Phylogeography and historical demography of Oceanodroma castro and Ocenodroma monteiroi: contrasting anonymous nuclear and mitochondrial loci

• Author(s): Silva, Mauro Feliz da, 1989-
• Date: 2012
• Persistent ID: http://hdl.handle.net/10451/7401
• Origin: Repositório da Universidade de Lisboa
• Subject(s): Aves; Filogeografia; Demografia; Genética das populações; Teses de mestrado - 2012
• Document Type: Master thesis
• Language: English
• Advisor(s): Correia, Mónica Sérvulo; Coelho, Maria Manuela, 1954-
• Contributor(s): Repositório da Universidade de Lisboa

Description

Tese de mestrado. Biologia (Biologia da Conservação). Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2012

Phylogeography has proved to be a powerful tool for understanding the origin, dispersal and geographic structure of taxa over time and space based on the evolutionary genetic footprints left by historical processes. Taking advantage of recent coalescent based methods, the phylogeography and historical demography of two Procellariiformes species, Oceanodroma castro (sampled from the Azores, Madeira, Galapagos and Japan) and Oceanodroma monteiroi (sampled from Azores), are studied using a multi-locus approach based on 12 nuclear anonymous loci and a previously surveyed mitochondrial locus (Control Region). Despite lower structuring levels of the anonymous loci (ΦST nuclear= 0.43, P < 0.0001) relative to the Control Region (ΦST Control Region= 0.76, P < 0.0001), they were informative and also suggested that all populations are genetically differentiated. Furthermore, the nuclear loci uncovered an ancestral relationship between O. castro population from Japan and O. monteiroi that was not detected by the mitochondrial locus. Multi-locus coalescent analyses suggested that all the divergence events (except between O. castro populations from NE Atlantic archipelagos) occurred within the Pleistocene. Significant levels of gene flow are unlikely to have occurred during the diversification process, even within ocean basins, supporting that factors other than geological barriers, such as paleo-oceanographical conditions, phylopatry and specialization to foraging/non-breeding areas, act as important mechanisms of population divergence in pelagic seabirds. Considering the increasing threats affecting seabirds and the genetic uniqueness of each population, results from this work reinforce the importance of conservation efforts, not only directed to the nesting habitats, but also to the non-breeding areas of O. castro and O. monteiroi.

