, endogamia etc. A diversidade genética intrapopulacional depende principalmente do tamanho da população Espécies e populações com pequeno número de indivíduos, normalmente, apresentam baixa diversidade genética. Por isto estão mais sujeitas a fatores evolutivos como deriva genética e endogamia, e também têm um potencial adaptativo mais limitado. 4

Deriva Mutação mecanismo aleatório através do qual novos alelos surgem na população. Mutação Seleção Deriva Genética leva à perda ao acaso da diversidade intrapopulacional em populações limitadas e/ou aumento da divergência entre populações. Seleção Natural há uma diferença adaptativa entre fenótipos em determinado ambiente, o que leva a uma alteração determinística na frequência destes ao longo das gerações. Endogamia acasalamento entre parentes que leva ao aumento da homozigose (e diminuição da heterozigose). Migração Fluxo Gênico troca de alelos entre populações que geralmente aumenta a diversidade intrapopulacional e sempre diminui a divergência genética entre as populações que trocam migrantes. Deriva Genética Deriva Genética Um variante alélico raro (ex: recém-gerado por mutação) pode desaparecer pelo simples acaso Ex. população de 5000 indivíduos e o alelo está com a menor frequência possível: q=0,0001 (ou seja, apenas um heterozigoto) Se esse heterozigoto não deixar descendentes, este alelo desaparecerá (perda por deriva). A probabilidade de fixação de um alelo por deriva é igual à sua frequência inicial, portanto a maior parte dos alelos originados de novo por mutação, são eliminados por deriva, e uma pequena proporção pode chegar à sua fixação. Mutação x Deriva Deriva Genética Em populações pequenas, um alelo pode desaparecer ou ser fixado ao acaso, independentemente do fato de ser neutro, vantajoso ou desvantajoso. Como uma geração é sempre uma amostra da geração anterior, a variância é igual a pq/2n e Ou seja, quanto menor a população, maior é a variância das frequências alélicas entre gerações, portanto a probabilidade de eliminação ou fixação de um alelo é maior. 5

Deriva Genética 6 populações com loci bialélicos, N = 8 Deriva Genética 6 populações com loci bialélicos, N = Deriva Genética A perda de diversidade a cada geração por deriva é dependente do tamanho efetivo populacional (N e ) que é influenciado por diferentes aspectos demográficos e históricos. Uma população pode ser pequena: Em seu início efeito fundador Em um (ou mais que um) momento de sua história gargalos de garrafa (bottleneck) Em intervalos regulares flutuação demográfica Constantemente (ex: Cavia intermedia, uma espécie de preá da ilha Moleques do Sul em Santa Catarina com estimativa de Ne= 40- indivíduos durante os últimos 10 mil anos) Endogamia Cruzamento entre parentes, endocruzamento, consanguinidade. Extremo => Auto-fecundação (em várias espécies de plantas) Número de heterozigotos diminui e de homozigotos aumenta. Isto é observado por uma homozigose maior do que esperada de acordo com a EHW. De grande importância para a evolução das populações: pode levar à redução no sucesso reprodutivo e/ou sobrevivência da prole (Depressão endogâmica). A depressão endogâmica se dá pela expressão de alelos deletérios recessivos cujos fenótipos aparecem com a homozigose. Conseqüência deletéria da endogamia: Depressão endogâmica O aumento da homozigose e a exposição de alelos deletérios raros que pode levar à depressão endogâmica. População não endogâmica AABBCc AaBBCc AaBBCC Loci diferentes com alelos deletérios População endogâmica AaBbCc aabbcc AaBbCc Mesmos loci com alelos deletérios 6

