Manejo genético de espécies ameaçadas no ambiente natural e em cativeiro

Manejo genético de espécies

ameaçadas no ambiente

natural e em cativeiro

Professores Fabrício R Santos e Gisele P.M. Dantas fsantos@icb.ufmg.br Departamento de Biologia Geral, UFMG

2013

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Manejo na Natureza

• Resolvendo incertezas taxonômicas • Delineando unidades de manejo • Detectando o declínio da diversidade • Estimando o nível de

endogamia/depressão endogâmica, • Predizendo mudanças futuras na

diversidade genética

• Mantendo a dinâmica populacional • Diagnosticando a hibridização • Diagnosticando e controlando espécies

invasoras

Fragmentação e estruturação populacional

_{Fragmentação de ecossistemas}

Fragmentação de ecossistemas

Extinção local Gargalos populacionais e efeito fundador

Fragmentação de ecossistemas

Fragmentação populacional

Inclui 2 processos:

Redução na área total => desmatamento, drenagem de um lago, brejo etc.

Separação de áreas (subpopulações) => represamento de rios, desmatamento, construção de estradas, cidades, áreas de cultivo...

Floresta Atlântica em São Paulo Antropogênica

0

Leontopithecus rosalia - Mico-leão-dourado

Restrito ao Sul do Rio de Janeiro, matas de Silva Jardim e Casimiro de Abreu, Reserva Biológica de Poço-das-Antas e montanhas de Cácia do Rio São João.

Leontopithecus chrysomelas - Mico-leão-de-cara-dourada

Distribuído do sul da Bahia, entre Rios Belmonte e Pardo no sul, e Rio Contas no norte.

Leontopithecus chrysopygus - Mico-leão-preto Era encontrado ao norte do Rio Paranapanema, leste do Rio Paraná, Sul do Rio Tietê e Serra de Paranapiacaba. Hoje está restrito à Reserva Estadual de Morro Grande em Teodoro Sampaio, Reserva Biológica de Caeteteus em Galiato, estado de São Paulo..

Leontopithecus caissara - Mico-leão-de-cara-preta

Existe apenas na Ilha de Superagui, costa norte do Paraná.

Estes três táxons são classificados ambiguamente como espécies diferentes, mas funcionam muito bem como três E.S.U.s , isoladas umas das outras e com independência evolutiva - medida importante para a sua conservação.

Fragmentação populacional

Inclui processos relacionados a movimentos tectônicos, orogenéticos, oscilações climáticas, retração e expansão de biomas, florestas, mudança de correntes marinhas, etc, que modulam a distribuição de diferentes táxons.

Tradicionalmente, a biogeografia histórica tenta correlacionar padrões de descontinuidade na distribuição de espécies e subespécies baseada nestes padrões vicariantes do passado. Vicariância histórica

Refúgios Pleistocênicos

Fragmentos populacionais isolados (Ilhas)

Cangurus de patas pretas do leste da Austrália

Gargalo, efeito fundador e aumento da divergência entre populações

Distribuições históricas e atuais

Distribuição histórica

Distribuição atual

Hipótese de fragmentação atual

Distribuição histórica

Distribuição recente

Hipótese de fragmentação histórica

Distribuição histórica antiga

Distribuição histórica recente

Hipótese de fragmentação histórica e atual

Distribuição atual

Distribuições históricas e atuais

Impacto da fragmentação e divergência entre os fragmentos depende:

Tamanho dos fragmentos Tempo desde a fragmentação Distância entre os fragmentos Habilidade de dispersão das espécies Taxas de migração (m) entre os fragmentos

Tempo que os fragmentos se mantiveram isolados no passado Número de ciclos de retração e expansão de floresta/ambiente

O padrão de descontinuidade ou diminuição de diversidade pode ser explicado melhor por processos atuais (antropogênicos) ou vicariantes (históricos)?

Fragmentação populacional

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.

