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Publicação
Comparative demography of endangered species using genomic data
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Resumo(s)
Madagáscar, uma das áreas com maior biodiversidade do mundo, é conhecido por abrigar inúmeras
espécies endémicas, incluindo o género Microcebus (lémures-rato), um grupo de pequenos primatas.
Este género tem passado por um processo de diversificação significativa, resultando no reconhecimento
de mais de 20 espécies ao longo das últimas décadas. Estes lémures-rato habitam diversas regiões da
ilha e apresentam uma variedade de adaptações ecológicas, sendo uma peça central para a conservação
da biodiversidade de Madagáscar. Este estudo centra-se em três espécies: Microcebus arnholdi,
Microcebus tavaratra, e Microcebus murinus, que foram selecionadas devido aos seus diferentes nichos
ecológicos, distribuições geográficas, e relevância para os esforços de conservação. O objetivo principal
desta tese é reconstruir as suas histórias demográficas e estruturas populacionais com base em dados
genómicos, avaliando como a conectividade entre populações e o fluxo génico mudaram ao longo do
tempo.
Para tal, este trabalho utiliza duas abordagens principais: o método Pairwise Sequentially Markovian
Coalescent (PSMC) e o Structured Non-stationary Inference Framework (SNIF). O PSMC,
desenvolvido por Li e Durbin em 2011, é uma ferramenta que permite modelar o tamanho efetivo de
uma população ao longo do tempo com base nos tempos de coalescência inferidos a partir dos genomas
de indivíduos diploides. Este método é particularmente útil para estimar eventos demográficos, como
expansões populacionais ou bottlenecks genéticos. No entanto, o PSMC depende de genomas de alta
qualidade para inferir a história demográfica e, quando se utilizam genomas de espécies relacionadas,
podem surgir enviesamentos que afetam a precisão das inferências.
Para melhorar as inferências do PSMC, esta tese utiliza o SNIF, uma ferramenta mais recente
introduzida por Arredondo et al. em 2021, que tem em conta a estrutura populacional das espécies. O
SNIF ajusta um modelo n-island, que divide a população em várias subpopulações (ou ilhas/demes),
permitindo a estimação de variações nas taxas de migração e mudanças na conectividade ao longo do
tempo. Desta forma, o SNIF oferece uma análise mais detalhada da estrutura populacional, permitindo
inferir eventos demográficos complexos que o PSMC tradicional poderia não detetar.
Os resultados desta tese revelam padrões demográficos distintos entre as três espécies estudadas.
Microcebus arnholdi, uma espécie microendémica restrita à região montanhosa e húmida da Montagne
d’Ambre, no norte de Madagáscar, apresenta uma história de declínio acentuado no fluxo génico, que
começou por volta de 500 mil anos atrás. Este declínio é provavelmente consequência de mudanças
climáticas e de fragmentação do habitat, possivelmente associadas à atividade vulcânica na região norte
de Madagáscar. As erupções vulcânicas no Norte, que criaram a Província Alcalina de Madagáscar do
Norte, formaram terrenos férteis e habitats favoráveis ao desenvolvimento de florestas húmidas, onde
M. arnholdi se adaptou e especializou-se. Este isolamento geográfico e a especialização ecológica desta
espécie podem explicar a sua história demográfica distinta, marcada por uma redução mais precoce na
conectividade em comparação com outras espécies.