A endogamia é inevitável em pequenas populações porque todos os indivíduos se tornam aparentados com o passar do tempo. Seleção Natural 1. Variação: membros da população apresentam diferenças individuais hereditárias A seleção natural não ocorre em uma população de clones! A população do cavalo selvagem da Mongólia (Equus przewalski) foi reconstituída a partir de 13 indivíduos de cativeiro, e apresentavam alto nível de endogamia (F). 2. Super-reprodução: populações naturais reproduzem geometricamente 140 120 Seleção Natural Seleção Natural 3. Competição: indivíduos competem pelos recursos limitados (alimentos, território ou fêmeas). Darwin chamou isto de luta pela existência 80 60 40 20 0 Seleção Natural 4. Sobrevivência para reprodução: aqueles indivíduos melhor adaptados ao ambiente sobrevivem e reproduzem mais, deixando maior descendência que os outros. Indivíduos mais aptos passam para sua prole as características vantajosas (seus genes). Seleção Natural Grandes populações têm maior capacidade de adaptação que populações pequenas e ameaçadas. Mesmo com efeito menor, as pequenas populações podem se extinguir por alterações do regime seletivo: introdução de competidores, predadores e doenças, mudanças climáticas, modificação do hábitat etc. A seleção natural é menos efetiva em pequenas populações. s = 0 (neutro) Alelos são efetivamente neutros em pequenas populações quando: s < 1 / 2N e 7

Deriva Genética e Seleção Natural: efeito do tamanho populacional S < 1 2N e Alelos efetivamente neutros Freq.A Freq.A Gerações 2 grupos - N = 10 - N = 12 réplicas cada Alelo A é vantajoso Fonte: Frankham et al. 2002. Introduction to Conservation Genetics. Seleção natural e conservação Importante aspecto a ser considerado no caso de depressão endogâmica (a respeito da carga genética) comum em populações pequenas, e adaptações locais (depressão exogâmica) nos eventos de translocações e/ou reintroduções. Também deve ser considerada na retenção do potencial evolutivo em resposta a mudanças climáticas, ou pressão de predação, parasitas etc por populações reduzidas. No manejo em cativeiro, a seleção artificial em cativeiro (~domesticação) é uma das maiores preocupações na conservação ex-situ (zoos, criatórios etc) Diferenciação entre populações Diferenciação de populações Medidas de diferenciação Padrões espaciais de estruturação Dinâmica do fluxo gênico tempo Diferenciação adaptativa Especiação Populações discretas Populações mal definidas Populações ~ uniformes Mutação Estrutura populacional: distribuição espacial não totalmente casual de alelos e genótipos Normalmente, as populações possuem um distribuição desigual e mal definida (acima), mas diferentes padrões são observados em cada espécie. A mutação, apesar de ser baixa por cada posição nucleotídica por geração (~10-8 ), pode levar à diferenciação interpopulacional em médio e longo prazos. Através de outros fatores como deriva genética e seleção, estes novos alelos podem alterar suas frequências nestas populações. 8

Deriva genética Fluxo gênico (migrações) A deriva genética na ausência de migrações tende a aumentar as diferenças entre as populações separadas (principalmente pequenas), diferenças que também aumentam pelo acúmulo de mutações (e seleção) acelerando o processo de diferenciação interpopulacional e especiação (Ex: especiação em ilhas). Apesar de aumentar a diferença entre as populações, a diversidade dentro de cada população é diminuída pelo efeito da deriva genética (a perda de diversidade por deriva é inevitável). O fluxo gênico tende a homogeneizar populações separadas que compartilharão mais variantes entre si, retardando o processo de diferenciação populacional e possível especiação. Seleção Natural A Seleção Natural na ausência de migrações tende a aumentar as diferenças entre as populações separadas que estejam em ambientes diferentes (adaptação local). Caso haja a mesma pressão seletiva devido a ambientes iguais em que estejam estas populações, a seleção não deve afetar a diferenciação interpopulacional, que poderá se diferenciar somente devido ao acaso (mutações, deriva etc). Evolução em pequenas populações e manutenção da diversidade genética: Tamanho efetivo, Endogamia, Depressão Endogâmica, Fragmentação populacional, Populações geneticamente viáveis e Extinção 4 Importância das pequenas populações para a Biologia da Conservação Indivíduos maduros sexualmente Criticamente ameaçada: N < 50 Ameaçada: N < 250 Vulnerável: N < 0 Tamanho populacional (N) é o mais importante critério para a listagem de espécies ameaçadas (IUCN) 5 9