Estrutura em metapopulações: deriva dentro de

populações, fluxo gênico (m) entre elas

p=0,4 N=70 p=0,7 N=15 p=1,0 N=20 p=0,5 N=150 p=0,3 N=10 p=0,6 N=50 m=0,01 m=0,07 m=0,02

Deriva e migração (fluxo gênico) têm

efeitos opostos

• Deriva torna populações diferentes

• Fluxo gênico (migração) tornam homogêneas as

populações

m m

Diferenciação populacional sob deriva e fluxo

gênico (migração: m)

• Se N

e

e m são pequenos,

diferenciação é grande.

• “Se há > 1 migrante por

geração, populações não

divergem muito.”

Populações isoladas X conectadas

Por que saber os limites entre populações importa para conservação?

A baixa conectividade entre populações ameaçadas aumenta: o endocruzamento (endogamia intrapopulacional), a possibilidade de adaptação local,

a diferenciação entre as populações, possibilidade de ocorrer Depressão Exogâmica.

O nível de diferenciação genética gera dados suficientes para estimar o grau de conexão (fluxo gênico).

Translocação

As várias tentativas de translocações mal planejadas de coalas na Austrália resultaram em consequências adversas. Indivíduos foram reintroduzidos em uma série de gargalos (bottleneck) gerando populações com baixos níveis de diversidade e depressão endogâmica (anomalias recessivas como aplasia testicular etc)

Corredores artificiais

Como fazer translocações ou

promover o fluxo gênico?

Redução no sucesso reprodutivo ou viabilidade dos indivíduos observados na prole da F1 ou gerações subsequentes, entre indivíduos da mesma espécie, de distintas populações.

Depressão exogâmica

Ex: Reintrodução do Íbex nas montanhas Tatra (Rep. Tcheca)

Após extinção local, indivíduos da mesma subespécie vindos dos Alpes austríacos foram translocados. Posteriormente, foram adicionados

animais da Turquia e do Sinai, adaptados ao deserto, o que levou esta população à extinção.

Causa: depressão exogâmica por rompimento do ciclo reprodutivo, já que os híbridos mal adaptados tinham filhotes em fevereiro, o mês mais frio, o que aumentou muito a mortalidade.

Causas da depressão exogâmica

1 Adaptação local - interação genótipo x

ambiente:

conjunto de adaptações restritas de determinadas populações em seus ambientes.

Híbridos podem ter combinações alélicas que não sejam adaptadas ao ambiente onde estes se encontram. Ex: Ibex da Rep. Tcheca

2 Coadaptação gênica- interações epistáticas:

combinações gênicas (alelos de vários genes que interagem) e de estruturas cromossômicas em uma população que produzem efeitos favoráveis (coadaptados).

Híbridos podem ter combinações cromossômicas e alélicas deletérias. Ex: Peromyscus polionotes (roedor dos E.U.A.)

A B A B a b a b Localidade 1 Localidade 2 F1 A B a b A B a b Hibridização a B A b 2. Perda de complexos gênicos coadaptados

Loci com combinações alélicas de diferentes populações resultam em menor valor adaptativo populacional.

1. Perda de adaptação local

Híbridos expressam fenótipos não adaptados aos ambientes das populações parentais.

F2

0 10 20 50

t (gerações)

p(A)

m = 0,10 (10% dos indivíduos a cada geração são migrantes)

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Papel do fluxo gênico (migrações, conectividade)

Estrutura em metapopulações: deriva dentro de

populações, fluxo gênico (m) entre elas

p=0,4 N=70 p=0,7 N=15 p=1,0 N=20 p=0,5 N=150 p=0,3 N=10 p=0,6 N=50 m=0,01 m=0,07 m=0,02

Estatística F

F

ST

é uma medida padronizada da variância genética

entre populações

F

ST

= Var(p)/p(1-p)

• onde Var(p) é a variância entre populações na

frequência alélica p de um alelo.

