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Publicação
Differentiation and genetic variability in cork oak populations (Quercus suber L.)
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Resumo(s)
O ano 2011 foi designado como “O Ano Internacional das Florestas” pela Assembleia Geral das Nações Unidas, na tentativa de despertar o interesse público e promover a sustentabilidade da gestão e conservação florestal para o benefício das gerações futuras. Estimativas da FAO (Food and Agriculture Organization) para o ano de 2010 demonstraram que 31% da superfície terrestre ainda está coberta por florestas e que as árvores correspondem a 90% da biomassa terrestre, compreendendo um total de 60.000 a 100.000 taxa. Contudo, certas alterações induzidas pelo Homem, principalmente a desflorestação e as alterações climáticas elevaram o número de espécies ameaçadas de extinção para 10%. Nos últimos tempos as espécies florestais têm sido bastante usadas em estudos de genética populacional e evolutiva, assim como em estudos genómicos. As principais razões são as características particulares que estes modelos não-clássicos apresentam, visto resultarem de milhões de anos de divergência e diversificação, e assim apresentarem impressionantes níveis de diversidade morfológica, divergência evolutiva e diversidade ecológica. Apesar de o impacto que as alterações globais vão ter sobre estas espécies depender grandemente da sua capacidade de reacção e da dos seus ecossistemas, os estudos genéticos permitem-nos, até certo ponto, prever as consequências evolutivas das alterações uma vez que nos possibilitam aumentar o conhecimento da biodiversidade e evolução destas espécies. O conceito de “Filogeografia” foi apresentado por Avise et al. em 1987, e durante os últimos 25 anos teve um grande impacto na investigação, particularmente em animais. Nas plantas os resultados produzidos não têm sido tão explícitos, principalmente devido à falta de variabilidade genética aplicável à análise filogeográfica. Tem sido consideravelmente difícil encontrar um marcador genético em plantas com um poder de resolução semelhante ao DNA mitocondrial animal. No entanto a filogeografia em plantas tem-se desenvolvido bastante, principalmente nos últimos anos, com o crescimento do uso de marcadores moleculares nucleares e com a recolha de informação de fragmentos maiores do genoma cloroplastidial. O género Quercus (carvalhos) (Fagaceae) é um dos grupos mais importantes de angióspermicas lenhosas no hemisfério norte, nomeadamente em relação à diversidade de espécies, dominância ecológica e valor económico. O género é bastante antigo considerando que o fóssil mais antigo encontrado pertence ao Oligoceno (34-23 milhões de anos). Os carvalhos são os membros dominantes de uma grande variedade de habitats e pensa-se que existam 500-600 espécies na Terra. O sobreiro (Quercus suber L.) representa umas das espécies arbóreas mais importantes da região Oeste do Mediterrâneo, tanto económica como ecologicamente, onde define espaços florestais abertos (criados e mantidos pelo Homem) conhecidos em Portugal como “montados”. A área de distribuição do sobreiro, apesar de descontínua, vai desde a costa Atlântica do Norte de África e Península Ibérica até às regiões sudoeste de Itália, incluindo as ilhas Mediterrânicas Sicília e Sardenha, assim como as zonas costeiras do Mediterrâneo da Argélia e Tunísia. As florestas de sobreiro cobrem uma área total de cerca de 2,2 milhões de hectares, de onde são extraídas 340.000 toneladas/ano de cortiça. As maiores extensões de área coberta estão localizadas em Portugal com cerca de 700.000 hectares, correspondendo a 21% da área florestal Portuguesa e 30% da área mundial de produção de cortiça. O sobreiro tem sido usado desde a Antiguidade para a produção de cortiça e este produto natural apresenta um grande valor económico. As maiores ameaças contudo, são enfrentadas pelas populações naturais e marginais, que muitas vezes são pequenas e se encontram dispersas e em habitats restritos. Muitas destas populações podem estar em risco de desaparecer, principalmente devido à falta de regeneração. Devido ao seu valor económico e também porque os espaços florestais de sobro são reservatórios de biodiversidade e abrigo para uma grande variedade de espécies ameaçadas de extinção, estas populações representam material importante para estudos genéticos que possam servir de base ao delineamento de programas de conservação. Assim sendo, é