O Vórtex de Extinção Uma população pequena está sujeita a diferentes fatores que levam a população em direção a um vórtex de extinção. Pequena população Endogamia Deriva genética Menor reprodução Redução no valor adaptativo individual e adaptabilidade populacional Maior mortalidade Perda de diversidade genética Diminuição populacional Tamanho populacional Relação entre o Censo (N) e tamanho efetivo (Ne) Medindo o tamanho populacional efetivo Além do tamanho populacional real (censo), o tamanho populacional efetivo (N e ), que é geralmente menor que o censo (N), é o mais importante parâmetro relacionado à continuidade evolutiva de uma população. O N e é o tamanho equivalente àquele de uma população idealizada (como numa equação de HW), com determinada capacidade de manutenção da diversidade genética. A estimativa do Ne é baseada em uma população idealizada: Características: - Não há sobreposição de gerações; - O número de indivíduos intercruzantes é o mesmo em todas as gerações; - Todos os indivíduos são potencialmente intercruzantes (hermafroditas); - A união dos gametas é aleatória; - Não há seleção, mutação ou migração; - A média de filhotes por cada adulto é 1. Tamanho populacional efetivo (N e ) O tamanho efetivo de uma população real é medido com relação à sua constituição genética (diversidade) quando comparada à de uma população idealizada. Exemplo: Se uma população real perde diversidade genética com mesma taxa de uma população idealizada de indivíduos, o N e da população real é igual a, mesmo se ela tiver um censo de 0 ou 10.000 indivíduos. 10

Tamanho populacional efetivo (Ne) O tamanho efetivo da população é, normalmente, menor do que o número de indivíduos adultos (geralmente Ne ~ N/10). As diferenças entre o N e o N e dependem de peculiaridades reprodutivas de cada espécie: - Espécies com razão sexual desigual (formação de haréns etc); - Com alta variação no tamanho de famílias (número de prole); - Com número variável de indivíduos entre diferentes gerações (demografia oscilante). - etc Tamanho populacional efetivo (Ne) Uma variedade de equações foram formuladas para estimativas de N e. Uma destas leva em consideração apenas a razão sexual entre adultos (maduros sexualmente): N e = 4(N M * N F ) N M + N F em que N M = número de machos N F = número de fêmeas Outras fórmulas podem ser calculadas a partir de diversos outros parâmetros, e, principalmente, a partir de diferentes estimativas da diversidade genética populacional (heterozigosidades, Fst, theta-q etc) Tamanho populacional efetivo (Ne) Qual é o N e de uma população com fêmeas e 10 machos? Equação: N e = 4(N M * N F ) N M + N F N e = 4( * 10) = 4000 = 36 + 10 110 Estimativas de N e com theta (q) θ = 4N e m θ: estimador não enviesado do Fst que corrige o erro associado com amostragem incompleta de populações (Weir e Cockerham 1984) θ = a a + b + c a = variância interpopulacional, b = variância entre indiv. dentro de populações, c = variância entre gametas dentro de indivíduos Perda de diversidade por Deriva A proporção de diversidade genética retida em uma população de tamanho constante após t gerações é aproximadamente: Proporção = (1-1/(2N)) t (H T /H 0 ) onde N = número de indivíduos (Ne) t = número de gerações H 0 = heterozigosidade inicial H T = heterozigosidade atual Deriva Genética Qual proporção da diversidade é retida por uma população de 10 indivíduos após 10 gerações? Proporção (H T /H 0 ) = (1-1/(2N)) t Ou seja: = (1-1/20) 10 = 0,95 10 = 0,5987 ou ~ 60% da H 0 permanece 40% da diversidade genética é teoricamente perdida por deriva após 10 gerações em populações com N=10. 11