• O F

ST

clássico é uma medida da divergência genética

entre populações.

Aumento da divergência interpopulacional com o

tempo desde a fragmentação

F

_ST

e fluxo gênico

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Índice de Fixação FST # migrantes/geração Nm 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1

Diferenciação populacional sob deriva e

fluxo gênico

• Se N

e

e m são pequenos,

F

ST

é grande.

• Se N

e

m < 1 então

•

F

ST

> 0.2

• “Se há > 1 migrante por

geração, populações não

divergem muito.”



F

_ST



1

Modelo Stepping Stones

Modelos de Migração

• Ilha

– Número infinito de subpopulações

– Migração é igualmente provável entre subpopulações • Stepping stones

– Migração apenas entre subpopulações adjacentes – Mais realístico

• Metapopulação

– Subpopulações com extinção e recolonização – Modificações – Modelo Continente-Ilha

Modelo de Ilha

Modelo Metapopulações Modelo Continente–Ilha

Dispersão e fluxo gênico

O fluxo gênico entre as populações fragmentadas está relacionado com a habilidade de dispersão

FST maior em:

Espécies com baixas taxas de dispersão Hábitats subdivididos

Populações em fragmentos distantes Populações pequenas

Espécies com diferenças adaptativas

Dispersão e fluxo gênico

Correlação negativa => FST x capacidade de dispersão

Fluxo gênico e distância entre fragmentos

Taxas de dispersão reduzidas com a distância

Dispersão em pica-pau

Distância geográfica, fluxo gênico e F

ST

Testando correlações geográficas

• Software IBD (isolamento por distância);

• AIDA (autocorrelação espacial, teste com classes

de distâncias geográficas);

• Mantel (correlação direta entre distâncias

genéticas e geográficas).

Manejo de espécies

invasoras

O caso do sapo cururu na Austrália

A Genética pode ser utilizada para:

1. identificar a origem do organismo invasor 2. caracterizar possível hibridização/introgressão entre

invasores e nativos

3. identificar câmbios evolutivos nas invasoras e nas populações de espécies nativas devida à invasão

4. caracterizar possíveis susceptibilidades das espécies invasores ao controle biológico e avaliar os riscos deste controle.

Manejo no Cativeiro

Estágios no cativeiro e reintrodução

1. Detecção do declínio das populações naturais e de suas consequências genéticas 2. Fundação de uma ou mais populações cativas

3. Expansão das populações cativas até um tamanho seguro 4. Manejo das populações cativas ao longo das gerações 5. Escolha de indivíduos para reintrodução 6. Manejo da população reintroduzida

Condrodistrofia : frequência do alelo recessivo q= 0,17

Indivíduos que nascem com a doença (letal), considerando cruzamentos ao acaso é igual a 2,2% A remoção de 77 (gráfico abaixo) dos 146 condores da população poderia eliminar o alelo da condrodistrofia da espécie, mas isto foi descartado devido aos impactos na diversidade que já está comprometida.

Genética forense e estudo da

biologia das espécies

Professores Fabrício R Santos e Gisele P.M. Dantas fsantos@icb.ufmg.br Departamento de Biologia Geral, UFMG

2013

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Códigos de Barra de DNA

Uso do DNA em taxonomia e identificação biológica

Metodologia molecular

• O uso de DNA em taxonomia é uma metodologia proposta e utilizada há mais de duas décadas.

• É aplicado rotineiramente na identificação taxonômica de microrganismos, principalmente procariotos (RNA16S).

• Em 2003 DNA barcodes foram apresentados como uma generalização da taxonomia molecular para “todos” organismos.

• Em 2004 foi lançado o Consórcio Internacional de Barcodes – sediado no Smithsonian.

• Em fevereiro de 2005 aconteceu o primeiro congresso internacional no MHN em Londres.

• Em março de 2007 aconteceu o 1º workshop sul-americano.