Por outro lado, Microcebus murinus, uma espécie com uma distribuição mais ampla em florestas secas
no oeste de Madagáscar, mostra um padrão diferente. Embora também tenha sofrido um declínio na
conectividade por volta de 500 mil anos atrás, este declínio foi menos acentuado e o fluxo génico foi
mantido por um período mais longo. Isto sugere que M. murinus teve uma maior capacidade de
adaptação a diferentes condições ambientais e que as florestas secas do oeste de Madagáscar
proporcionaram habitats mais estáveis durante as mudanças climáticas ocorridas no Pleistoceno. Microcebus tavaratra, que habita as florestas secas do norte de Madagáscar, apresenta uma história
demográfica ainda mais complexa. O declínio no fluxo génico desta espécie ocorreu mais tardiamente,
entre 200 mil e 300 mil anos atrás, o que sugere que ela foi inicialmente menos afetada pelas pressões
ambientais que impactaram outras espécies. Esta diferença temporal no declínio da conectividade pode
ser explicada pela ampla distribuição geográfica de M. tavaratra e pela maior estabilidade dos seus
habitats em comparação com as áreas de florestas húmidas. Além disso, a diversidade genética
relativamente elevada observada em M. tavaratra pode estar associada ao seu maior tamanho
populacional e distribuição mais ampla, o que lhe permitiu manter uma maior conectividade durante
períodos de mudanças ambientais.
O uso do SNIF permitiu a identificação de eventos demográficos específicos e mudanças na
conectividade que não foram capturadas com o PSMC sozinho. Por exemplo, o SNIF foi capaz de inferir
o número de subpopulações, ou demes, e as mudanças nas taxas de migração entre estas ao longo do
tempo, oferecendo uma visão mais detalhada de como as pressões ambientais e o isolamento geográfico
moldaram a evolução destas espécies. A comparação entre as inferências feitas com o SNIF e os dados
paleoclimáticos também ajudou a identificar potenciais correlações entre eventos demográficos e
mudanças climáticas em Madagáscar.
Contudo, este estudo também destaca os desafios associados ao uso de dados genómicos em organismos
não-modelo, como Microcebus. Uma das principais dificuldades encontradas foi a falta de genomas de
referência de alta qualidade para espécies como M. arnholdi e M. tavaratra. A utilização de genomas
de espécies relacionadas, como M. murinus, introduz enviesamentos nas inferências demográficas, uma
vez que a divergência filogenética entre as espécies pode distorcer os resultados. Para mitigar esses
problemas, esta tese utilizou alinhamentos de novo específicas para estas espécies, o que melhorou a
precisão das inferências demográficas.
Apesar destas limitações, os resultados apresentados nesta tese têm implicações importantes para a
biologia da conservação. As inferências sobre a estrutura populacional e as mudanças na conectividade
ao longo do tempo fornecem informações críticas para os esforços de conservação, particularmente em
regiões como Madagáscar, onde a fragmentação do habitat e a perda de biodiversidade são questões
prementes. O conhecimento sobre as histórias demográficas das espécies de Microcebus pode ajudar a
identificar populações em risco e orientar as estratégias de conservação, como a criação de áreas
protegidas e a gestão da fragmentação do habitat.
Além disso, o SNIF demonstrou ser uma ferramenta poderosa para inferir padrões demográficos
complexos, permitindo uma análise mais robusta da dinâmica populacional de espécies ameaçadas. A
sua capacidade de modelar estruturas populacionais non-stationary e modelar também mudanças na
conectividade oferece uma nova perspetiva sobre como as espécies responderam às pressões ambientais
ao longo do tempo. No futuro, o uso de genomas de alta qualidade ou alinhamentos de novo com maior
qualidade poderão contribuir para melhorar ainda mais a precisão destas inferências, permitindo uma
compreensão mais completa das histórias evolutivas das espécies de Microcebus.
Em suma, esta tese contribui significativamente para o campo da genómica populacional ao aplicar
ferramentas inovadoras, como o SNIF, para estudar a estrutura populacional de espécies não-modelo.
Os resultados avançam o conhecimento sobre as dinâmicas populacionais de Microcebus e oferecem
um quadro para estudos futuros em outros organismos. Ao alinhar dados genómicos com registos
paleoclimáticos, este trabalho de investigação evidencia uma ligação entre a diversidade genética e as mudanças ambientais, destacando os fatores que impulsionam a evolução das espécies em ecossistemas
isolados como o de Madagáscar.