Predição da perda de heterozigosidade em diferentes com diferentes tamanhos efetivos populacionais N e Outros eventos importantes na conservação de pequenas populações Gargalos de garrafa diminuição repentina do tamanho populacional efetivo, levando a uma perda drástica da diversidade genética, aumento do efeito da deriva e algumas vezes pode ser sucedida de uma expansão populacional. Depressão endogâmica resultado deletério da endogamia, quando há uma diminuição da viabilidade populacional (fitness) devido à expressão de fenótipos deletérios a partir de loci em homozigose. O impacto desta em uma população é dependente do nível de endogamia e da carga genética, isto é, quantos alelos deletérios recessivos ocorrem na população. Fluxo gênico através da migração de indivíduos (ou intercâmbio de gametas), permite a troca de alelos e genótipos entre populações. A principal consequência é a homogeneização da diversidade genética entre as populações conectadas por fluxo gênico. Gargalo de garrafa e efeito fundador população original Gargalo de garrafa + efeito fundador Exemplo: Elefante marinho do Norte Gargalo de garrafa população sobrevivente População reduzida => gargalo devido a caça com apenas 20-30 sobreviventes 1974: diversidade igual a zero para 20 loci de alozimas. Efeito fundador Depois de 25 anos de proteção =>.000 indivíduos Efeitos deletérios da endogamia: cruzamento entre pai e filha resultando em um tigre branco (alelo raro) Cavalo de Przewalski 12

Cavalo de Przewalski Coeficiente de endogamia (F) A deficiência de heterozigotos com relação ao esperado pelo EHW gera uma estimativa do F. A perda de diversidade genética com o passar do tempo também gera uma estimativa para o F. O coeficiente de endogamia efetivo F e (histórico) pode ser calculado da seguinte forma: F e = 1 - (H t / H 0 ) O F e é equivalente à perda histórica de diversidade Endogamia Parentesco dos pais F esperado da prole F AA Aa aa Acasalamento ao acaso 0 p 2 2pq q 2 Endogamia completa 1 p 0 q self; gêmeos idênticos 0,5 prole-genitor; irmãos completos 0,25 meio irmãos 0,125 Parcialmente endogâmico F p 2 (1 - F) + Fp p 2 + Fpq 2pq(1 F) + F 0 2pq(1 F) 2pq 2pqF q 2 (1 F) + Fq q 2 + Fpq primos de 1 o grau 0,0625 Acúmulo da endogamia Endogamia e viabilidade populacional F t = 1 [1 1/2N)] t (1 F 0 ) No qual t = # gerações e F 0 = endogamia inicial 13

Depressão endogâmica Quando a endogamia resulta no declínio do valor adaptativo de uma população. (características relacionadas ao sucesso reprodutivo ou sobrevivência) Diversidade genética e depressão endogâmica são proporcionais ao F Depressão endogâmica Análises indicaram que a endogamia no cavalo de Przewalski estava associada com a expressão de características deletérias (depressão endogâmica): menor número de filhotes por fêmea e menor longevidade. Em média: a progênie de cruzamentos entre irmãos resulta na redução de 33% na sobrevivência juvenil. Decréscimo no valo adaptativo devido a um aumento da homozigosidade ou decréscimo da heterozigosidade. Aumento na homozigosidade aumenta a expressão de características deletérias recessivas Decréscimo na heterozigosidade reduz valor adaptativo (correlação heterozigosidade-valor adaptativo) Depressão endogâmica na natureza Tamanho populacional, diversidade genética e endogamia Crnokrak e Roff (1999) analisaram 157 estudos sobre depressão endogâmica em populações naturais: 141 casos (90%) : indivíduos endogâmicos possuíam atributos piores que indivíduos não-endogâmicos 2 casos (1%): efeitos eram iguais 14 casos (9%): direção oposta 14

