marcadores molecular e biologia de conservaçãoos resultados de depressão por endogamia se você...
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Marcadores Molecular e
Biologia de Conservação
Nicholas Jacob Walker
BAN 704 – Sistemática Molecular
Terça-feira, 30 de Novembro 2010
Prof. Jorge A. Dergam
Introdução
Genética da conservação é uma disciplina
inserida dentro do amplo campo da
biologia de conservação (Meffe e Carroll,
1997).
A biodiversidade é a diversidade genética.
Introdução
O necessidade de conservação é de
grande importância para os humanos
devido à extinção em massa acelerada.
Os marcadores
moleculares podem
facilitar o processo de
conservação.
Introdução
Objetivos de biologia de conservação:
1. Salvar a maior parte da
árvore da vida possível.
2. Promover processos
ecológicos e evolutivos que
favoreçam a biodiversidade.
Avaliação dos caracteristicas:
• Estudos forenses da fauna
• Especiação
• Hibridização
• Introgressão
• Filogenética
•Variação genética
• Filiação biológica
• Parentesco
• Identificação do gênero
• Estrutura da população
• Filogeografia
Heterozigosidade da população
(biodiversidade)
Tentativa para preservar a biodiversidade
genética em populações cativas ou rara (ou
seja, preservar a heterozigosidade média).
Um maior valor de H = melhor
probabilidade de sobrevivência ao longo do
tempo (usando distância genética de Nei)*
Variabilidade Molecular em
espécies raras e ameaçadas
Por exemplo:
Elefantes marinhos
do norte
(Mirounga
angustirostris).
A população foi reduzida para menos de 30 indivíduos, mas
recuperou-se depois de esforços de conservação.
Resultado: as populações tiveram pouca diversidade
genética, em comparação com elefantes marinhos do sul
(Slade et al., 1998)
Heterozigosidade de População
As chitas (Acinonyx jubatus)
A população das chitas na Africa
do sul tem muita pouca
diversidade.
Empobrecidas geneticamente ao
extremo -- espécies de felinos
apresentam de normal a alta
heterozigosidade.
Provavelmente causada por dois
efeitos de gargalo de garrafa, o
primeiro ocorreu 10.000 anos
atrás e o segundo no século
passado devido à caça.
Efeito de gargalo de garrafa
Normalmente, o efeito de
gargalo de garrafa causa
menor diversidade na
população.
Se o efeito de gargalo de garrafa é de
curta duração e a população aumenta
rapidamente, a variação genética pode ser
normal.
No entanto, este não
é o caso de todas as
espécies em ameaça
de extinção.
Heterozigosidade de População
Em 1962, apenas 80 indivíduos permaneceram, mas a
população continha altos níveis de diversidade genética.
Isto pode ter resultado da concentração de várias
populações discretas em uma única área.
Além disso, os marcadores selecionados para análise
podem afetar o valor da diversidade observada. (Por
exemplo, STR se recupera rapidamente, entretanto,
locos isoenzimáticos precisa de um tempo maior).
Ex: Rinoceronte com um chifre
(Rhinoceros unicornis)
Então , uma classe de marcadores é insuficiente para medir a
diversidade. (Similar ao nível da biodiversidade da comunidade
em que um modelo é insuficiente).
É importante a variabilidade
molecular reduzida?
A falta de variabilidade não leva necessariamente a
menores taxas de sobrevivência. Por quê?
1. Reduções na variabilidade são geralmente o
resultado (e não a causa) dos efeitos da
gargalo de garrafa.
2. Algumas espécies têm normalmente baixos
valores de H.
3. Isto depende do material que for perdido,
pois alguns traços são mais valiosos.
Depressão por endogamia
Redução da sobrevivência é seguida pelo acasalamento
entre parentes. A probabilidade de um individuo I é o
coeffiente de endogamia, e para pedigrees conhecidos a
equação é:
F I = Somatório de todos os caminhos possíveis
I = Número de indivíduos em cada caminho
A = Um ancestral comum em cada caminho
F I = ∑ (1/2) i (1 + F A )
Depressão por endogamia
Existem duas hipóteses que explicam a razão pelas quais a depressão por
endogamia pode ocorrer
1. “Hipótese da dominância”:
geralmente genes raros ou recessivos
tornam-se dominantes.