necessário fortalecer e aumentar o conhecimento da organização espacial da variação genética da espécie, para assim se poder tomar decisões conscientes e informadas sobre a conservação dos recursos genéticos. Os estudos filogeográficos em Quercus suber têm sido pouco aprofundados e alguns até inconclusivos. Isto leva a que não haja uma boa compreensão da história evolutiva da espécie, muito provavelmente devido ao número limitado de áreas amostradas ou o baixo conteúdo informativo dos marcadores usados. Por exemplo, nos estudos que envolveram populações Portuguesas, foram feitas inferências com base numa amostragem deficiente de Portugal, e sendo esta uma das regiões mais relevantes na história presente e passada do sobreiro, é necessária uma maior cobertura da área de distribuição, incluindo algumas zonas referidas como potenciais zonas de refúgios glaciais para outras espécies. Por outro lado, uma vez que a maioria dos estudos filogeográficos são suportados por dados derivados do DNA cloroplastidial (cpDNA) (PCR-RFLPs e SSRs), deve considerar-se se outras abordagens moleculares ou marcadores genéticos, que evoluam a taxas mais rápidas que o cpDNA não indicariam um cenário evolutivo diferente. Esta tese de mestrado propõe uma abordagem diferente dos estudos anteriores, complementando dados obtidos a partir de DNA cloroplastidial e nuclear. Esta abordagem nunca foi aplicada ao sobreiro, e espera-se que possa adicionar informação filogeográfica relevante. Mais especificamente os objectivos deste trabalho foram: 1. Inferir a história evolutiva e os padrões demográficos de Quercus suber; 2. Explorar os padrões de hibridação e introgressão do sobreiro com outras espécies de Quercus; 3. Avaliar os níveis de diversidade e diferenciação entre e dentro de algumas populações chave de sobreiro. A sequenciação de vários fragmentos permitiu inferir alguns detalhes sobre a história evolutiva da espécie. O tradicional cpDNA foi seleccionado para sequenciação de 3 regiões inter-génicas (TrnL-F, TrnS-PsbC e TrnH-PsbA), num total de 148 amostras provenientes de 26 populações. No entanto, e porque inferências filogeográficas baseadas num único tipo de marcador não-recombinante pode dar informações erróneas sobre a história evolutiva da espécie, o genoma nuclear (nuDNA) também foi explorado com a sequenciação de um gene candidato potencialmente envolvido no stress osmótico (EST 2T13), em 104 amostras provenientes das mesmas 26 populações. Para ambos os conjuntos de dados foram detectadas duas linhagens presentes em sobreiro. Uma linhagem, a “linhagem pura”, parece praticamente exclusiva do sobreiro e divide-se em três sub-linhagens possivelmente resultantes de três zonas de refúgio, sendo uma predominante na zona Oeste do Mediterrâneo, e as outras duas na zona Este do Mediterrâneo. A outra linhagem aparece associada a Quercus ilex (azinheira) e Quercus coccifera (carrasco) e foi apelidada de “linhagem introgredida”. Esta linhagem parece resultar de vários fenómenos de hibridação e introgressão com Quercus ilex. A análise combinada das sequências do cpDNA e nuDNA sugere que esta introgressão aconteceu em ambos os sentidos entre as duas espécies, assim como sugere que estes eventos foram frequentes e consecutivos durante um período de tempo. Finalmente, microssatélites nucleares, derivados de ESTs (Expressed Sequence Tags) (EST-SSRs) e anónimos (nuSSRs), permitiram obter uma perspectiva dos padrões de diversidade genética e estrutura populacional do sobreiro. Numa primeira fase foi possível estabelecer os EST-SSRs como marcadores válidos no sobreiro, contrariando a ideia de que os EST-SSRs tendem a ser pouco polimórficos. Posteriormente, uma análise combinada destes dois marcadores (5 EST-SSRs e 3 nuSSRs) em 379 indivíduos provenientes de 13 populações detectou uma diversidade genética relativamente baixa, mas altamente significativa. Apesar de não ter sido detectada estrutura populacional nas populações Portuguesas, aparecendo em conjunto num grupo populacional, verifica-se uma tendência para considerar a Catalunha (Espanha) como uma das populações mais diferenciadas. No geral os objectivos do trabalho foram cumpridos, esclarecendo alguns pontos da filogeografia e história evolutiva do sobreiro. A introdução dos novos marcadores moleculares foi claramente informativa, revelando novos aspectos inesperados acerca dos padrões genéticos da espécie e assim o gerar de hipóteses explicativas completamente novas em sobreiro.