Depressão endogâmica em diferentes componentes do valor adaptativo (fitness) Depressão endogâmica Os efeitos da depressão endogâmica são substancialmente maiores, na média, em populações naturais que em populações em cativeiro. O impacto da depressão endogâmica em mamíferos na natureza é em média 6,9 vezes maior que em cativeiro (Crnokrak e Rof, 1999). Dependendo da carga genética (número e frequência de alelos deletérios) em cada população ou espécie, e seu nível de endogamia (F), será maior ou menor a depressão endogâmica. Condrodistrofia em condores da Califórnia (q = 0,17) Genótipos D/D D/d d/d Acasalamento ao acaso 0,6889 0,2822 0,0289 Aumento Endogâmico (F = 1) 0,83 0,0 0,17 5,9 x Expurgo genético (depuração) Quando alelos deletérios raros são expostos pela endogamia e, com as gerações, vão diminuindo de freqüência por seleção natural. Depende da magnitude dos efeitos deletérios do alelo. Quanto mais deletério mais efetivo o expurgo (a médio e longo prazos). Acredita-se que o Guepardo africano tenha sofrido expurgo genético devido a um passado de intensa endogamia. Parcialmente endog. (F = 0,25) 0,7242 0,2116 0,0642 2,2 x Expurgo genético AA AA Aa Aa aa aa AA AA Aa Aa fa=0,5 fa=0,5 fa=0,75 fa=0,25 Genética e Extinção AA AA aa AA fa=1 fa=0 O expurgo genético (seleção purificadora) elimina alelos letais (LEs) da população. 15

Extinção Antrópica Extinção: processo natural ou antrópico? Os sapos dourados de grandes altitudes da Costa Rica (Reserva de Monteverde) foram recentemente extintos. Causa primária: fungo e perda de umidade na floresta Bacalhau do Atlântico Populações geneticamente viáveis Como as opções para as espécies ameaçadas são poucas, é muito importante definir o tamanho mínimo necessário para uma espécie reter sua saúde genética e seu potencial evolutivo PVA ou Análise de Viabilidade Populacional. Populações naturais geneticamente viáveis de mico-leão-dourado Algumas simulações sugerem: Para evitar a depressão endogâmica e reter o sucesso reprodutivo a curto prazo N e >>50. Para espécies ameaçadas reterem, permanentemente, seu potencial evolutivo N e ~ 500-5000. Mas lembrem-se que, geralmente, N e é muito menor com o N (censo populacional real). Cálculo do N e necessário para retenção da diversidade genética H t /H 0 = (1 1/2N e ) t ~ e -t/2ne O tamanho efetivo requisitado para a população de micos-leões-dourados reterem um mínimo de 98% da diversidade genética em anos (t=16,7 gerações), é igual a 412, que seria equivalente a N~4000 indivíduos. Este seria o número mínimo viável para esta espécie de acordo com estes parâmetros. Fragmentação Populacional e Conservação Fluxo gênico entre fragmentos Migração reduz o impacto da fragmentação/subdivisão populacional Fluxo gênico restrito => pode aumentar o risco de extinção em espécies que normalmente tinham muitas conexões entre suas diferentes subpopulações. 16

Estrutura em metapopulações: deriva dentro de populações, fluxo gênico (m) entre elas Medindo fluxo gênico p=0,4 N=70 m=0,02 p=0,7 N=15 m=0,01 m=0,07 p=0,3 N=10 p=0,6 N=50 As taxas de migração são muito difíceis de serem calculadas (seguindo animais na natureza), por isto usamos a taxa de fluxo gênico baseada no F ST. Nm = [1/F ST 1] / 4 p=1,0 N=20 p=0,5 N=150 Exemplo: F ST = 0,078 Nm = [1/0,078 1] / 4 Nm = (12,82 1) / 4 Nm = 11,82 / 4 = 2,96 Esta estimativa é apenas válida em raras situações, geralmente não aplicável à maior parte das populações naturais Estatística F Quantificação da estruturação hierárquica da variação genética em populações (AMOVA é um teste análogo) Partição da variação em relação à População Total (T), Subpopulações (S) e Indivíduos (I) S T I I I Estatística F Wright 1943 1 FIT (1 FST)(1 FIS ) F ST : diferenciação genética entre subpopulações F IT : desvio do EHW na população total F IS : desvio do EHW dentro da subpopulação AMOVA (Análise de Variância Molecular) Método para estimativa da diferenciação e estruturação populacional a partir de dados moleculares. Os componentes da variância são usados para calcular a Estatística f, que é análoga à Estatística F de Seal Wright Φ ST = (σ 2 a + σ 2 b)/σ 2 T 17