Normalmente, se um alelo recessivo
é ruim, a população irá removê-lo.
2. “Hipótese de sobredominância”:
nível de H é igual ao nível de aptidão.
Depressão por endogamia
Se a hipótese 1 for verdade, a falta de
diversidade está OK, pois a maioria dos
defeitos já estão removidos.
Mas, se a hipótese 2 for verdade, as
populações homozigotas devem mostrar
redução de aptidão.
Os resultados de depressão por endogamia
Se você está lidando com uma população pequena,provávelmente esta será extinta, independentemente do nívelde diversidade. Populações maiores têm maior probabilidadede mutações benéficas e de resistir à deriva genética.
Mais um exemplo de chitas: A doença FIP (peritoniteinfecciosa felina), causou entre 50-60% de mortalidade aolongo de um período de 3 anos devido à limitadaheterozigosidade molecular em populações de chitas. Amesma doença em gatos domésticos (com níveis normais deheterozigosidade) causou apenas um 1% de mortalidade.
No entanto, na conservação, a diversidade genética ou
heterozigosidade não é nem mesmo a principal preocupação. As
questões demográficas, ecológicas e comportamentais são muitas
vezes mais importante no planejamento do comportamento.
Perda da heterozigosidade da
populaçãoDuas idéias:
1. Hughes (1991): A perda de
diversidade genética apresenta
importância apenas no sistema
imunológico.
2. Gilpin e Wills (1991): Qualquer perda
de diversidade pode ter um efeito
deletério sobre a população devido às
interações entre os genes.
Tamanho efetivo da população
no contexto da conservação
Assumindo o equlibrio de Hardy-
Weinberg, o tamanho da população
efetiva evolutiva pode ser estimada por
meio de:
É necessário saber a heterozigosidade esperada e
a taxa de mutação de microssatélites para
determinar o tamanho mínimo da população
efetiva ao longo prazo.
N e = (1 / [1 – H E ] 2 – 1) / 8µ
Populações efetivas evolutivas
No entanto, o uso desta equação para
calcular a viabilidade da população
depende de vários pressupostos:
Portanto, a incerteza é muito elevada.
1. A avaliação exata da taxa de mutação
2. Genealogia exata
3. Marcadores adequados selecionados
Genealogia na Escala
microevolucionáriaMarcação
técnica
Universal? Hereditárias? Permanente? Apropriado
para o
campo de
digitalização
remota?
Não-
invasiva?
Permitir uma
avaliação da
correspondência
aleatória?
Marcadores
moleculares
Sim Sim Sim Não Sim ou
não
Sim
Marcações
fenotípicos
Naturais
Não Sim ou não Sim ou não Sim Sim Sim ou não
Aplicação
humana
etiquetas
físicas.
Não Não Sim ou não Sim ou não Não Sim ou não
A tabela 1. Monitoramento de indivíduos na gestão de animais
selvagens: Vantagens e desvantagens de vários métodos.
Usando marcadores moleculares
sem capturar os animais
Ursus
americanus
Ursus arctos
Possível amostragem de genotipos multi-locus sem captura –
por exemplo: com pele, cabelo, matéria fecal, etc.
Woods (1999) conjunto de "armadilhas para pelos" usado em
ursos (Ursus americanus e U. arctos) no oeste do Canadá.
Foram amostrados 2.000 indivíduos, podendo determinar as
espécies, o sexo e a individualidade sem perturbar os ursos.
Filiação e parentesco
Por exemplo: Os chimpanzés (Pan
troglodytes)
É possível utilizar marcadores para determinar
os padrões de reprodução e comportamento.
