Chromosome structure and behaviour in Bursaphelenchus xylophilus (Nematoda: Parasitaphelenchidae) germ cells and early embryo

Chromosome structure and behaviour in both meiosis of the germ cells and mitosis of the embryo from fertilisation to the two-cell stage in Bursaphelenchus xylophilus were examined by DAPI staining and three-dimensional reconstruction of serial-section images from confocal laser-scanning microscopy. By this method, each chromosome’s shape and behaviour were clearly visible in early embryogenesis from fertilisation through the formation and fusion of the male and female pronuclei to the first mitotic division. The male pronucleus was bigger than that of the female, although the oocyte is larger and richer in nutrients than the sperm. From the shape of the separating chromosomes at anaphase, the mitotic chromosomes appeared to be polycentric or holocentric rather than monocentric. Each chromosome was clearly distinguishable in the male and female germ cells, pronuclei of the one-cell stage embryo, and the early embryonic nuclei. The haploid number of chromosomes (N) was six (2n = 12), and all chromosomes appeared similar. The chromosome pair containing the ribosomal RNA-coding site was visualised by fluorescence in situ hybridisation. Unlike the sex determination system in Caenorhabditis elegans (XX in hermaphrodite and XO in male), the system for B. xylophilus may consist of an XX female and an XY male.