Análise de estruturação populacional com AMOVA Permite detectar agrupamentos de populações conectadas (geografia, nicho, comportamento, etc). Permite quantificar o porcentual de variação genética hierarquicamente: que se distribui dentro e entre populações, e entre agrupamentos de populações. A Estatística F clássica mede os desvios da H e em diferentes níveis hierárquicos (Wright) F ST HT H H T S F IS H S H H S I F IT HT H H nas quais: H T é a H média esperada para a população total; H S é a H média esperada nas subpopulações e H I é a H observada dentro de uma subpopulação T I Duas populações Aumento da diferenciação com o tempo em diferentes Ne Subpop. A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 q 1 0,25 0,5 0,25 0,5 2 0,35 0,3 0,35 0,5 F IS =0,2 F IT =0,2 F ST =0,0 1 0,25 0,5 0,25 0,5 2 0,49 0,42 0,09 0,3 F IS =0,0 F IT =0,04 F ST =0,04 Em termos de diferenciação populacional (Fst), apenas a população 2 está estruturada Estrutura hierárquica da variação no homem Estrutura hierárquica da variação no chimpanzé Bradypus torquatus variação genética entre: Indivíduos Populações Raças ou Subespécies Em perigo de extinção IUCN Alta estruturação populacional entre remanescentes da Mata Atlântica na BA, ES e RJ 18

3 populações muito distintas: BA, ES e RJ Análises de Ne, endogamia, fluxo gênico e estruturação populacional AMOVA Fonte da variação % da variação total Entre estados 96,4 Entre populações do ES 0,16 Entre indivíduos dentro das 4 populações Ф ST = 0,966 3,44 Índice de diferenciação entre populações Arlequin GenePop SAMOVA AIS Structure BAPS TESS GeneLand etc Resolução de incertezas taxonômicas e definição de unidades de manejo Filogenia e sistemática Professores Fabrício R Santos e Gisele P.M. Dantas fsantos@icb.ufmg.br Departamento de Biologia Geral, UFMG 2013 6 Resolvendo incertezas taxonômicas O status taxonômico de muitos organismos ainda é desconhecido: Uma tartaruga rara era confundida com uma tartaruga comum Lepidochelys kempii Habita águas do Golfo do México Lepidochelys olivacea Habita vários oceanos no mundo todo 19

Conectando filogenia, taxonomia, sistemática e conservação Taxonomia Estudo dos relacionamentos entre grupos de organismos é um antigo ramo da biologia clássica. Estabelecida por Carolus Linnaeus (1707-1778). A sistemática conecta a biodiversidade à filogenia Filogenia = História evolutiva de uma espécie ou grupo de espécies relacionadas. Filogenia é geralmente representada como árvores filogenéticas que traçam relacionamentos evolutivos inferidos. Sistemática = O estudo da diversidade biológica em um contexto evolutivo. A diversidade biológica reflete episódios passados de especiação e macroevolução. Compreende a taxonomia na sua procura por relacionamentos evolutivos. Taxonomia = Identificação e classificação de espécies; é um componente da sistemática. Baseado nas similaridades e diferenças, os principais grupos de organismos podem ser colocados em um diagrama que ilustra seus relacionamentos evolutivos. Usando dados fósseis e moleculares, podemos estimar os pontos de divergência nas árvores filogenéticas. m 10-9 10-3 Representações filogenéticas filogenia filogeografia - genealogia Charles Darwin. Anotações 1836-1844 20