• Desde 1993, 80 artigos citaram o termo DNA barcodes, em 2003 foi utilizado a primeira vez em Metazoários.

Código de barra de DNA:

Sequência curta de DNA que possibilita a

discriminação de várias espécies

Uma única seqüência de DNA é

capaz de identificar todas as espécies?

Uma seqüência de 20 nucleotídeos seria teoricamente capaz de discriminar 420_{= 10}12 _espécies. Mas existe a Evolução Biológica...

O Genoma Mitocondrial

D-Loop ND5 H-strand ND4 ND4L ND3 COIII L-strand ND6 ND2 ND1 COII Small ribosomal RNA

Large ribosomal RNA

ATPase subunit 8 ATPase subunit 6 Citocromo b

COI

COI

Citocromo Oxidase Sub. I

CytB

Aplicações Potenciais

1) Facilitar a identificação e reconhecimento de espécies (ou outra unidade tax.) descritas:

– identificar estágios de vida distintos (ovos, larvas, castas), gêneros;

– diferenciar espécies crípticas;

– identificar conteúdo estomacal e intestinal; – vetores de doenças humanas;

– pestes da agricultura;

– biossegurança alimentar, animal, etc.

2) Auxiliar no inventariamento da biodiversidade; incluindo a identificação de espécies novas.

New Scientist

26/06/2004

Favor

Contra

ID para todas spp. Acelera o descobrimento de novas spp. Acelera a identificação taxonômica

Revitaliza as coleções biológicas

Não funcionará Destruirá a sistemática tradicional Serviço industrial Pseudo-taxonomia

Ambiente científico de 2004 a 2006

Vantagens 1

• Oferece uma identificação taxonômica alternativa em situações nas quais a morfologia é inconclusiva. • Foco em um ou pequeno número de genes: proporcionará

uma maior eficiência.

• Custo do sequenciamento de DNA está caindo devido aos avanços tecnológicos, e já é possível gerar dados em larga escala.

• Uma vez que os bancos de dados e as ferramentas são estabelecidas, a análise pode ser feita por não-especialistas. • Pode ser igualmente utilizado para identificar indíviduos de

espécies partenogenéticas, com grande dimorfismo sexual, em qualquer fase do desenvolvimento etc.

Vantagens 2

• Evita o sacrifício de indivíduos e a análise pode ser feita a partir de qualquer tecido que contenha DNA. • Permite a análise a partir de amostras ambientais: terra

(nematódeos, tardígrados, etc), água (doce, salgada, subterrânea, etc), conteúdos alimentares, etc… [Metagenômica]

• É menos subjetivo: no nível molecular, o DNA só varia em 4 nucleotídios por posição/caráter.

• É um processo automatizável e mais caracteres (regiões genômicas) podem ser futuramente adicionados ao processo de identificação taxonômica.

Desvantagens

• As metodologias atuais se baseiam em apenas um locus; • São muito sensíveis a fenômenos de hibridização; • Podem não apresentar caracteres discriminantes entre vários

pares de espécies e em alguns casos para grupos inteiros; • DNA mitocondrial é um loco virtualmente neutro, portanto

geralmente não diz nada sobre aspectos adaptativos; • Grupos com especiação rápida (ciclídeos etc) podem não

acumular variações no DNA entre espécies.

• Discriminação é difícil em espécies originadas recentemente por especiação peripátrica por formar agrupamentos parafiléticos.

• Projetos piloto têm utilizado espécimes de museu.

• Os resultados desta metodologia devem ser validados perante a taxonomia existente antes que possa ser oferecido como ferramenta de identificação, e especialmente se for utilizado para descoberta de novas espécies.

• Resultados indicarão possíveis espécies novas, requisitando descrição formal (clássica).

• Novos inventários biológicos geram grandes números de testemunhos, os quais devem ser apropriadamente acessados, incluídos no banco de dados e armazenados.

• Está causando uma nova superlotação de amostras nos museus e coleções, mas também trará alternativas.