Determinant factors for the use of imposex in TBT pollution monitoring

Os compostos de tributilestanho (TBT) foram utilizados como biocidas em tintas antivegetativas (AV) e amplamente aplicados, durante décadas, de forma a evitar a bioincrustação em superfícies submersas, principalmente em cascos de embarcações. Os seus efeitos deletérios em organismos não-alvo tornaram-se evidentes após o aparecimento de gastrópodes prosobrâquios com imposex – sobreposição de caracteres sexuais masculinos sobre o tracto reprodutivo das fêmeas. Desde então, a expressão do imposex em prosobrânquios tem sido amplamente utilizada como biomarcador da poluição por TBT. Um dos objectivos da presente tese é avaliar se as mais recentes restrições legais na utilização das tintas AV com compostos organoestânicos (OTs) resultaram numa redução da poluição pelos mesmos na costa continental Portuguesa. Para tal, foi levada a cabo a análise da variação temporal do imposex como biomarcador dos níveis ambientais de TBT e a validação de procedimentos, de modo a seguir de forma precisa a evolução da intensidade deste fenómeno ao longo do tempo. O trabalho de investigação teve início no momento em que a ineficácia da legislação anterior (Directiva 89/677/CEE) na redução da poluição por TBT no litoral Português era reportada na literatura e quando estavam já agendados instrumentos decisivos para a diminuição definitiva deste tipo de poluição: o Regulamento (CE) N.º 782/2003 do Parlamento e do Conselho da União Europeia (UE) que bania as tintas AV baseadas em TBT na sua frota a partir de 1 de Julho de 2003; a "Convenção Internacional sobre o Controlo de Sistemas Antivegetativos Nocivos em Navios” (Convenção AFS), adoptada em 2001 pela Organização Marítima Internacional (OMI), que procurava erradicar os OTs da frota mundial até 2008. Os níveis de imposex e as concentrações de OTs nos tecidos de fêmeas de Nucella lapillus foram medidos em 17 locais de amostragem ao longo da costa Portuguesa em 2003, a fim de se avaliarem os impactos do TBT nas populações desta espécie e de se criar uma base de dados para seguir a sua evolução futura. O índice da sequência do vaso deferente (VDSI), o índice do tamanho relativo do pénis (RPSI) e a percentagem de fêmeas afectadas por imposex (%I) foram utilizados na medição da intensidade deste fenómeno em cada local de amostragem e os seus valores variaram entre 0,20-4,04, 0,0- 42,2% e 16,7-100,0%, respectivamente. Foram encontradas fêmeas estéreis em 3 locais de amostragem, com percentagens a variar entre 4,0 e 6,2%. As concentrações de TBT e dibutilestanho (DBT) nas fêmeas variaram respectivamente entre 23-138 e <10-62 ng Sn.g-1 de peso seco, e o conteúdo em TBT nos tecidos revelou-se significativamente correlacionado com o imposex (nomeadamente com o RPSI e o VDSI). Os níveis de expressão do fenómeno e o conteúdo em OTs nos tecidos, foram superiores na proximidade de portos, confirmando as conclusões obtidas anteriormente por outros autores de que os navios e a actividade dos estaleiros são as principais fontes destes compostos no litoral Português. As infra-estruturas associadas ás principais fontes de OTs – portos, estaleiros e marinas – estão geralmente localizadas no interior de estuários, motivo pelo qual estas áreas têm vindo a ser descritas como as mais afectadas por estes poluentes. Por esta razão, foi levado a cabo o estudo pormenorizado da poluição por TBT na Ria de Aveiro, como caso de estudo representativo da poluição por estes compostos num sistema estuarino em Portugal continental. N. lapillus foi usada como bioindicador para avaliar a tendência temporal da poluição por TBT nesta área entre 1997 e 2007. Foi registada uma diminuição da intensidade do imposex após 2003, embora as melhorias mais evidentes tenham sido observadas entre 2005 e 2007, provavelmente devido à implementação do Regulamento (CE) N.º 782/2003 que proibiu a aplicação de tintas AV com TBT em navios com a bandeira da UE. Apesar desses progressos, as análises ao conteúdo em OTs nos tecidos de fêmeas de N. lapillus e em amostras de água colhidas em 2006 indicaram contaminação recente por TBT na área de estudo, evidenciando assim a permanência de fontes de poluição. A utilização de N. lapillus como bioindicador da poluição por TBT na Ria de Aveiro apresenta algumas limitações uma vez que a espécie não ocorre nas áreas mais interiores da Ria e não vive em contacto com sedimentos. Assim, a informação obtida a partir da sua utilização como bioindicador é fundamentalmente relativa aos níveis de TBT na coluna de água. Foi então necessário recorrer a um bioindicador complementar – Hydrobia ulvae – para melhor avaliar a evolução temporal da poluição por TBT no interior deste sistema estuarino e estudar a persistência de TBT nos sedimentos. Não foi registada uma diminuição dos níveis de imposex em H. ulvae na Ria de Aveiro entre 1998 e 2007, apesar da aplicação do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Pelo contrário, houve um aumento global significativo da percentagem de fêmeas afectadas por imposex e um ligeiro aumento do VDSI, contrastando com o que tem sido descrito para outros bioindicadores na Ria de Aveiro no mesmo período. Estes resultados mostram que a diferente biologia/ecologia das espécies indicadoras determina vias distintas de acumulação de TBT, apontando a importância da escolha do bioindicador dependendo do compartimento a ser monitorizado (sedimento versus água). A ingestão de sedimento como hábito alimentar em H. ulvae foi discutida como sendo a razão para a escolha da espécie como indicadora da contaminação dos sedimentos por TBT. Foram também estudados os métodos mais fiáveis para reduzir a influência de variáveis críticas na medição dos níveis de imposex em H. ulvae. As comparações de parâmetros do imposex baseados em medições do pénis devem ser sempre realizadas sob condições de narcotização bem standardizadas uma vez que este procedimento provoca um aumento significativo do comprimento do pénis (PL) em ambos os sexos. O VDSI, a % e o PL em ambos os sexos revelaram ser fortemente influenciados pelo tamanho dos espécimes: a utilização de fêmeas mais pequenas conduz à subestimação do VDSI, da %I e do PL, enquanto que diferenças no tamanho dos machos provocam variações no índice do comprimento relativo do pénis (RPLI), independentemente dos níveis de poluição por TBT. Existe, portanto, a necessidade de controlar algumas variáveis envolvidas na análise do imposex que mostraram afectar a fiabilidade dos resultados. Uma vez que N. lapillus é o principal bioindicador dos efeitos biológicos específicos do TBT para a área da OSPAR, foi também estudada a influência de algumas variáveis na avaliação dos níveis de imposex nesta espécie, especificamente as relacionadas com o ciclo reprodutor e o tamanho dos espécimes. O estudo do ciclo reprodutor e a variação sazonal/espacial do comprimento do pénis do macho (MPL) incidiu num único local no litoral Português (Areão – região de Aveiro) de forma a avaliar se o RPSI varia sazonal e espacialmente na mesma estação de amostragem e se tais variações influenciam os resultados obtidos em programas de monitorização do imposex. Nos meses de Dezembro de 2005 a Junho de 2007, foram encontrados espécimes de N. lapillus sexualmente maturos e potencialmente aptos para a reprodução. Contudo, foi também evidente um padrão sazonal do ciclo reprodutor – o estado de desenvolvimento da gametogénese nas fêmeas variou sazonalmente e ocorreu uma diminuição do volume da glândula da cápsula e do factor de condição no final do Verão / início do Outono. Contrariamente, a gametogénese nos machos não apresentou variação sazonal significativa, embora os valores mais baixos do factor de condição, do comprimento do pénis e dos volumes de esperma e da próstata tenham também sido registados no final do Verão / início do Outono. Além disso, o MPL mostrou variar, no mesmo local de amostragem, inversamente com a distância aos ninhos de cápsulas ovígeras; um aumento dos valores do MPL foi também observado em espécimes de maior tamanho. Todas estas variações no MPL introduzem desvios nos resultados da avaliação do imposex quando é usado o RPSI. A magnitude do erro envolvido foi quantificada e revelou-se superior em locais com níveis mais elevados de poluição por TBT. Apesar do RPSI ser um índice que fornece informação importante sobre os níveis de poluição por TBT, a sua interpretação deve ser cuidadosa e realizada complementarmente com os outros índices, destacando-se o VDSI como índice mais fiável e com significado biológico mais expressivo. Novas campanhas de monitorização do imposex em N. lapillus foram realizadas ao longo da costa Portuguesa em 2006 e 2008, e os resultados subsequentemente comparados com a base de dados criada em 2003,de forma a avaliar a evolução da poluição por TBT no litoral Português naquele período. Nestes estudos foram aplicados novos procedimentos na monitorização e tratamento dos dados, de forma a minimizar a variação nos índices de avaliação do imposex induzida pelos factores acima descritos, para seguir com maior consistência a tendência da poluição por TBT entre 2003 e 2008. Foi observado um declínio global significativo na intensidade de imposex na área de estudo durante o referido período e a qualidade ecológica da costa Portuguesa, segundo os termos definidos pela Comissão OSPAR, revelou melhorias notáveis após 2003 confirmando a eficácia do Regulamento (CE) N.º 782/2003. Não obstante, as populações de N. lapillus revelaram-se ainda amplamente afectadas por imposex, tendo sido detectadas emissões de TBT na água do mar ao longo da costa em 2006, apesar da restrição anteriormente referida. Estes inputs foram atribuídos principalmente aos navios que à data ainda circulavam com tintas AV com TBT aplicadas antes de 2003, uma vez que a sua utilização nas embarcações foi apenas proibida em 2008. Considerando que o Regulamento (CE) N.º 782/2003 constitui uma antecipação da proibição global da OMI que entrou em vigor em Setembro de 2008, prevê-se, por analogia, que haja uma rápida diminuição da poluição por TBT à escala mundial num futuro próximo. Na sequência desta previsão, é apresentada uma discussão teórica preliminar relativamente ás possíveis estratégias usadas por N. lapillus na recolonização de locais onde, no passado, as populações terão aparentemente sido extintas devido a níveis extremamente elevados de TBT. Estes locais são tipicamente zonas abrigadas junto de infra-estruturas portuárias, cuja recolonização por esta espécie será provavelmente muito lenta dada a mobilidade reduzida dos adultos e o ciclo de vida não apresentar fase larvar pelágica. Foram então equacionadas duas hipotéticas vias de recolonização de zonas abrigadas por espécimes provenientes de populações de costa aberta/exposta: a migração de adultos e/ou a dispersão de juvenis. No entanto, em ambos os casos, estaria implicada a transposição de um problema amplamente descrito na bibliografia: as populações de N. lapillus de costa aberta podem apresentar um fenótipo muito diferente das de zonas abrigadas, podendo inclusivamente variar no número de cromossomas. A recolonização pode portanto não ter sucesso pelo simples facto dos novos recrutas não estarem bem adaptados aos locais a recolonizar. Para analisar este problema, foram estudados tanto a forma da concha de espécimes de N. lapillus ao longo da costa Portuguesa como o respectivo número de cromossomas. Embora a forma da concha tenha revelado diferenças, de acordo com o grau de hidrodinamismo entre as populações de N. lapillus avaliadas, o cariótipo 2n = 26, típico de zonas expostas, foi registado em todos os locais amostrados. Por outro lado, foi também testada em laboratório a possível mortalidade de juvenis em dispersão no interior menos salino dos estuários. Foi então verificada a ocorrência de mortalidade elevada de juvenis expostos a salinidades baixas (=100% após 1 hora a salinidades ≤9 psu), o que também pode comprometer a recolonização de zonas estuarinas menos salinas por esta via. Mesmo assim, os juvenis mostraram um comportamento de flutuação à superfície da água em condições laboratoriais, que pode ser considerado um benefício específico na colonização de áreas mais internas dos estuários, se tal facto vier a ser confirmado em estudos de campo. As conclusões deste estudo contribuem certamente para a descrição do final da “história do TBT” dado que, uma vez controlados alguns factores determinantes no uso do imposex como biomarcador, a avaliação do declínio da poluição por estes compostos, agora esperado à escala global, se torna mais rigorosa.