Filogenia Filogeografia Variações nas sequências de DNA Hap. M...AAGCGTTATAGCAGAGTTAT... Hap. N...AAGTGTTATAGCAGAGTTAT... Hap. O...AAGTGTTAGAGCAGAGTTAT... No estudo da biodiversidade, ambas as abordagens tentam reconstruir o passado evolutivo das espécies e de suas populações. Hap. P...AAGTGTTAGAGCAGAATTAT... Rastreando a genealogia das sequências M Hap. M...AAGCGTTATAGCAGAGTTAT... Rede filogeográfica Hap. N...AAGTGTTATAGCAGAGTTAT... Hap. O...AAGTGTTAGAGCAGAGTTAT... Hap. P...AAGTGTTAGAGCAGAATTAT... As sequências podem ser conectados em uma genealogia que conta a história de diversificação das linhagens e das populações que as continham em um contexto geográfico. N O P Q R Redes de haplótipos autossômicos para três espécies de elefante Elefantes Africanos (Loxodontha sp) 21

Elefante da Floresta Elefante da Savana M Árvore filogenética N Q As sequências podem ser conectadas em uma árvore genealógica que apresenta a história de ancestralidade comum das linhagens e o tempo de divergência destas. R O P Tuataras Únicos membros de Rhynchocephalia Sphenodon guentheri é muito similar morfologicamente à Tuatara comum S. punctatus, considerada anteriormente como uma subespécie. S. guentheri é única, mas não era protegida. S. punctatus S. Caballero, F. Trujillo, J.A. Vianna, H. Barrios, S. Beltrán, M.G. Montiel, F. R. Santos, M. Marmontel, M. C. de Oliveira -Santos, M. Rossi-Santos e C. S. Baker S. guentheri Previamente, era reconhecida apenas uma espécie (Sotalia fluviatilis) com dois ecótipos, um marinho e um fluvial 3000 Km 6000 Km mtdna Lac-1 GBA 193 GBA 800 UBEY Sotalia guianensis Sotalia fluviatilis 22

Sistemática em Quirópteros Família Phyllostomidae Ordem Chiroptera: ~1 espécies No Brasil: >160 espécies, 31% dos mamíferos continentais Gênero Artibeus Dados de 540 indivíduos sequenciados Cyt-b+COI Filogenia do gênero 93 80 77 99 98 89 A. planirostris A. amplus A. obscurus Filogenia do gênero 93 80 77 99 98 89 A. planirostris A. amplus A. obscurus Artibeus 83 A. lituratus Artibeus 83 A. lituratus Cyt-B + COI 77 55 97 95 A. jamaicensis sp2 99 A. obscurus sp2 A. jamaicensis Cyt-B + COI 77 55 97 95 A. jamaicensis sp2 99 A. obscurus sp2 A. jamaicensis 86 Enchisthenes hartii 0.05 95 73 93 88 85 98 99 68 67 99 A. fimbriatus A. inopinatus A. fraterculus A. hirsutus A. concolor 98 A. watsoni A. aztecus A. phaeotis A. toltecus A. phaeotis A. cinereus sp2 96 97 A. gnomus 99 A. glaucus A. anderseni A. cinereus 86 Enchisthenes hartii 0.05 95 73 93 88 85 98 99 68 67 99 A. fimbriatus A. inopinatus A. fraterculus A. hirsutus A. concolor 98 A. watsoni A. aztecus A. phaeotis A. toltecus A. phaeotis A. cinereus sp2 96 97 A. gnomus 99 A. glaucus A. anderseni A. cinereus 23