Assim, as descobertas desta tese não apenas ampliam a nossa compreensão da história evolutiva das
espécies de Microcebus, mas também oferecem informações valiosas para a conservação da
biodiversidade única de Madagáscar. A aplicação de ferramentas genómicas para estudar a estrutura e
conectividade populacional representa um passo importante para o desenvolvimento de estratégias de
conservação mais eficazes e para a proteção dos habitats destas espécies ameaçadas.
Madagascar, a biodiversity hotspot, is home to Microcebus (mouse lemurs), with over 20 species. This study focuses on three species: Microcebus arnholdi, M. tavaratra, and M. murinus, selected for their distinct ecological niches and conservation importance. Using genomic data, the research reconstructs their demographic histories, assessing changes in gene flow and connectivity over time. The study employs the Pairwise Sequentially Markovian Coalescent (PSMC) and the Structured Nonstationary Inference Framework (SNIF). PSMC models effective population size from genomic data, while SNIF incorporates population structure, accounting for migration and connectivity shifts. SNIF offers a more detailed analysis of demographic changes, revealing shifts that PSMC alone might miss, and estimates subpopulation sizes, migration rates, and connectivity patterns, providing insights into how environmental factors and geographic isolation have influenced lemur evolution. A key challenge is the absence of high-quality reference genomes for M. arnholdi and M. tavaratra, complicating the use of alignment-based methods like PSMC. To improve accuracy, the study uses de novo assemblies, though some biases persist, especially when using M. murinus as a reference. The results indicate differing demographic patterns. M. arnholdi, confined to Montagne d’Ambre, experienced a significant decline in gene flow around 500,000 years ago, likely due to climatic changes. M. murinus also shows reduced connectivity but maintained gene flow for longer. M. tavaratra, inhabiting drier northern forests, saw a delayed reduction in gene flow around 300,000 years ago, possibly due to distinct ecological pressures. Its higher genetic diversity may be linked to its broader distribution. This research demonstrates the utility of SNIF in conservation genomics, offering insights into population structure and connectivity changes, advancing conservation strategies for these species of mouse lemurs.
Madagascar, a biodiversity hotspot, is home to Microcebus (mouse lemurs), with over 20 species. This study focuses on three species: Microcebus arnholdi, M. tavaratra, and M. murinus, selected for their distinct ecological niches and conservation importance. Using genomic data, the research reconstructs their demographic histories, assessing changes in gene flow and connectivity over time. The study employs the Pairwise Sequentially Markovian Coalescent (PSMC) and the Structured Nonstationary Inference Framework (SNIF). PSMC models effective population size from genomic data, while SNIF incorporates population structure, accounting for migration and connectivity shifts. SNIF offers a more detailed analysis of demographic changes, revealing shifts that PSMC alone might miss, and estimates subpopulation sizes, migration rates, and connectivity patterns, providing insights into how environmental factors and geographic isolation have influenced lemur evolution. A key challenge is the absence of high-quality reference genomes for M. arnholdi and M. tavaratra, complicating the use of alignment-based methods like PSMC. To improve accuracy, the study uses de novo assemblies, though some biases persist, especially when using M. murinus as a reference. The results indicate differing demographic patterns. M. arnholdi, confined to Montagne d’Ambre, experienced a significant decline in gene flow around 500,000 years ago, likely due to climatic changes. M. murinus also shows reduced connectivity but maintained gene flow for longer. M. tavaratra, inhabiting drier northern forests, saw a delayed reduction in gene flow around 300,000 years ago, possibly due to distinct ecological pressures. Its higher genetic diversity may be linked to its broader distribution. This research demonstrates the utility of SNIF in conservation genomics, offering insights into population structure and connectivity changes, advancing conservation strategies for these species of mouse lemurs.
Descrição
Tese de Mestrado, Biologia Evolutiva e do Desenvolvimento, 2024, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Lémures-rato Genómica populacional História demográfica Alterações na conectividade Biologia da conservação Teses de mestrado - 2024