Ou, é comum para as fêmeas acasalar com machos fora do
grupo? Se for assim, pode ser uma boa idéia realizar câmbio de
animais de outros grupos para imitar o comportamento natural
ou as condições do DNA. (Gagneux, 1997).
Será que um macho reprodutor
é pai de todos (ou quase
todos) os filhos? Em caso
afirmativo, o valor de Ne
diminui (Houlden, 1997).
Filiação e parentesco
Outro exemplo: Foi observado que
o Wombat do Norte (Lasiorhinus
krefftii) de nariz peludo, também
conhecido como Marsupiais da
Austrália, estão estreitamente
relacionados com membros do
mesmo sexo da população, mas
não com os membros do sexo
oposto (Taylor, 1997).
Isto indica um mecanismo de
dispersão para evitar endogamia.
Filiação e parentesco
Especialmente útil para espécies que não se reproduzem
bem em cativeiro e exigem a inseminação artificial.
Ex: Cientistas tentaram usar populações em cativeiro para ajudar a
repor estoques de populações nativas da truta arco-íris (Oncorhynchus
mykiss).
No entanto, quando observaram os marcadores microssatélites
descobriram que os peixes em cativeiro estavam se reproduzindo
apenas com uma frequência de 10% (McLean, 2003).
A identificação de gênero
Útil para espécies que não
apresentam dimorfismo sexual,
permite evitar emparelhamento
do mesmo sexo, por exemplo: o
pernilongo negro em perigo
(Himantopus novazelandiae) (Millar,
1997).
Número de indivíduos de cada sexo
necessários para determinar o valor de Ne
Estimação do tamanho da
população histórica
Uma grande população com
baixa variação - provavelmente
é resultado da contração
passada.
O tamanho de uma população
antiga pode ser determinada pela
diversidade interespecífica do
mtDNA
Conexões demograficas
mtDNA indica fortes linhagens
maternas -- provavelmente isto é
resultado de as tartarugas
retornarem para viveiros.
Se um local de nidificação está
perdido, outras tartarugas não
preencherão ele de novo
automaticamente novamente
(Meylan et al., 1990).
Exemplo:
Tartarugas verdes
(Chelonia mydas).
Estrutura populacional e filogeografia
Figura 1. Cenários alternativos para a genética e demografia das tartaruga-
verde. Se as colônias são separadas geneticamente, as fêmeas estarão retornando aos
mesmos lugares. Se o DNA é comum, as fêmeas estão se movendo entre as colônias.
Estrutura genética da população
Figura 2. As relações entre a estrutura genética populacional e
dispersão específicas de gênero e regimes de fluxo gênico.
Os marcadores moleculares sozinhos não são suficientes para determinar a
estrutura da população. Campo e ecologia de animais são necessários também.
Nem se move
y características ligadas
comum, se as fêmeas
carregam os ovos não
fertilizados
As duas
se movem
Marcadores herdados versus
marcadores adquiridos
Ao invés de usar o DNA, marcadores
adquiridos (por exemplo, os níveis de isotipo
em tecidos) podem ser examinados.
É útil ao trabalhar com aves, porque o nível de
isotipo irá revelar onde estão migrando.
A desvantagem é que isto não
funciona ao longo das gerações, por
isso é melhor combinar estas
informações com dados moleculares.
Figura 3. Possíveis categorias de relacionamento entre as
magnitudes estrutura populacional aparente: A) Duas populações
diferentes, provavelmente não apresentam interações. B) Apresentam muitas
interações. C) Indivíduos são criados na mesma área, mas passam o resto de
suas vidas separados. D) Indivuduos vivem na mesma área, mas se dispersam
para a reprodução.
Usando marcadores adquiridos
Exemplo: Para a conservação de
uma população de salmão,
marcadores adquiridos podem ser
utilizados para limitar a
quantidade capturada de uma
única população.
Mas, se as populações apresentam cruzamentos,
apenas marcadores genéticos seriam úteis.(Swain
e Foote, 1999).
