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Curso de Biologia da Conservação

Professor: Fabrício R. Santos, UFMG

Bibliografia: Fundamentos de Genética da Conservação [Frankham et al. 2008] e

artigos científicos

http://www.icb.ufmg.br/lbem/aulas/grad/biolcons

Aula 3 – Estruturação populacional, fragmentação de populações, depressão

exogâmica, filogeografia e manejo com dados genéticos

Capítulo 10 – PDF do capítulo na página

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

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

Distribuições históricas e atuais

Distribuição

histórica

Distribuição

atual

Hipótese de fragmentação atual

Distribuição

histórica

Distribuição

atual

Hipótese de fragmentação histórica

Distribuição

histórica antiga

Distribuição

histórica recente

Hipótese de fragmentação histórica e atual

Distribuição

atual

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 Relação com o tamanho dos fragmentos

Fragmentação causada por perda de habitat =>

subpopulações de vários tamanhos e com baixas taxas

de migração.

Pica-pau do sudeste dos EUA.

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1989: furacão matou 87% das árvores que serviam de

ninhos e 63% dos pássaros.

1992: população recuperada (33%) => instalação de

cavidades para ninhos.

Pica-pau do sudeste dos EUA.

Fragmentos populacionais isolados (Ilhas)

Cangurus de patas pretas do leste da Austrália

Deriva e aumento da divergência entre populações

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=0,07m=0,02

Deriva e migração (fluxo gênico)

tem efeitos opostos

• Deriva torna populações diferentes

• Fluxo gênico (migração) homogeniza

subpopulações

m

m

Diferenciação populacional sob

deriva e fluxo gênico (migração: m)

• Se Ne e m são pequenos, diferenciação é grande.

• “Se há > 1 migrante per 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). Corredores artificiais

Como fazer translocações ou

promover o fluxo gênico?

Depressão exogâmica

População de Íbex (cabrito selvagem das montanhas de Tatra – na

República Tcheca)

Baixa diversidade

Translocados animais da Turquia e Sinai (adaptados ao deserto)

Resultado:

Nas montanhas geladas, os híbridos

entravam no cio durante o outono e os

filhotes nasciam em fevereiro (o mês mais

frio) => extinção local

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)

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

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FST e migração

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 per

geração, populações

não divergem muito.”

FST1

1 4Nem

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 MetapopulaçõesModelo 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

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Distância geográfica, fluxo gênico e FST Testando correlações geográfica

• Software IBD (isolamento por distância);

• AIDA (autocorrelação espacial, teste com

classes de distâncias geográficas);

• Mantel (correlação direta entre distâncias

genéticas e geográficas).

Medindo fluxo gênico

As taxas de migração são muito difíceis de serem

calculadas (seguindo animais na natureza), por isto

usamos a taxa de fluxo gênico baseada e FST.

Nm = [1/FST – 1] / 4

Exemplo: FST= 0,078

Nm = [1/0,078 – 1] / 4

Nm = (12,82 – 1) / 4

Nm = 11,82 / 4 = 2,96

Estimativa de fluxo gênico

assumindo EHW

NmFst

41

1

st

st

F

FNm

4

1

Equilíbrio Migração x Endogamia

Endogamia depende do tamanho efetivo

populacional e da taxa de migração

FST = 1/(4Nem+1)

Com Nem=0:

Fst = 1/(4x0+1) = 1

Com Nem=1:

Fst = 1/(4x1+1) = 0,2

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Divergência e perda de heterozigosidade

Como a heterozigosidade é perdida dentro dos fragmentos

por deriva e endogamia => apresenta deficiência de

heterozigotos quando comparado com o EHW.

Heterozigosidade será reduzida em proporção ao

coeficiente de endogamia.