Cork oak (Quercus suber L.) is one of the most important tree species, economically but also ecologically, in the Western Mediterranean region. Consequently there is an enormous interest in understanding the evolutionary history and current population structure in cork oak. Although some details on the genetic divergence of cork oak populations have been uncovered, it is most probable that a different and complementary analysis of chloroplastidial and nuclear DNA markers (cpDNA and nuDNA) can bring additional phylogeographical relevant information. So far, no one has attempted the molecular approach proposed in the present study for cork oak by combining cpDNA and nuDNA sequence variation and also anonymous nuclear microsatellites (nuSSRs) and EST-derived (Expressed Sequence Tags) (EST-SSRs) polymorphism data to infer phylogeographical patterns and history, possible glacial refuges, diversity levels and geographic structure. A genetic survey was conducted sampling populations throughout the entire distribution range of the species. Genetic diversity was monitored at 8 nuclear microsatellite loci (3 EST-SSRs and 5 nuSSRs) in 379 individuals derived from 13 populations, and at 4 DNA sequences (3 cpDNA intergenic spacer regions and 1 osmotic-stress related candidate gene) in 148 samples from 26 populations. DNA sequences, of both cpDNA and nuDNA, confirmed two main lineages of cork oak haplotypes, the first named as pure lineage (mostly exclusive of cork oak but also shared with Q. cerris) and the second as introgressed lineage (shared with Q. ilex and Q. coccifera). However, sequences of the cpDNA show the complexity of the introgressed lineage, apparently indicating that these events of hybridization and introgression may have happened frequently and consecutively over a period of time. The theory of cork oak refugia over the last glaciations was also revisited (over the pure lineage of the cpDNA haplotypes) and three major haplotypes were detected, reflecting three possible refuge areas. Finally, with the microsatellite data, population differentiation was low but rather significant and the geographic subdivisions that could be defined isolated the Portuguese populations in one cluster, further characterizing the Catalonia (Spain) population as possibly the most differentiated population.
Cork oak (Quercus suber L.) is one of the most important tree species, economically but also ecologically, in the Western Mediterranean region. Consequently there is an enormous interest in understanding the evolutionary history and current population structure in cork oak. Although some details on the genetic divergence of cork oak populations have been uncovered, it is most probable that a different and complementary analysis of chloroplastidial and nuclear DNA markers (cpDNA and nuDNA) can bring additional phylogeographical relevant information. So far, no one has attempted the molecular approach proposed in the present study for cork oak by combining cpDNA and nuDNA sequence variation and also anonymous nuclear microsatellites (nuSSRs) and EST-derived (Expressed Sequence Tags) (EST-SSRs) polymorphism data to infer phylogeographical patterns and history, possible glacial refuges, diversity levels and geographic structure. A genetic survey was conducted sampling populations throughout the entire distribution range of the species. Genetic diversity was monitored at 8 nuclear microsatellite loci (3 EST-SSRs and 5 nuSSRs) in 379 individuals derived from 13 populations, and at 4 DNA sequences (3 cpDNA intergenic spacer regions and 1 osmotic-stress related candidate gene) in 148 samples from 26 populations. DNA sequences, of both cpDNA and nuDNA, confirmed two main lineages of cork oak haplotypes, the first named as pure lineage (mostly exclusive of cork oak but also shared with Q. cerris) and the second as introgressed lineage (shared with Q. ilex and Q. coccifera). However, sequences of the cpDNA show the complexity of the introgressed lineage, apparently indicating that these events of hybridization and introgression may have happened frequently and consecutively over a period of time. The theory of cork oak refugia over the last glaciations was also revisited (over the pure lineage of the cpDNA haplotypes) and three major haplotypes were detected, reflecting three possible refuge areas. Finally, with the microsatellite data, population differentiation was low but rather significant and the geographic subdivisions that could be defined isolated the Portuguese populations in one cluster, further characterizing the Catalonia (Spain) population as possibly the most differentiated population.
Descrição
Tese de mestrado. Biologia (Biologia Humana e Ambiente). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2011
Palavras-chave
Quercus suber Microssatélites Hibridação Teses de mestrado - 2011