Papel de museus e coleções

Metazoários

1

(?)

Fungos

1?

Protistas

1?

DNA no inventariamento da

Biodiversidade

Archaea > 1

Bactéria > 1

Plantas > 1

Para uma padronização do processo de identificação

taxonômica molecular, um número mínimo de locos

deve ser utilizado.

Este marcador deve ser capaz de discriminar as espécies identificadas, apresentando uma alta diversidade interespecífica em comparação à intraespecífica.

O Genoma Mitocondrial

D-Loop ND5 H-strand ND4 ND4L ND3 COIII L-strand ND6 ND2 ND1 COII Small ribosomal RNA

Large ribosomal RNA

ATPase subunit 8 ATPase subunit 6 Citocromo b

COI

COI

A Citocromo C Oxidase Subunidade I é a região mais utilizada na identificação interespecífica em Metazoários

COI e os Metazoários

• Astraptes fulgerator

• No nordeste da Costa Rica

compreende um complexo of

10 espécies simpátricas que

são distintas na sequência do

gene COI, coloração das larvas,

plantas usadas como alimento

e traços morfológicos sutis.

D. Janzen, et al. 2005

Diferenciando espécies crípticas

Machos e fêmeas da

mesma espécie

macho C. fenyesi (parasita em formiga) fêmea C. fenyesi (parasita em grilo)

http://www.boldsystems.org

260 espécies de aves da América do Norte

Diversidade

em Passeriformes

988 espécies no Brasil (CBRO)

Metodologia Molecular

Extração DNA, armazenamento, catalogação Coleção de tecido/espécime PCR Dados de sequenciamento/genotipagem Análise de dados

Diversidade inter x intra-específica de sequências COI em Thamnophilidae

II III IV I T. caerulescens T. ambiguus / T. pelzelni 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Maximum intraspecific divergence (%)

M ini m um int e rsp e ci fi c d ive rg e nc e (% ) II III IV I 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Maximum intraspecific divergence (%)

M ini m um int e rsp e ci fi c d ive rg e nc e (% ) Thamnophilus caerulescens

Thamnophilusambiguus

Thamnophilus pelzelni Thamnophilusdoliatus Herpsilochmus atricapillus Sakesphorus cristatus Dsythamnus_mentalis Dsythamnus plumbeus Drymophila ochropyga Drymophilaferruginea Drymophila squamata Myrmeciza loricata Rhopornisardesiaca Pyriglena leucoptera Formicivora serrana Taraba major 1111112 2 222222222333333444 00 112350034480 1 345566779001569011 2 451769253681 928436 CACAAAACAACAAA C CCAACAAA G CCCATAAAA ... . .. G .T...A... .... G ... . ....T...A.... C .... ... G . . ... G T...A. T . C ... . TT ... . . T ..A. C .A.A... C ... T ... . ....A G ..A T A... ... G G ... . ....A...A.A... G . G ... G .. T ....A.. G A.A... ... A ....A...A.A... ... ... T .. C .A...A.A A ... ... G ... . .... G ...A.AT... ... C . . ....A...A.A... ... T ....A...T.AT... T .. ... G .... . . . ..A...T.A... G . ... T ... G T ....A...A.AT... ... G ... T ... . T ...A...A.A...

Sítios autapomórficos

Barcodes baseados em caráter 16 spp

Posições discriminantes no COI 0000000 58149564710650 B0665 B0663 B0655 B0653 B0654 B0656 B0369 B0367 B0368 B0609 B0647 B0317 B0329 B0326 B0658 B0644 B0657 B0677 B0678 B0646 B0291 B0292 B0290 B0680 B0643 B0660 B0281 B0285 B1189 B1301 B1188 B1296 B1186 B1303 B0525 B0524 B0515 B0511 B0513 B0528 B0535 B0562 B1148 B1147 99 99 99 99 90 99 99 99 99 99 99 99 99 99 99 91 99 99 99 82 90 D. ochropyga D. ferruginea R. ardesiaca D. squamata B0335 P. leucoptera M. loricata T. major D. plumbeus F. serrana D. mentalis H. atricapillus S. cristatus T. doliatus T. caerulescens T. ambiguus T. pelzelni NJ COI em Thamnophilidae