Avaliação das populações
Oncorhynchus gorbuscha
Quando populações
são re-introduzidas,
podem ser usados
marcadores para ver
o sucesso de cada
unidade.
Também podem ser
vistos os efeitos sobre
a diversidade genética.
Por exemplo, com salmão, pode
ser determinado qual a
percentagem da população do
oceano veio de cada rio e,
portanto, quantas podem ser
colhidas a partir de cada rio a
cada ano.
Figura 4. Relações genéticas entre populações de salmões rosa
(Oncorhynchus gorbuscha). (Shaklee et al., 1991).
Misto de ações de avaliação
Caretta caretta
4.000 tartarugas-
comum (Caretta
caretta)são mortas
anualmente pela pesca
com palangre.
Assim, pode-se usar o
mtDNA para determinar
quais locais de
nidificação foram as mais
afetados.
Estrutura populacional:
Superficial ou Profundidade
As populações podem ser isoladas por
um longo tempo, mas ainda permanecem
ligadas genealogicamente se existe um
fluxo gênico recente ou pulsado.
A estrutura genética pode apresentar
separação recente, conhecida também
como superficial, ou separação antiga,
conhecida também como profunda.
\
Chelonia mydas
Figura 5. Contribuições genéticas de diferentes colônias de
tartarugas verdes (Chelonia mydas). Os números indicam
estimativas do percentual das contribuições das diferentes colônias a
essa população. (Lahanas et al., 1998).
Unidades das populações
Unidades Evolutivas Significativas (UES):
(ou, “Evolutionary Significant Units” (ESU));
Uma ou mais populações com uma história
evolutiva separada das outras populações ou
unidades.
Unidade de Gestão (UG): (ou,
“Management Unit” (MU)); População
com poucos migrantes, distantes
genéticame.
Exemplos dos unidades
UES: Colônias de tartarugas em diferentes
oceanos, porque não há fluxo gênico
• Poderia indicar possíveis subespécies
UGs: colônias de tartaruga nos mesmos oceanos
UGs
Gestão de espécies em perigo com unidades
Diceros bicornisCeratotherium simum
Rinocerontes foram caçados quase à extinção.
Assim, as duas espécies devem ser combinadas
(hibridizadas) para aumentar a diversidade genética?
Ou deveriam ser mantidas separadas?
Exemplos: Rinoceronte-negro (Diceros bicornis) e
Rinoceronte-branco (simum Ceratotherium)
Modelos para preservar peixes
de água doce
O “pupfish” (gênero
Cyprinodon) (Turner
1974)
A seguir, dois
modelos para
preservar os
peixes de água
doce:
1) “Modelo de Vale da Morte”
(baseado nos peixes do deserto,
conhecidos em inglês como pupfishes)
• Populações pequenas e isoladas
• Não há necessidade de introduzir
o fluxo de genes, porque não é
historicamente presente
Modelos para preservar peixes
de água doce
2) "Modelo de Hierarquia de
corrente" (“Stream Hierarchy Model”)
OK ao misturar as populações, porque
isto acontece naturalmente.
Mas, você precisa manter os peixes com
os mesmos da drenagem, ou então
você pode arriscar a hibridação ou
competição.
Estrutura populacional superficial
vs. Estrutura populacional profunda
Loxodonta africana Loxodonta cyclotis
Inicialmente considerado como uma única
espécie. Com os dados moleculares, agora
reconhecido como L.. Africana e L.. cyclotis com
muitos ESUs.
Figura 6. Relações filogenéticas de aproximadamente
120 elefantes (Roca et al., 2001).
Estrutura
populacional
superficial vs.
Estrutura
populacional
profunda
Lições da filogeografia
intraespecífica
Os planos de gestão podem conservar a
diversidade filogeográfica intraespecífica.
1) Limitar os transplantes
desnecessários.
A mistura de estoques genéticos reforça as
populações locais e a diversidade local.
Pode ser útil para re-introduzir espécies
nativas.
Outra opção:
2) Design de reservas regionais.
◦ Áreas isoladas permitem criar diversidade.