Cytogenetic and histological studies of the brook trout (Salvelinus fontinalis) x arctic charr (Salvelinus alpinus) hybrids

In aquaculture, application of fish hybrids has increased. This technique permits improvement of the fish production by providing specimens showing better growth rate when compared to the parental species. Indeed, sterile individuals are highly demanded because quite frequently parental fish mature before they reach the market size, which impairs their growth and decrease their economic value. Throughout the last years, the commercial and scientific interest in salmonids has increased rapidly, among them, the brook trout (Salvelinus fontinalis), Arctic charr (Salvelinus alpinus) are species that can be crossed to produce hybrids that might by cultured in the fish farms. In the present thesis, we have assessed chromosome numbers and evaluate gonadal sex in the brook trout X Arctic charr hybrid progenies. In our populations, the karyotype of the brook trout comprises 84 chromosomes: 16 bi-armed chromosomes (meta-submetacentric) and 68 one-armed chromosomes (telo-acrocentrics) and the chromosome arm number, NF= 100. Arctic charr karyotype shows variation related to the chromosome number (2n= 81-82) and stable chromosome arm number (NF= 100). 2n= 81 chromosomes consisted of 19 bi-armed and 62 one-armed chromosomes, while 2n= 82 karyotype was organized into 18 meta-submetacentric and 64 acrocentrics. The cytogenetic and histological analysis of the brook trout X Arctic charr hybrids (sparctics) was carried out to asses chromosome and chromosome arm number and gonadal sex of the studied specimens. Diploid chromosome number in the hybrids varied from 81 to 84 and individuals with 83 and 84 chromosomes were predominant. Most of the fish had chromosome arm number equal to 100. Robertsonian fusion in the Arctic charr and chromosome behaviour in the hybrid fish cells might lead to the observed variation in chromosome numbers in the hybrids. Among studied fish, 12 were males, 3 were females and 9 had intersex gonads. No correlation between chromosome number and disturbances in the gonadal development was found. This might suggest that intersex gonads might have been developed as a consequence of disturbances in the genetic sex determination process. Genetic sex determination acts properly in the parental species but in the hybrids this may not be as efficient.

