manejo genético de espécies manejo na natureza ameaçadas...
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16/12/2013
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Manejo genético de espécies ameaçadas no ambiente
natural e em cativeiro
Professores Fabrício R Santos e Gisele P.M. Dantas [email protected]
Departamento de Biologia Geral, UFMG 2013
7 8
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
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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
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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 Ne e m são pequenos, diferenciação é grande.
• “Se há > 1 migrante por geração, populações não divergem muito.”
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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
Depressão exogâmica
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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
FST é uma medida padronizada da variância genética entre populações
FST= Var(p)/p(1-p)
• onde Var(p) é a variância entre populações na frequência alélica p de um alelo.
• O FST clássico é uma medida da divergência genética entre populações.
Aumento da divergência interpopulacional com o tempo desde a fragmentação
FST 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 Ne e m são pequenos, FST é grande.
• Se Nem < 1 então
• FST > 0.2
• “Se há > 1 migrante por geração, populações não divergem muito.”
FST 1
1 4Nem
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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 FST 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).
• IM (isolamento com fluxo gênico) etc
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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.
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Genética forense e estudo da biologia das espécies
Professores Fabrício R Santos e Gisele P.M. Dantas [email protected]
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.
Taxonomia clássica – morfologia é o único critério?
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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= 1012 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
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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
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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
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Um guia de campo no século XXI?
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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 (%)
Min
imu
m in
ters
pecific
div
erg
en
ce (
%)
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 (%)
Min
imu
m in
ters
pecific
div
erg
en
ce (
%)
Thamnophilus caerulescens Thamnophi lus ambiguus Thamnophilus pelzelni Thamnophilus doliatus Herpsilochmus atricapillus Sakesphorus cristatus Dsythamnus_mentalis Dsythamnus plumbeus Drymophila ochropyga Drymophila ferruginea Drymophila squamata Myrmeciza loricata Rhopornis ardesiaca 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
B1150
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
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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
Camptostoma obsoletum
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
Balaenoptera acutorostrata
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Amazona aestiva
ANÁLISE GENÉTICA EM PSITACÍDEOS DE CATIVEIRO
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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
Assunção F., Miyaki C.Y., Santos F.R. (em publicação)