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Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/10451/6264

Título: A global phylogeographic survey of Sccharomyces uvarum
Autor: Gonçalves, Carla Isabel Gomes, 1987-
Orientador: Sampaio, José Paulo
Barata, Margarida, 1958-
Palavras-chave: Biologia molecular
Saccharomyces uvarum
Leveduras
Filogeografia
Teses de mestrado - 2011
Issue Date: 2011
Resumo: As leveduras do género Saccharomyces têm sido consideradas objectos de estudo interessantes em biologia evolutiva e genética populacional dada a sua distribuição ubíqua, relevância como organismos modelo, disponibilidade de informação genómica para todas as espécies e importância nas indústrias fermentativas (fermentação da cerveja e do vinho, panificação, entre outras similares). No entanto, apesar da sua relevância como organismos modelo em inúmeras áreas da Biologia, muitas questões relacionadas com a sua ecologia e história evolutiva permanecem ainda sem resposta. Tal como S. cerevísíae, frequentemente usada na fermentação do mosto de vinho e do pão, S. uvarum é uma levedura importante na fermentação da cidra e de alguns tipos de vinho produzidos a baixas temperaturas. Apesar da sua ligação a processos fermentativos conduzidos pelo Homem, esta levedura é frequentemente encontrada na natureza nos mais diversos substratos como cascas de árvores, cogumelos, solo e até insectos. Estudos realizados em S. cerevísíae indicam que a divergência genética nesta espécie está ligada à especialização ecológica. Para além disso, foram identificados eventos de domesticação ligados ao vinho e ao saké, sendo que as estirpes associadas a estas fermentações apresentam menor diversidade genética que as selvagens, para além de que derivam filogeneticamente destas. Por outro lado, a espécie filogeneticamente mais próxima de S. cerevísíae, S. para doxus, é apenas isolada de ambientes naturais apresentando um padrão filogeográfico acentuado sendo reconhecidas várias populações geográficas. Tendo em conta que os padrões de diversidade genética de S. uvarum são ainda desconhecidos, neste trabalho foram estudadas 50 estirpes provenientes de substratos e regiões muito diversificadas com o objectivo de detectar indícios de domesticação e de esclarecer os aspectos que afectam a estrutura populacional nesta espécie. Foi realizada uma análise filogenética baseada na sequenciação parcial de três genes nucleares tendo sido identificados três grupos filogenéticos principais. Dois dos grupos corresponderam a duas regiões específicas: Australásia (clade C) e Patagónia (clade B). Todos os restantes isolados, incluindo alguns isolados da Patagánia, constituíram um grupo filogenético distinto (c1ade A) e bem separado do grupo da Australásia. A distribuição das estirpes da Patagónia ao longo de dois dos ramos filogenéticos é espelho da grande diversidade genética encontrada neste local. Quanto ao grupo das estirpes da Australásia, é caracterizado por uma elevada divergência genética relativamente aos restantes grupos. Esta divergência encontra correspondência a nível fenotípico e traduz-se também num isolamento reprodutor parcial relativamente aos indivíduos dos outros grupos filogenéticos e em evidências de diferenciação populacional. O mesmo não se verifica com as estirpes da Patagónia (clade B) que apesar da sua aparente divergência na análise filogenética, apresentam características fenotípicas semelhantes às de estirpes representativas do clade. A, inexistência de evidência de diferenciação populacional e ausência de isolamento reprodutor. No que diz respeito ao estudo da domesticação, não foi possível encontrar o padrão observado em S. eerevisiae visto que quer estirpes isoladas de ambientes naturais quer estirpes provenientes de cidra ou vinho se agrupam no mesmo ramo filogenético. Além disso, a diversidade genética das estirpes domesticadas não é inferior à das estirpes selvagens. Deste modo os resultados sugerem que o processo de domesticação que ocorreu em S. eerevisiae não se verifica em S. uvarum. É ainda de salientar que todas as estirpes provenientes do Hemisfério Sul foram isoladas ou de Nothofagus ou Cyttaria, sendo este último um fungo ascomiceta que é parasita obrigatório das árvores do género Nothofagus. Todas as espécies que constituem estes dois géneros povoam apenas alguns locais do Hemisfério Sul sendo que a actual distribuição está associada à separação do mega-continente Gondwana. Para além dos genes nucleares, dois genes mitocondriais foram também sequenciados para um conjunto de estirpes representativo dos grupos filogenéticos obtidos com as sequências nucleares. Nesta análise, a população da Australásia surgiu como a mais divergente relativamente a um grupo constituído pelas restantes populações de S. uvarum e S. bayanus (a espécie filogeneticamente mais próxima de S. uvarum). Devido à incongruência verificada entre as filogenias de genes nucleares e mitocondriais, e no sentido de evidenciar possíveis fenómenos de recombinação, foi realizada uma análise baseada em phylogenetie networks. Com esta análise foi possível evidenciar eventos de trocas génicas entre as populações da Patagónia e do Hemisfério Norte, corroborando assim a ligação entre as populações destes dois locais. Esta aparente ligação levou a questionar se o grupo da Patagónia consiste numa população diferente do grupo do Hemisfério Norte, tendo-se efectuado uma análise para detecção de estrutura populacional no programa Strueture. Nesta análise apenas se evidenciaram duas populações: