Diversidade e evolução do tamanho de genomas: uma perspectiva em Formicidae e Bromeliaceae

Abstract

O tamanho do genoma, também denominado conteúdo de DNA, quantidade de DNA ou DNA C-valor, foi descrito como um traço que "encontra-se exclusivamente na interseção do fenótipo e genótipo" e o tamanho do genoma em eucariotos varia em cinco ordens de magnitude, com uma distribuição enviesada em torno de valores pequenos, cerca de 2 picogramas (pg). Na família Formicidae o método para estimar o tamanho do genoma ainda é pouco difundido, o que torna difícil comparar estudos e compreender a evolução desse traço. Neste estudo, reunimos e investigamos a informação sobre o tamanho do genoma em formigas, compilando o conteúdo de DNA estimado. Analisamos também o método aplicado, o tipo de tecido utilizado e o padrão interno. Todos os valores foram colocados em uma árvore filogenética e os valores médios das subfamílias foram então comparados estatisticamente (Capítulo 1). Padronizamos um protocolo de citometria de fluxo (FCM) em formigas; analisamos, entre os padrões internos atualmente utilizados em citometria de fluxo para insetos, o que é o mais recomendado para formigas; avaliamos a eficácia da citometria de fluxo na análise de diferenças no conteúdo de DNA entre colônias de diferentes locais, ou seja, testamos a aplicabilidade da citometria de fluxo em estudos envolvendo genética de populações (Capítulo 2). Também expandimos o banco de dados de tamanho de genoma para Formicidae; estabelecemos um protocolo de determinação de composição de bases AT/GC através de citometria de fluxo em formigas; examinamos os padrões de distribuição e variação do tamanho do genoma e da composição de bases entre os táxons; fornecemos uma perspectiva filogenética sobre a evolução do tamanho de genoma na família e reconstruímos o estado ancestral desse traço (Capítulo 3). Drosophila melanogaster foi um padrão interno melhor do que Scaptotrigona xanthotricha, uma vez que a maioria das formigas estudadas possui tamanho do genoma (valor 1C) correspondente ao de S. xanthotricha, o que resulta em uma sobreposição de picos nos histogramas; como D. melanogaster tem um tamanho de genoma menor isso não acontece, sendo o padrão interno mais apropriado para formigas. O tampão Galbraith foi mais eficaz para Myrmicinae e Pseudomyrmecinae, e LB01 para Ectatomminae e Ponerinae. O tampão OTTO também funcionou, mas com um coeficiente de variação maior que o considerado aceitável (<5%). No capítulo 2, o tamanho do genoma estimado variou entre as populações das quatro espécies estudadas essa variação pode estar relacionada ao estresse na colonização de novos ambientes. A citometria de fluxo mostrou ser um método eficaz de quantificação de DNA em formigas e aplicável em estudos de genética de populações. O coeficiente de variação entre os dias não foi significativamente diferente, o que reflete a eficácia do método e a estabilidade do equipamento. Novas estimativas de tamanho do genoma foram apresentadas para 100 espécies de formigas, 92 das quais correspondendo a novas espécies e o tamanho médio do genoma da família Formicidae foi de 0,38 pg. A relação AT/GC obtida para a família foi AT = 62,40% e GC = 37,60%. No capítulo 3, a família Formicidae foi recuperada como um clado com alto valor de probabilidade posterior na análise filogenética. O tamanho do genoma ancestral reconstruído para Formicidae foi de 0,38 pg de acordo com o método de Inferência Bayesiana e 0,37 pg de acordo com os métodos ML e Parcimônia e diferenças significativas no tamanho de genoma foram observadas entre as subfamílias amostradas. Os resultados deste estudo sugerem que a evolução do DNA C-valor em Formicidae ocorreu devido à perda e acumulação de regiões não codificadoras, principalmente elementos transponíveis e, em alguns casos específicos, por duplicação completa do genoma. No entanto, os processos por trás dessas expansões e retrações do genoma ainda precisam ser entendidos, principalmente através de estudos de diversificação de espécies, a fim de verificar se essas mudanças no conteúdo de DNA estão relacionadas ao processo de colonização da espécie, como sugerido no nível intraespecífico.

Genome size, also named DNA content, DNA amount or DNA C value, has been and the genome size of eukaryotes varies over five orders of magnitude, with a distribution skewed toward small values, around 2 picograms (pg). In Formicidae the method for estimating genome size is still less widespread, which makes it difficult to compare studies and to understand the evolution of this trait. In this study, we assemble and investigate the information about the genome sizes in ants, compiling the DNA content estimated so far. We also analyzed the method applied, the type of tissue used and the internal standard. All values were placed in a phylogenetic tree and the means of the subfamilies were then compared statistically (Chapter 1). We standardize a protocol of flow cytometry (FCM) analyses in ants; assay, among the internal standards currently used in flow cytometry for insects, which is the most recommended for ants; evaluate the efficacy of flow cytometry for analysis of differences in DNA content between colonies of different locations, that is, test the applicability of flow cytometry in studies involving population genetics (Chapter 2). We also expand the GS database of Formicidae; establish a protocol of base composition determination through flow cytometry in ants; examine the patterns of distribution and variation of genome size and base composition among taxa; and provide a phylogenetic perspective on GS evolution in the family and reconstruct the ancestral state of this character (Chapter 3). Drosophila melanogaster was a better internal standard than Scaptotrigona xanthotricha, since the majority of the studied ants have genome size (1C-value) corresponding to that of S. xanthotricha, which results in an overlapping of peaks on the histograms; as D. melanogaster has a tinier genome size, this does not happen being the most appropriate internal standard to studies with ants. The Galbraith buffer was most effective for Myrmicinae and Pseudomyrmecinae, and LB01 for Ectatomminae and Ponerinae. The OTTO buffer also worked, but with a coefficient of variation greater than that considered acceptable (<5%). The genome size estimated varied among populations of the four species studied and this variation is more likely to be related to the stress in the colonization of new environments. Flow cytometry proved to be an effective method of DNA quantification in ants and to the application on population genetic studies. The coefficient of variation between days was not significantly different that reflect the effectiveness and stability of the method.. New genome size estimates were present for 100 species of ants, 92 of which corresponding to new taxa, and the mean genome size of Formicidae was 0,38 pg. The AT/GC ratio obtained for the Family was AT = 62,40% and GC = 37,60%. Formicidae family was recovered as monophyletic with high value of posterior probability on the phylogenetic analysis. The reconstructed ancestral genome size for Formicidae was 0,38 pg according the Bayesian Inference and 0,37 pg according to ML and parsimony methods and significant differences in GS were observed between the subfamilies sampled. The results of this study suggest that the evolution of GS in Formicidae was due to the loss and accumulation of non-coding regions, mainly transposable elements, and in some specific cases by whole genome duplication. However, the processes behind these genome enlargements and retractions still need to be understood, mainly through species diversification studies, in order to verify if these changes in DNA content are related to the colonization process of the species, thus as suggested at the intraspecific level.