Estudos evolutivos, filogeográficos e de conservação em uma espécie endêmica do ecossistema de dunas costeiras do sul do Brasil, Ctenomys flamarioni (Rodentia-Ctenomydae), através de marcadores moleculares microssatélites e DNA mitocondrial

Abstract

Ctenomys flamarioni, comumente chamado tuco-tuco-das-dunas, é um roedor subterrâneo que habita a primeira linha de dunas costeiras do Estado do Rio Grande do Sul. Devido à pouca informação sobre este roedor e ao fato de ser uma espécie endêmica e ameaçada de extinção (principalmente pela redução e modificações antrópicas a que é submetido o ecossistema costeiro) o principal esforço desta tese foi centralizado na caracterização genética da variabilidade (e em como esta se encontra distribuída) em populações ao longo de toda a área de distribuição da espécie. Para isto foram utilizados dois tipos de marcadores moleculares, loci nucleares (nove loci de microssatélites) e seqüências de DNA mitocondrial (389 pares de bases da região controladora e 665 pares de bases do citocromo-b).Para três das dez populações amostradas foram incorporadas análises demográficas tanto a partir de dados de campo quanto a partir de dados genéticos através da utilização de loci de microssatélites. Para estas populações foram observadas diferenças significativas na proporção de machos e fêmeas (1:2, para os indivíduos adultos) e nas medidas utilizadas como estimativa de dimorfismo sexual (machos com maior peso e comprimento do corpo). Estas evidências sugerem um padrão de poliginia para C. flamarioni. As análises de estrutura genética indicaram forte diferenciação entre as populações, mas não a nível intrapopulacional. As estimativas de dispersão a partir dos dados genéticos utilizando índices de assignement (FST, FIS, mAIc, vAIc) e teste de AMOVA, mostraram diferenças não significativas entre machos e fêmeas, sugerindo dispersão de ambos os sexos. Todavia, a partir de estimativas de FST entre as populações mais próximas, foi inferida uma maior mobilidade dos machos. Quando a dispersão foi comparada entre aspopulações, esta foi significativamente maior para fêmeas, na população que habita a área mais preservada, e com menor densidade de indivíduos, em relação às outras duas. Para o total de populações, ambos os marcadores mostraram baixa variabilidade genética intrapopulacional, embora esta fosse mais crítica para o mtDNA. Para o conjunto de seqüências da região controladora mitocondrial (n = 89) analisadas foram obtidos sete haplótipos, enquanto que para as do citocromo-b (n = 45), cinco. Para os loci de microssatélites foi observado um número baixo de alelos por loci (entre três e oito). A variabilidade genética obtida foi divergente entre as nove populações estudadas, com valores de diversidade alélica que variaram de 1,1 a 3,6 e valores de heterozigosidade média de 0,21 a 0,70.As populações do sul da distribuição apresentaram os menores valores de variabilidade: a maioria dos loci nucleares em estado monomórfico e baixo número de haplotipos para os loci mitocondriais. O baixo polimorfismo obtido para os microssatélites não tem permitido o uso de testes estatísticos para detectar gargalos de garrafa. Todavia, para três das seis populações analisadas foi verificada a existência de reduções recentes do tamanho populacional. Os níveis de diferenciação genética entre populações foram maiores para os loci de microssatélites que para os de mtDNA, sugerindo assim baixo fluxo gênico atual e maior conectividade histórica entre as populações. Através dos testes de AMOVA, para os dois tipos de marcadores genéticos utilizados, foi observada correlação positiva entre a estruturação da variabilidade e a presença de duas das três possíveis barreiras geográficas ao fluxo gênico testadas. Os testes de Mantel evidenciaram um padrão de isolamento pela distância quando todas as populações foram consideradas na análise, mas não a nível regional.As árvores filogenéticas obtidas a partir dos diferentes métodos empregados evidenciaram relações pouco profundas entre os haplótipos, também sugeridas através das análises de Network. Estas últimas indicaram os haplótipos do norte da distribuição como os ancestrais, a partir dos quais teriam se originado os demais. A partir das diferentes abordagens utilizadas para testar a expansão demográfica (mismatch distribution, teste de Tajima, Fu, e modelo de crescimento exponencial), foi evidenciado sinal positivo, embora fraco, de expansão. O baixo poder dos testes empregados pode estar evidenciando, para a espécie, um padrão mais complexo de ocupação de sua atual área de distribuição, no qual flutuações do tamanho populacional, tanto históricas como contemporâneas, teriam um papel fundamental na redução da variabilidade genética. A partir de métodos semi e não-paramétricos foi estimado o tempo de divergência das principais linhagens filogenéticas de C. flamarioni (aproximadamente 90.000 anos) assim como uma taxa de mutação para o citocromo-b (μ = 0,019⁄ sítio ⁄ milhão de anos). Baseado nesta taxa de mutação, o tempo de ocorrência da principal expansão demográfica foi estimado em 60.000 anos. A partir dos resultados obtidos para os marcadores moleculares utilizados, e com o aporte de informação dos polimorfismos cariotípicos e protéicos reportados para a espécie, foi proposto: (1) duas Unidades Evolutivamente Significativas (ESUs) para C. flamarioni, a primeira formada pelas populações das regiões I, II e III, e a segunda incluindo as populações pertencentes à região IV; e (2) que cada uma das populações estudadas se constitua em uma unidade de manejo independente.