uma correspondente às estirpes da Australásia e outra reunindo as restantes estirpes. Quando o programa foi forçado a considerar um número superior de populações a única partição encontrada consistiu na adição de mais uma população, tendo as estirpes da Patagónia sido distribuídas por dois elusters genéticos, sendo que um destes c1usters é marcadamente dominante no Hemisfério Norte. Estes resultados parecem sugerir a colonização do Hemisfério Norte a partir da América do Sul. Devido aos indícios sugeridos por estes resultados, foi realizada uma análise mais detalhada a nível populacional. Recorreu-se ao uso de três regiões microsatélite que, apresentando uma evolução mais rápida, podem ter relevância para estudos populacionais. Considerando a variação do número de repetições nas regiões microsatélite, confirmou-se a inexistência de estrutura populacional entre a Patagónia e o Hemisfério Norte, enquanto a diferenciação da população da Australásia se manteve. Observou-se ainda a existência de substituições nucleotídicas pontuais nas estirpes da Australásia e Patagónia, relativamente às restantes, sendo que nas primeiras estas parecem estar fixas na população, algo que pode sugerir a ancestralidade da mesma. Para além disso, tanto nas estirpes da Australásia como nas da Patagónia foram encontrados alelos privados com elevada frequência na população. Esta elevada frequência aliada a uma elevada diversidade genética no caso da Patagónia, sugere uma existência antiga, tendo decorrido gerações suficientes para se propagarem alelos únicos em grande parte da população. Outro dado interessante é a existência de alelos privados característicos do Hemisfério Sul (Australásia e Patagónia). Esta associação entre estes dois locais é corroborada pelos dados de diferenciação populacional, que não sugerem uma separação tão clara destes dois grupos relativamente à clara separação encontrada entre a Australásia e o Hemisfério Norte. Considerando os resultados obtidos no decurso deste estudo, a hipótese de trabalho para estudos futuros é a de que S. uvarum colonizou o Hemisfério Norte a partir de uma população original residente a Sul, provavelmente na América do Sul. Por outro lado, a ligação entre a Australásia e a Patagónia e a associação ao sistema Nothofagus - Cyttaria remete para os processos de deriva continental associada à separação do Gondwana. Trabalhos futuros, suportados em maior densidade de informação genética e em amostragens populacionais mais completas, serão necessários para completar o estudo da história evolutiva desta levedura, iniciado com este trabalho.
Yeasts belonging to the genus Saccharomyces are interesting model organisms for evolutionary and population genetics studies because of their ubiquitous distribution, relation to human activities and availability of complete genome sequence information for all species. Unlike S. cerevisiae that is closely associated to winemaking and S. paradoxus that is only isolated from the wild, S. uvarum is a cryotolerant yeast that is widely distributed in nature but can also be isolated from cider and certain wines whose fermentation is carried out at low temperatures. While in S. cerevisiae genetic divergence is associated with ecological variants, with two identified domestication events (wine and sake), in S. paradoxus geography, not ecology, drives genetic divergence. Since these aspects have not yet been studied in S. uvarum, a phylogeographic study of 50 strains isolated in Eurasia (both from the wild and man-driven fermentations), North and South America and Australasia was performed. Based on phylogenetic analysis of three nuclear genes, three main clades were found, two of them represented by isolates from two well-delimited regions (Patagonia, clade B and Australasia, clade C), and a third (clade A) including strains from the Northern Hemisphere and some strains from Patagonia. However, the recognition of a Patagonian population distinct from the population of the North Hemisphere was not supported in subsequent analyses where no phenotypic discontinuities were detected, no reproductive barriers were found and evidence for population differentiation through both nuclear genes and microsatellite markers was weak. Furthermore, domestication in S. uvarum could not be detected as, among the isolates from the Northern Hemisphere, putative domesticates could not be distinguished from wild strains. Moreover, the Australasian population showed genetic and phenotypic divergence from the remaining populations and mating studies showed partial reproductive isolation. Evidence for ancestry of the Australasian and Patagonian populations was suggested due to the presence of private alleles with high frequencies in the population. Additionally, some alleles were found to be shared by the Patagonian and Australasian populations leading to the hypothesis of a past connection between them. The ancestry signs found for the Patagonian population combined with the presence of Patagonian genotypes in the Northern Hemisphere and the absence of population structure between these populations suggest a possible migration of strains from Patagonia to North America and Eurasia. Nevertheless, this is an exploratory study that requires further analyses concerning more complete sampling and molecular data.
Descrição: Tese de mestrado. Biologia (Microbiologia Aplicada). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011
URI: http://hdl.handle.net/10451/6264
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