Exemplo:

Uma população com frequência inicial de p=0,7 e q=0,3

No EHW, He = 2pq = 0,42

Efeito da endogamia:

Coeficiente de endogamia F=0,64

HeF = 2pq (1 – F)

HeF = 2 x 0,7 x 0,3 x (1 - 0,64) = 0,15 (redução de 64% da He)

Divergência e perda de heterozigosidade

Estatística F• Quantificação estrutura da variação genética em

populações por AMOVA: estrutura populacional

• Partição da variação em relação à População Total (T),

Subpopulações (S) e Indivíduos (I)

T

S

A Estatística F pode medir desvios da He em

diferentes níveis hierárquicos

S

OSIS

H

HHF

T

OTIT

H

HHF

T

STST

H

HHF

nas quais

HT é a H média esperada para a

população total

HO é a H observada dentro

de uma subpopulação

HS é a H média esperada nas

subpopulações

)1)(1(1 ISSTIT FFF

• FST: diferenciação genética entre subpopulações

• FIT: desvio do EHW na população total

• FIS: desvio do EHW dentro da subpopulação

Estatística F

• Quantificação estrutura da variação genética em

populações: estrutura populacional

• Partição da variação em relação à População Total (T),

Subpopulações (S) e Indivíduos (I)

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 , que é análoga à

Estatística F de S. Wright

ΦST = (σ2a + σ2

b)/σ2

T

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Análise de estruturação

populacional com AMOVA

• Permite detectar agrupamentos de

populações conectadas (geografia, nicho,

comportamento, etc).

• Permite quantificar o porcentual de

variação genética que se distribui dentro e

entre populações, e entre agrupamentos

de populações.

Duas populações estruturadas

Subpop. A1A1 A1A2 A2A2 q

1 0,25 0,5 0,25 0,5

2 0,35 0,3 0,35 0,5

FIS=0,2 FIT=0,2 FST=0,0

1 0,25 0,5 0,25 0,5

2 0,49 0,42 0,09 0,3

FIS=0,0 FIT=0,04 FST=0,04

Em termos de

O que é a Filogeografia?

Filogeografia é um campo que trata dos princípios e

processos que determinam as distribuições geográficas de

linhagens genealógicas, especialmente dentro e entre

espécies próximas

Se interrelaciona com a Biogeografia, tentando

compreender a distribuição das populações em uma

escala espacial (geográfica) e temporal (filogenética)

através do DNA

Avise JC 1998 Molecular Ecology 7: 371-379

Publicações e tipos de dados

* *

* Não são considerados

marcadores realmente

filogeográficos.

Filogeografia

• Analisa a influência de eventos históricos na distribuição das espécies.

– Geralmente envolvendo longo tempo e grandes distâncias, mas pode ser aplicado à pequena escala (genética da paisagem/landscape)

• Inicialmente era apenas utilizada em espécies únicas, mas crescentemente tem sido utilizada em espécies co-distribuídas ou relacionadas filogeneticamente (filogeografia comparada).

Biogeografia histórica

História de linhagens e Biotas

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Estudo de refúgios pleistocênicos e barreiras à dispersão de espécies na Europa

Árvores de genes e de populações

Monofilia

RecíprocaB. Polifilia C. Parafilia

Relações genealógicas entre populações

Avise JC 1998 Molecular Ecology 7: 371-379

Modos de herança dos marcadores

DNAmt DNA autossômico

Árvore filogenética do DNAmt para o sapo de cauda

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Variação da região controle do DNAmt em

Gorilla gorilla

Nyrigongo

Alelo mais

comum e

distribuído

Etapa de

uma

mutação

Redes de Máxima Parcimônia

de haplótipos

Zona híbrida intra-específica

Distância genética reflete tempo de separação

Ilustração de 5 possíveis categorias de um padrão filogeográfico

Ilustração de 5 possíveis categorias de um padrão filogeográfico

Fluxo gênico restrito–

congruência entre geografia e

distribuição haplotípica

Persistência e separação

(haplótipos C e G)

Fluxo gênico – se um

haplótipo derivado se

encontra em outra área.