The tuco-tuco-das-dunas, Ctenomys flamarioni, is a subterranean rodent that inhabits the first line of the coastal dunes in State of Rio Grande do Sul. Due to the lack of information about this endemic rodent, and the threatened situation of the species (mainly as result of the anthropogenic changes over native coastal ecosystem), the effort of this thesis was focalized on the genetic variability characterization, and its distribution, over the total range of the species. With this aim two kinds of molecular markers were used: nine nuclear microsatellites loci and mitochondrial DNA sequences (389 base pairs of the control region and 665 base pairs of the cytochrome-b). In three of the ten populations sampled demographical analyses were done both from field and genetical data. For adult individuals significant differences were observed toward a female-biased sex-ratio (1 male:2 female) and sexual dimorphism (males heavier and larger than females). These evidences support a hypothesis of polygyny in C. flamarioni.Analysis of genetic structure revealed strong differentiation among populations, but no significant structure at the intrapopulation level. Non-significant values were obtained for the tested indexes, from assignment tests (FST, FIS, mAIc, vAIc) as well as from AMOVA, showing no evidence of sex-biased dispersal over populations. Nevertheless, for the nearest populations, non significant pairwise FST for males suggested a slightly male-biased dispersal pattern. In regard to inter-population differences, significant differences were clearer in the dispersal patterns among females with more dispersal for the population at the most preserved habitat than the two others. For all populations both microsatellites and mtDNA datasets showed low withinpopulation genetic variation but, it was more critical for mtDNA. For the mitochondrialcontrol-region set of sequences (n = 89) a total of seven haplotypes were obtained, and for the cytochrome-b dataset (n = 45) five haplotypes. The nine microsatellite loci surveyed were polymorphic with variable number of alleles by locus, ranging from three to seven. The same was observed with the genetic variability: the population mean diversity for varied between 1.1 to 3.6 alleles, and the mean observed heterozygosity across all loci ranged from 0.21 to 0.70. The three populations from the southern region of the range showed the lowest values of diversity: most of nuclear loci in monomorphic state and low number of haplotypes for the mtDNA datasets. The low number of polymorphic loci in these populations precluded the use of statistical test for bottleneck detection. However, for three of the six populations examined, a genetic signature of recent population size reduction was observed. Levels of genetic differentiation among populations were higher for microsatellites than mitochondrial loci, suggesting lower gene flow at the present than in the past. For both kinds of markers, the AMOVA analyses showed a substantial relationship between the genetic variation partitioning and two of the three hypothesized historical barriers to gene flow. Positive correlation between the genetic and geographic distances (isolation-by-distance pattern) was found when the total sampled range was considered but not at regional level. Phylogenetic tree analyses showed a shallow relationship between haplotypes, also suggested by the network approach. The northern haplotypes were suggested as the most ancient. Weak evidences of recent population expansion were obtained from the mismatch distribution, Tajima and Fu’s tests and using an exponential grow model. The lack ofpower of the applied tests may indicate by a complex pattern of the species occupation in its distribution range, in which historical and current reductions in population size possibly had a primary role in the reduction of genetic variability. Further analyses from nonparametric and semiparametric methods estimated a divergence time of haplotypic lineages of 90,000 years ago, in the Late Pleistocene, and a rate of cytochrome-b evolution μ = 1.9% per million years. Using this rate and assuming a stepwise scenario, the major increase in effective population size was estimated as occurring 60,000 years ago. Despite the lack of phylogeographic information to define Evolutionarily Significant Units (ESUs), based on the patterns of variation and divergence from the two kinds of markers and the previous allozyme and karyotype studies we propose, (1) two ESU,the first including north (I) and central (II and III) regions, and the second including all populations at the south of the distribution (IV); and (2) that each of the populations sampled should constitute an independent management unit.