Artibeus obscurus Artibeus obscurus AMOVA Biomas: 54,9% da variação Divisão Amazônica: 63,68% Divergência entre os grupos 2%/milhão de anos 2,5% a 3,9% ----------> 1,5 a 1,9 m.a.a h = 0,978 = 0,0255 55 indivíduos 37 haplótipos 28 localidades Artibeus obscurus? 83, 98 68, 73 55, 71 43, 45 97, 99 94, 73 77, 86 85, 68 86, 99 96, 71 18, 52 **, 57 93, 99 73, 73 88, 99 64, 55 85, 99 60, 52 80, 97 77, 93 60, 86 54, 92 89, 99 71, 73 95, 99 96, 73, 81 86, 88 98, 99 98, 99 98, 73 92, 73 99, 99 99, 97, 99 68, 42, 46, 51 67, 99 54, 64 93, 97 99, 99 98, 99, 99 99, 99 95, 99, 99, 99 99, 99, 99, 99 96, 99 99, 99, 99, 99, 99 A. planirostris A. amplus A. obscurus A. lituratus divergência A. jamaicensis sp2 7,4% A. obscurus sp2 A. jamaicensis A. fimbriatus A. inopinatus A. fraterculus A. hirsutus A. concolor A. watsoni A. aztecus A. phaeotis AY157584 A. toltecus A. phaeotis APU66514 A. cinereus sp2 A. gnomus A. glaucus A. anderseni A. cinereus Enchisthenes hartii Cyt-b A. obscurus A. amplus A. planirostris A. lituratus A. jamaicensis sp2 A. obscurus sp2 A14163 A1422O A14203 A14204 A.jamaicensis Entre Brasil,Peru e Colômbia Artibeus fuliginosus Gray (1838)? Artibeus gnomus Artibeus gnomus Alta diversidade de haplótipos (h = 0,981) Alta diversidade nucleotídica ( = 0,046) AMOVA División de grupos Cerrado-Amazonia: 71% de la variación Redivisión de la Amazonia en 3 regiones, aumenta para 88% 24

Artibeus gnomus Definição de unidades de manejo Estrutura filogeográfica e ESUs Amazonia Cerrado Variação no DNAmt em Gorilla gorilla e unidades evolutivas independentes (ESUs) Nyrigongo ESUs na preguiça-de-coleira Bradypus torquatus ameaçada Lara-Ruiz et al. Biol. Cons. 2008 4 ESUs e possíveis espécies diferentes Bradypus torquatus Populações remanescentes de B. torquatus Em perigo de extinção IUCN mas faltam dados sobre esta espécie. Esquerda: Limites da distribuição da espécie (em cinza) e localidades de ocorrência (em vermelho). Direita: fragmentos remanescentes na região de ocorrência da espécie (Modificado de SOS Mata Atlântica & INPE, 1998). 25

3 ESUs distintas: BA + ES + RJ BAHIA AMOVA Tabuleiros Região serrana Fonte da variação % da variação total Entre estados 96,4 Entre populações do ES 0,16 ESPÍRITO SANTO RIO DE JANEIRO Entre indivíduos dentro das 4 populações 3,44 Altíssima estruturação populacional - fst = 0,987 Índice de diferenciação entre populações Ф ST = 0,966 Filogenias e Conservação A filogenética pode ser extremamente útil para estudos de biodiversidade (inventariamento e classificação) e estabelecimento de prioridades conservacionistas. Medidas de diversidade utilizando-se de sequências de DNA estão agora sendo usadas para implementar planos de conservação de recursos genéticos. Aplicações: junto com a filogeografia, ajuda determinar ESUs (unidades evolutivamente significantes), agrupamentos de espécies, espécies, subespécies, populações isoladas e diferenciadas, etc... Sistemática, diversidade filogenética e prioridades de conservação Vários métodos filogenéticos foram propostos como ferramentas de identificação de áreas prioritárias para conservação. Áreas com grande riqueza de grupos filogenéticos basais (Marsupiais, Xenarthra, Peripatus, Pteridófitas etc), poderiam ser priorizadas. Peripatus Diversidade filogenética Gambá Tatus Anta Faith (2006). b, f, h, j são linhagens que representam uma grande diversidade filogenética Exemplo: áreas com linhagens basais (Peripatus, tatu, anta e gambá) seriam mais ricas filogeneticamente do que áreas com espécies relacionadas (capivara, preá, paca, mocó e cutia) Análises filogenéticas e filogeográficas Mega MrBayes RAxML Beast Network TCS 26