Evolução molecular em Bambusoideae Luerss. (Poaceae Barnhart): taxonomia molecular e caracterização de genoma plastidial de espécies nativas

Abstract

INTRODUÇÃO: A subfamília Bambusoideae (Poaceae) são gramíneas perenes de rápido crescimento, e reconhecidas como a única linhagem da família com diversificação em hábitats florestais, com mais de 1680 espécies distribuídas entre as tribos Olyreae (herbáceos), Arundinarieae (lignificados de clima temperado) e Bambuseae (lignificados de clima tropical). Os bambus desempenham papéis socioeconômicos em escala mundial, e que acompanhou o desenvolvimento de civilizações ancestrais como relevantes recursos florestais não-madeireiros. Através dos efeitos de manutenção do solo e interação com outras espécies de organismos, os bambus são essenciais componentes para a modulação e estruturação florestal. O Brasil abriga uma das maiores taxas de diversidade de espécies de bambus, cuja ocorrência preferencial acontece nos ameaçados domínios Mata Atlântica e Amazônia. A identificação de espécies, que acompanha a taxonomia clássica, é um dos principais desafios no estudo dos bambus, especialmente devido às raras descrições de eventos de floração e variabilidade morfológica numa mesma espécie. Ainda, considerando a diversidade específica dos bambus no Brasil e o grau de ameaça aos seus principais domínios de ocorrência, a identificação de regiões genômicas altamente polimórficas são ferramentas essenciais para a inferência evolutiva deste grupo pouco estudado. OBJETIVOS: A presente tese tem como objetivo caracterizar padrões evolutivos na subfamília Bambusoideae em larga escala, com ênfase na identificação de espécies por DNA barcoding, bem como pela obtenção de sequências completas de genomas plastidiais e identificação de regiões genômicas altamente informativas. METODOLOGIA: No Capítulo 1 da presente tese, foram testadas cinco regiões do genoma plastidial candidatas à barcode em Bambusoideae ? rbcL, matK, psbK-psbI, rpl32-trnL e trnHpsbA. O grau de variabilidade nucleotídica e poder discriminatório a nível de espécie foi testado em larga escala pela abordagem filogenética, foi avaliado individualmente e em conjunto. No Capítulo 2, foram obtidas as sequências completas do genoma plastidial de três espécies neotropicais ? Guadua trinii, Parodiolyra micrantha e Apoclada simplex ? cujos padrões evolutivos e regiões polimórficas foram identificados dentre os respectivos grupos. RESULTADOS e DISCUSSÃO: No Capítulo I, foram geradas 365 novas sequências com 100% de sucesso de amplificação e alta qualidade de sequenciamento, atendendo aos princípios de minimalismo e escalabilidade. As regiões psbK-psbI e rpl32-trnL apresentaram maiores taxas de variabilidade nucleotídica e, consequentemente, potencial de discriminação. As topologias Bayesianas obtidas não demonstraram alto grau de resolução em nível de espécie para Bambusoideae. Esta abordagem de avaliação clássica, considerando o critério de monofilia recíproca, não considera a complexidade evolutiva do grupo estudado. No capítulo II, foram geradas as sequências completas e inéditas de três plastomas de bambus, os quais se mostraram os menores já descritos para a subfamília. Foram identificadas regiões de alta variabilidade nucleotídica, as quais podem ser empregadas na identificação de marcadores moleculares e como ferramentas de inferências evolutivas e para conservação. A conservada ordem e conteúdo gênico, em comparação aos representantes das suas respectivas subtribos, sugerem que as variações no tamanho genômico sejam decorrentes de eventos de inserção/deleção de nucleotídeos nas regiões intergênicas. Regiões de alta taxa de variabilidade nucleotídica foram identificadas nas sequências inéditas dos plastomas das três espécies, localizadas especialmente em regiões intergênicas. As informações obtidas se mostram importantes ferramentas para aplicação em análises filogenéticas e inferências evolutivas para a pouco estudada linhagem neotropical da subfamília Bambusoideae. CONSIDERAÇÕES FINAIS: A presente tese é resultado do projeto multidisciplinar e interinstitucional Tecnologias para o Desenvolvimento Sustentável da Cadeia Produtiva do Bambu no Sul do Brasil? (Chamada MCTI/AÇÃO TRANSVERSAL/CNPq N.º 66/2013). A avaliação de regiões candidatas a barcode em Bambusoideae traz a luz a aplicação desta técnica em uma ampla escala amostral, devendo considerar, essencialmente, o padrão evolutivo do grupo estudado, trazendo frágeis aplicabilidades em grupos taxonômicos complexos como Bambusoideae. Dada a grande contribuição do Brasil na distribuição dos bambus, o sequenciamento e a montagem do genoma plastidial de três espécies neotropicais nativas do Brasil permitiu a identificação de padrões evolutivos conservados, como ordem e número gênico, apesar da variação de tamanho total observada, bem como de regiões altamente polimórficas e informativas. A execução das atividades referentes à presente tese proporcionou o fortalecimento do tema de pesquisa no Laboratório de Fisiologia do Desenvolvimento e Genética Vegetal (LFDGV, UFSC), e desenvolvimento de trabalhos futuros para a compreensão dos processos evolutivos da subfamília Bambusoideae.

Abstract: Bambusoideae subfamily represents one of the most diverse among Poeaceae family, with remarkable diversification in forest habitat and worldwide distribution. More than 1680 bamboo species are currently distributed in Olyreae (herbaceous bamboos), Arundinarieae (temperate woody bamboos) and Bambuseae (tropical woody bamboos), which socioeconomic and ecological functions are undoubtably recognized. Bamboo diversification, reflected at complex life cycle and morphological patterns, is considered as result of evolutionary events as polyploidy and hybridization preceding the radiation of current lineages. Considering the evolutionary complexity which encounters the subfamily, classical taxonomy is one of the most challenging tasks in bamboos, especially due to the rare description of flowering events. Then it?s proposed, at chapter 1 on the present thesis, the test of five candidate plastidial genome regions as DNA barcode, rapid sequencing technique of informative genomic regions for species discrimination. However, the classical evaluation approach, which considers reciprocal monophyly as taxonomic criteria, don?t consider the evolutionary complexity of the group, weakening the discriminatory power of the technique applied to bamboos in a large scale. Regarding the distribution of global diversity, Brazil harbors the greatest diversity and endemism degree of neotropical species (woody and herbaceous), occurring preferentially at Atlantic Forest and Amazonia domains. Sequencing of plastidial genomes is an important tool for evolutionary inferences, especially for the less studies ones as neotropical bamboos. Chapter 2 of the present document addresses sequencing data of three bamboo species native to Brazil ? Apoclada simplex, Guadua trinii and Parodiolyra micrantha, along with comparative analysis with available plastomes of the corresponding subtribes. Despite being the smallest sequenced plastomes for bamboos, the preserved gene order and content suggests that genome size variation is due to insertion/deletion of bases in intergenic regions. Hypervariable regions were identified in the three new sequenced plastomes, which may contribute to increase resolution of phylogenetic inferences and to species identification of Neotropical bamboos.