Lições da filogeografia
intraespecífica
No entanto, existem três problemas com
essa abordagem:
1. Pode transferir doença.
2. O registro da genética das
populações pode ser perdido.
3. A diversidade global pode perdida.
Especiação e Biologia da Conservação:
Reconhecimento de Espécies
Ameaçadas
Muitas espécies em extinção foram
classificadas antes dos dados moleculares.
Ex: “Dusky seaside sparrow” foi considerada
uma espécie única e declaradas em extinção.
Entretanto, foi descoberto mais tarde que era
uma subespécie de A. nigrescens e portanto, não
protegida.
É uma espécie única, ou só uma
subespécie?
Ammodramus
maritimus nigrescens
(Dusky Sea Sparrow)
Ammodramus
maritimus (Seaside
Sparrow)
Distância genetica entre os
“Seaside Sparrows”
Figura 7. Histograma de freqüência das distâncias genéticas
entre os “Dusky seaside sparrow”. Cientistas observram a divergência
superficial do “Dusky seaside sparrow", mas ignoraram a profunda
divergência entre as regiões do Atlântico e do Golfo.
Filogenia da tartaruga marinha
Lepidochelys kempiL.epidochelys olivacea
Ex: A tartaruga-de-kemp (Lepidochelys
kempi) - é igual à tartaruga-oliva (L.
olivacea)?
A tartaruga-de-kemp é altamente ameaçadas,
mas a tartaruga-oliva é muito comum.
Filogenia para Olive/Kemp’s Ridley
Figura 8. Filogenia de tartaruga-de-kemp e tartaruga-oliva
(ambas conhecidas em inglês como Ridley) e tartaruga-
comum (loggerhead marin turtles), utilizando dados de
mtDNA (Bowen et al., 1991).
Leis para proteger espécies
ameaçadas de extinção
“Convenção sobre o Comércio Internacional
de Espécies Ameaçadas” (CITES): tratado
internacional que proíbe o tráfico de
espécies ameaçadas.
Às vezes, difícil de implementar e/ou
aplicar.
“Endangered Species Act” (ESA): Lei
dos EUA para proteger as espécies
ameaçadas de extinção.
Apenas ao nível de espécies e não
de ecossistemas.
Estudos Moleculares forenses e
implementação da lei
Os dados moleculares
podem caracterizar
espécies na ausência de
morfologia.
Os conservacionistas
devem decidir quais
espécies são as mais
valiosas, pois não há
recursos suficientes para
salvar todas as espécies.
Estudos Moleculares forenses e
implementação da lei
mtDNA (de sangue, carcaças, carne,
penas, etc) pode determinar onde o
animal foi caçado.
◦ Ex: Uma traineira japonesa foi acusada de
colheita de peixes tipo “rockfish” ameaçados
de extinção. O diário do navio indicava que
eles não tinham relação com a colheita deste
tipo de peixes, mas a eletroforese confirmou
o contrario.
Estudos Moleculares Forenses
Micropterus salmoides
Micropterus
salmoides
(Largemouth bass)
Um homem ganhou um torneio de pesca (Peixe bass) no Texas,
com um peixe enorme (M. salmoides). Entretanto, as amostras de
tecido confirmaram que o peixe havia sido contrabandeado e
apresentava marcadores genéticos únicos da subespécie Florida.
Identificação
forense de
produtos de “carne
de baleias”
Figura 9. Análises forenses de produtos de "carne de baleia". Foi
determinado que o 50% da carne de baleia comercializada é colhida de forma
ilegal, ou contem carne de peixe que é adicionada para torná-la mais exótica
(Frankham et al., 2002).
Hibrizição e introgressão
Cercocarpus traskiae
Na Califórnia, cientistas
encontraram que uma
espécie de árvore
ameaçada traskiae
Cercocarpus estava
começando a hibridizar.
Usando os dados moleculares,
eles conseguiram remover
outras espécies Cercocarpus da
área e transplantar mudas para
áreas remotas (Rieseberg et al.,
1995).