A filogeografia tem por objectivo explicar padrões de distribuição espaciais e temporais de linhagens genéticas de uma espécie ou de espécies filogeneticamente relacionadas. Por outras palavras, procura perceber que factores, físicos ou não, influenciaram ou influenciam a divergência das diferentes linhagens, identificadas e caracterizadas através da análise de marcadores moleculares que vão “registando” as alterações genéticas deixadas por esses eventos (Avise 2000). Até há pouco tempo grande parte dos estudos filogeográficos eram realizados a partir de um único marcador: a molécula de DNA mitocondrial (mt). O mtDNA, por representar um efectivo populacional inferior ao efectivo representado por um locus autossomal nuclear, é um marcador muito útil, principalmente em casos de divergência recente, uma vez que as alterações genéticas que ocorrem ao longo da evolução são fixas muito mais rapidamente e, na ausência de fluxo genético, a variação entre populações é maximizada. No entanto, representa a variação equivalente a um só locus e reflecte apenas a demografia das fémeas (Avise 2000). As análises single-locus acarretam ou podem acarretar problemas neste tipo de estudos. Cada locus tem uma assinatura genética particular e que, por essa razão, pode diferir de um locus para outro no caso de serem independentes. Consequentemente, a genealogia que deriva apenas de um único gene pode não reflectir a verdadeira história evolutiva de uma espécie ou de espécies filogeneticamente próximas entre si. A análise de vários genes independentes torna-se, portanto, essencial. Deste modo, a filogeografia tem-se expandindo no sentido de incorporar as análises multi-locus para complementar a informação obtida a partir do genoma mitocondrial e melhor caracterizar os processos evolutivos (Avise 2009). As aves marinhas pelágicas (Procelariformes) constituem modelos de interesse para testar hipóteses relativas aos mecanismos de divergência populacional que originam os padrões filogeográficos observados no meio marinho. Se por um lado são espécies de grande capacidade dispersiva, por outro, tendem a ser filopátricas e a não sobrevoar terra. Apesar deste tipo de estudos ser comum em aves marinhas de latitudes elevadas, estudos com o objectivo de caracterizar e perceber os padrões de divergência histórica de aves marinhas tropicais e subtropicais são menos frequentes (Smith et al. 2007). O Paínho da Madeira (Oceanodroma castro) é uma ave pertencente à ordem Procellariiformes que ocorre nas regiões tropicais e subtropicais dos oceanos Pacífico e Atlântico. Nidica em pequenos ilhéus localizados em diferentes arquipélagos, sendo que em alguns locais de nidificação, como no caso dos Azores, da Madeira e das Galápagos, existem duas populações a nidicar nos mesmos ilhéus, mas em alturas diferentes do ano. Fora do período reprodutor dispersam pelos oceanos à procura de alimento e, embora a sua distribuição nessas alturas seja maioritariamente desconhecida, esta parece depender fortemente da localização de locais de produtividade oceânica (Haney 1985). Morfologicamente as diferentes populações parecem diferir ligeiramente (o que levou à discussão e proposta da existência de diferentes subespécies), enquanto que, geneticamente, estudos filogeográficos globais recentes baseados num locus mitoconodrial (Região de Controlo) e em microsatélites, revelaram que as populações dos diferentes arquipélagos se encontram diferenciadas entre si, sendo inclusivamente possível, diferenciar a maioria das populacões que ocorrem em simpatria (Smith et al. 2007; Friesen et al. 2007). Nos Açores, devido a pronunciadas diferenças genéticas, morfológicas e ao nível das vocalizações, as populações nidificantes no arquipélago durante o Verão foram classificadas como pertencentes a uma nova espécie: o Painho de Monteiro (Oceanodroma monteiroi) (Bolton et al. 2008). Este trabalho tem como objectivo o estudo filogeográfico e demográfico de 4 populações O. castro (Azores, Madeira, Galápagos e Japão) e de uma população pertencente à espécie O. monteiroi, utilizando e comparando 12 loci nucleares anónimos e o locus mitocondrial, previamente analisado em estudos anteriores (Smith et al. 2007; Friesen et al. 2007). Mais especificamente visa a caracterização dos loci nucleares anónimos e identificação da estrutura populacional/grupos evolutivos por estes sugerida, procura inferir a história evolutiva das diferentes populações amostradas a partir da informação conjunta de todos os loci e determinar que importância têm os diferentes grupos em termos de conservação. Através de análises de polimorfismo verificou-se que os loci anónimos têm, em média, 24 posições variáveis (correspondendo a aproximadamente 4 posições polimórficas a cada 100 pares de bases), existindo, no entanto, uma grande variação entre loci. Os níveis de diversidade genética médios (π = 0.0051±0.0003) são aproximadamente uma ordem de grandeza inferiores aos estimados para a Região de Controlo (π = 0.0408±0.0016), embora comparáveis aos encontrados em loci nucleares anónimos isolados em outras espécies de aves (Jennings e Edwards 2005; Lee e Edwards 2008; Silva et al. 2011). Atendendo às análises de estrutura populacional conclui-se que a variação que deriva dos loci nucleares anónimos sugere níveis de estrutura genética inferiores aos obtidos pela Região de Controlo (ΦST nuclear= 0.43, P < 0.0001, ΦST Região de Controlo= 0.76, P < 0.0001), provavelmente devido ao reduzido polimorfismo de alguns loci e ao sorting de alelos ocorrer, duma forma geral, mais lentamente no genoma nuclear. No entanto, verificou-se que, tal como para o locus mitocondrial, todas as populações são diferenciadas geneticamente. Mais importante, os loci nucleares anónimos parecem indicar uma relação ancestral entre a população O. castro do Japão e O. monteiroi que já não está presente no locus mitocondrial, reforçando, desta forma, a importância da abordagem multi-locus e, em particular, da utilização de loci nucleares. Através da análise conjunta de todos os loci estima-se que a maioria dos eventos de divergência tenham ocorrido durante o Pleistocénico (1.6 – 0.01 ma). A divergência entre o grupo de populações do Pacífico e o grupo do NE Atlântico (populações O. castro e O. monteiroi) terá sido a primeira a ocorrer. Posteriormente terá ocorrido a divergência das populações do Pacífico (Galápagos e Japão), assim como a da população O. monteiroi dentro do grupo do NE Atlântico. As populações O. castro dos Açores e Madeira parecem apenas ter divergido muito recentemente, após o fim da última glaciação (10 000 anos atrás). Apesar das estimativas dos tempos de divergência não serem precisas o suficiente para relacioná-las com os ciclos glaciares ou interglaciares do Pleistocénico, a ausência de alterações demográficas no passado (e.g. bottlenecks), parece suportar a hipótese das fases glaciares não terem sido tão dramáticas como foram para aves marinhas de elevadas latitudes. De facto, poderão até ter tido um efeito benéfico para aves de distribuição tropical e subtropical, uma vez que a redução do nível do mar e a maior ocorrência de zonas de produtividade oceânica associada às baixas temperaturas terão promovido o aumento de potenciais locais de nidificação, bem como de oportunidades de alimento (Smith et al. 2007). Segundo o modelo de Isolamento com Migração, implementado através do programa IMa2 (Hey e Nielsen 2007), o processo de divergência para a maioria das populações ocorreu na ausência de fluxo genético. A estrutura genética entre populações do mesmo oceano sugere que a existência de barreiras geológicas, nomeadamente o Istmo do Panamá, terá tido um papel secundário no processo de diferenciação e que factores como a filopatria, a época de nidificação, a proximidade das diferentes colónias ou a dispersão específica para determinadas áreas dos oceanos fora do período reprodutor poderão ter sido, de facto, preponderantes (Smith et al. 2007). Em termos de conservação e, segundo a estrutura populacional encontrada, é então sugerido que se considerem as populações O. castro do Pacífico como pertencentes a Unidades de Evolução Independentes (ESUs) (sensus Moritz 2004). As populações O. castro do NE Atlântico, devido à baixa diferenciação entre si e ao fluxo genético estimado, parecem ainda fazer parte do mesmo grupo evolutivo, pelo que as duas populações devem apenas ser tratadas como Unidades de Gestão (MUs) separadas. Tendo em conta as crescentes ameaças que afectam as aves marinhas e, em particular, o impacto que têm no grupo dos Procelariformes, é crucial que medidas de conservação sejam aplicadas, não só ao nível dos habitats de nidificação, mas também das áreas de ocorrência fora do período reprodutor das populações. Especial atenção deve ser dada à espécie O. monteiroi, uma vez que é endémica do arquipélago dos Açores e que a discrepância entre o efectivo populacional estimado (~20 000 indivíduos) e os census realizados (~300 casais) parece suportar a existência da forte redução populacional descrita em Bolton et al. (2008), ocorrida muito recentemente.