Tyrannidae

• Passeriformes; Suboscines;

• Maior família de pássaros do hemisfério ocidental; • Adaptados a vários nichos;

• 429 espécies em 104 gêneros;

• Identificação difícil devido a similaridades morfológicas; • Relações filogenéticas são complicadas e controversas.

TYRANNIDAE _ Vigors, 1825

PIPROMORPHINAE _ Bonaparte, 1853

ELAENIINAE _ Cabanis & Heine, 1856 FLUVICOLINAE _ Swainson, 1832 TYRANNINAE _ Vigors, 1825

Subfamílias no Brasil

Comitê Brasileiro de Registros Ornitológicos (CBRO):

CBRO, 2006 208 espécies em 78 gêneros, agrupados em 4 subfamílias

Elaeniinae

Phaeomyias murina Platyrhincus mystaceus Suiriri suiriri Elaenia cristata

Euscarthmus meloryphus Myiopagis viridicata Tolmomyias sulphurescens

Camptostomaobsoletum

Sítios de amostragem de Tyrannidae 71 espécies, 48 gêneros – 266 indivíduos

Verde : Elaeniinae Azul: Tyranninae Vermelho : Fluvicolinae

Rosa : Pipromorphinae

Tyrannidae

A maioria das espécies representam clados monofiléticos com >99% de suporte bootstrap na árvore NJ.

Myiarchus ferox Myiarchus swainsoni Myiarchus tyrannulus Sirystes sibilator Casiornis Myiodynastes maculatus Megarynchus pitangua Myiozetetes similis Philohydor lictor Tyrannus melancholicus Pitangus sulphuratus Cnemotriccus fuscatus Contopus cinereus Knipolegus cyanirostris Knipolegus franciscanus Knipolegus lophotes Lathrotriccus euleri Sublegatus modestus Attila rufus Elaenia obscura Elaenia chiriquensis Elaenia mesoleuca Elaenia albiceps Elaenia flavogaster Myiopagis caniceps Myiopagis gaimardii Myiopagis viridicata Elaenia cristata Camptostoma obsoletum Polystictus superciliares Suiriri suiriri Phyllomyias fasciatus Capsiempis flaveola Phaeomyias murina Pachyramphus polychopterus Platyrinchus mystaceus Euscarthmus meloryphus Myiobius atricaudus Myiobius barbatus Tolmomyias flaviventris Tolmomyias sulphurescens Corythopis delalandi Hemitriccus margaritaceiventer Hemitriccus striaticollis Hemitriccus diops Todirostrum cinereum Mionectes rufiventris Leptopogon amaurocephalus Conopophaga lineata Synallaxis frontalis 100 100 100 100 100 98 70 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 99 51 100 100 100 100 100 98 100 100 100 100 99 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 100 86 80 68 71 69 68 62 54 49 54 0.02

Chaves et al. Mol.Ecol.Res. in press 2008

Estudos forenses

Consumo de carne de espécies de baleias ameaçadas no Japão e Coréia do Sul

9% eram de baleias protegidas por lei (Baker & Palumbi) que puderam ser identificadas taxonomicamente por análises moleculares

Amazona aestiva

ANÁLISE GENÉTICA EM PSITACÍDEOS

DE CATIVEIRO

88 A. aestiva

da Am. do Sul (Brasil) não observado previamente

A. aestiva/ochrocephala da Am. do Sul = clado 1 de Ribas et al. 2007

A. aestiva/ochrocephala da Am. do Sul

= clado 2 de Ribas et al. 2007

Ferramenta de identificação de

Psitacídeos brasileiros