Lobo vermelho (Canus rufus)
Canis rufus
Canis latransCanis lupus
Marcadores
moleculares também
podem determinar se
uma espécie é um
híbrido ou não. (Ex.,
o lobo vermelho.)
Figura 10. mtDNA filogenia de lobos cinzentos e coiotes. O
lobo vermelho (rufus Canus). contém DNA híbrido de ambos lobo
cinzento e o coiote. É isto uma nova espécie digna dos esforços de
conservação? A ESA não protege os híbridos.(Wayne 1996.)
Hibrizição e introgressão
Felis concolor coryi
Puma concolor
Ex: pantera da Flórida (Felis concolor coryi) apresenta uma população
pequena com muitos defeitos genéticos, assim pumas “Texas” foram
translocados.
Assim, a hibridação foi bem-sucedida na criação de uma linhagem
recombinante, mas a diversidade genética foi perdida para sempre.
Filogenias de espécies e
macroevolução
Ensaios de alozimas foram
utilizados para determinar
a filogenia e tempo de
separação de outras
espécies.
Ex:
“black-footed ferret”
(Mustela nigripes) é
uma espécies
altamente ameaçada
de extinção.
Figura 11. Filogenética posição do “endangred black-
footed ferret” (Mustela nigripes) (O’Brien et al., 1989)
Filogenia de genero Chelonia
Chelonia agassiziChelonia mydas
Tartarugas Marinhas: mais difícil de avaliar. Mesmo com mtDNA, ordens exatas ou nós permanecem desconhecidos.
São Chelonia mydas e Chelonia agassizi da mesma espécie, ou ESUs diferente?
Figura 12. Filogenia para todas as espécies conhecidas
de tartarugas marinhas (Bowen et al., 1993.)
A escolha de qual espécie para salvar
Recursos de conservação sempre são
limitados.
Três lógicas:
1. Considerações estéticas
2. Serviços utilitaristas
3. Valor intrínseco da vida
A escolha de qual espécie para salvar
Os critérios de ordenamento:
Raridade
Distribuição
Importância ecológica
Carisma
"Independente da história evolutiva" (IEH):
O que é mais valioso?
1. Uma taxa única (por exemplo: tuataras); ou
2. Um clado para especiação rapida (o que pode eventualmente gerar uma futura biodiversidade)
“História evolutiva independente” (HEI): Apresenta
oconceito de salvar espécies com ramo filogenético
de maior comprimento.
Mais utilizado para espécies com um ancestro comum,
mas poderia ser usado para todas as espécies.
Valor de conservação segunda
varios critérios de classificação
Figura 13. Valores de
conservação de
espécies de acordo
com cinco critérios de
classificação. (Avise
2004).
Prioridades e problemas potenciais:
Problemas potenciais: Subjetivos; o uso de
diferentes critérios leva a diferentes classificações.
Mas, devem os caranguejos ser
preservados com prioridade com
relação aos tigres ou pandas gigantes?
Cada uma das
quatro espécies
vivas de
caranguejos-
ferradura tem uma
pontuação maior de
HEI que os gatos ou
os ursos.
Resumo
Muitas discussões da genética na biologia de
conservação tem seu foco em heterozigose.
Uma relação causal entre heterozigosidade e
aptidão são difíceis de estabelecer.
Ao nível intra-específico, marcadores
moleculares podem ser usados para rastrear
e identificar indivíduos exemplares.
Marcadores moleculares também revelam
relações genealógicas entre populações.
Resumo
Particularmente com peixes, marcadores moleculares podem ser empregados para caracterizar populações sob exploração.
Os marcadores moleculares fornecem ferramentas para as agências de aplicação da lei por meio da identificação de espécies até mesmo por pequenos pedaços de tecido.
Hibridação e introgressão genética afetam os planos de regulação de espécies ameaçadas.
Avaliações molecular pode calcular HEI ou filogenia de distinção de espécies, que podem ser utilizados como critérios de conservação.
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