Árvore de haplótipos

(haplótipos A-G)

Schaal et al 1998 Molecular Ecology 7: 465-474

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FST = 0,08

FST = 0,10

(Chobe é distante de todas outras áreas

Templeton AR 1998 Molecular Ecology 7:381-397

Fluxo gênico

Fragmentação ou

isolamento por

distância

Nested Clade AnalysisTempleton et al.

• Combina testes espaciais e temporais de

associação.

• Pode ser usado para distinguir processos

atuais e eventos históricos.

Nested Clade Analysis (Templeton et al.)

Com os programas TCS e Geodis pode-se fazer uma NCA em que são

testados vários cenários que explicam o dado: isolamento por distância,

isolamento seguido de contato secundário, expansão populacional,

descontinuidades históricas na distribuição,

Branco et al 2002 Evolution 56:792–803

Usa permutação aleatória para testar a significância das associações,

cujos resultados devem ser observados em uma chave de inferência.

Chave de inferência (Inference key)Templeton AR 1998 Molecular Ecology 7:381-397

Bradypus torquatus

Em perigo de extinção – IUCN

mas faltam dados sobre esta espécie.

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BAHIA

ESPÍRITO SANTO

Tabuleiros

Região serrana

RIO DE JANEIRO

Altíssima estruturação populacional - st = 0,987

Gênero Artibeus

T. senegalensis

T. inunguis

T. manatus

Filogeografia comparada das espécies de Peixe-Boi (Trichechus sp)

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Sampling distribution of T. manatus and T. inunguisT. manatus mtDNA haplotypes

0 1 2 3 4

Nucleotide Div * 100

Haplotype Div

Dominican Rep.

Guyanas

Puerto Rico

Venezuela

Colombia

Brazil

Mexico

MtDNA diversity in T. manatus

USA

Phylogeography and phylogeny of manatees

West Indian

Amazonian

African

Venezuela

(n=4)

Trichechus manatus

Figure 1

Mexico (n=14)

Colombia (n=33)

Belize

(n=43)

Dominican Rep.

(n=6)

Florida, USA

(n=28)

Puerto Rico

(n=62)

I II

Brazil

(n=31)

Guyanas

(n=7)

III

Amazonian manatees killed in Maraã, AM - 2001

LBEM

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X

T

T6

T2

P

P2

T3

T14

T12

S3

S4

RS2

R3

T4

T5

T13

T11

T9T10

W

Q4

U U2

V

Q2

Q

R2

T7T8 T15

Q3

Trichechus inunguis

Populational bottleneck – Expansion/origin in the Pleistocene

~ 130 KYBP - ST ~ 0.20

T. manatus

T. inunguis

Hybrids T. inunguis x T. manatus

7 mtDNA hap.

from T. inunguis

1 mtDNA hap.

from T.manatus

2.3543.31413.580450.038640.85520224T. manatus

-2.119 *15.9822.127340.005350.8773192T. inunguis

0.9051.9917.533150.019580.93356T. senegalensis

DS/ddShHT(n)Species

MtDNA parameters among species

Microsatellites in Brazilian populations

T. manatus h= 0.0 h= 0.2155

T. inunguis h= 0.5576 h= 0.8245

H11 A09

West Indian manatee

Amazonian manatee

Inter-specific hybrids

7 mtDNA of

another species

1 mtDNA of

another species

T. manatus

Chromosome number 2n = 48

Mt DNA haplotypes = A to O

A09 Microsatellite allele = 25

T. inunguis

Chromosome number 2n = 56

Mt DNA haplotypes = P to V

A09 Microsatellite alleles = 21 to 24

Hybrid – Poque

Morphology = T. manatus

Chromosome number 2n = 50

Mt DNA haplotype = T (T. inunguis)

A09 Microsatellite alleles = 22/25

Non-paired chromosomes

1 432

7 8 9

65

10 11 12

13 14 15 16 17 18

19 20 21 22 23 XY

Pessoal dos peixes-bois

Josimar Juliana

fsantos@icb.ufmg.br