Ecological niche modeling, cytogenetics and phylogeography of the genera Geomalacus and Letourneuxia (Gastropoda, Pulmonata) from the Iberian-Moroccan region

First described more that 150 years ago, the systematics of the genera Geomalacus and Letourneuxia (Arionidae, Gastropoda, Pulmonata) is still challenging. The taxonomic classification of arionid species is based on extremely labile characters such as body size or color that depends both on diet and environment, as well as age. Moreover, there is little information on the genetic diversity and population structure of the Iberian slugs that could provide extra clues to disentangle their problematic classification. The present work uses different analytical tools such as habitat suitability (Ecological Niche Modeling - ENM), cytogenetic analysis and phylogeography to establish the geographical distribution and evolutionary history of these pulmonate slugs. The potential distribution of the four Geomalacus species was modeled using ENM, which allowed the identification of new locations for G. malagensis, including a first report in Portugal. Also, it was predicted a much wider distribution for G. malagensis and G. oliveirae than previously known. Classical cytogenetic analyses were assayed with reproductive and a novel use of somatic tissues (mouth and tentacles) returning the number of chromosomes for the four Geomalacus species and L. numidica (n = 31, 2n = 62) and the respective karyotypes. G. malagensis and L. numidica present similar chromosome morphologies and karyotypic formulae, being more similar to each other than the Geomalacus among themselves. We further reconstructed the phylogeny of the genera Geomalacus and Letourneuxia using partial sequences of the mitochondrial cytochrome oxidase subunit I (COI) and the nuclear ribosomal small subunit (18S rRNA), and applied an independent evolutionary rate method, the indicator vectors correlation, to evaluate the existence of cryptic diversity within species. The five nominal species of Geomalacus and Letourneuxia comprise 14 well-supported cryptic lineages. Letourneuxia numidica was retrieved as a sister group of G. malagensis. G. oliveirae is paraphyletic with respect to G. anguiformis. According to our dating estimates, the most recent common ancestor of Geomalacus dates back to the Middle Miocene (end of the Serravallian stage). The major lineage splitting events within Geomalacus occurred during the dry periods of the Zanclean stage (5.3-3.6 million years) and some lineages were confined to more humid mountain areas of the Iberian Peninsula, which lead to a highly geographically structured mitochondrial genetic diversity. The major findings of this are the following: (1) provides updated species distribution maps for the Iberian Geomalacus expanding the known geographic distribution of the concerned species, (2) unravels the cryptic diversity within the genera Geomalacus and Letourneuxia, (3) Geomalacus oliveirae is paraphyletic with G. anguiformis and (4) Letourneuxia numidica is sister group of G. malagensis.

The downy mildew resistance locus Pp523 is located on chromosome C8 of Brassica oleracea L.

We have previously constructed a genetic map of Brassica oleracea L. containing the Pp523 locus that confers downy mildew resistance to adult plants. In this work, 44 SSR markers of reference for the Brassica C genome chromosomes were added to the map, allowing the nine major linkage groups to be assigned to the nine chromosomes of B. oleracea. Locus Pp523 was located on chromosome C8, and a locus determining flower colour was mapped to chromosome C3. In comparison with the first version of the map, the new map is denser and more compact. The available genomic information on B. oleracea was enriched with the chromosome location of two phenotypic traits and 421 DNA markers (RAPD, ISSR, AFLP, SCAR, BAC-end derived STS, SSR and other PCR markers). Conversely, the genomic information on B. oleracea chromosome C8 is being used as an additional tool for the map-based cloning of Pp523, the first gene for adult plant resistance to downy mildew precisely located to a specific chromosome of this crop species.

Detailed phenotypic and genotypic characterization of bietti crystalline dystrophy

OBJECTIVE: To provide a detailed phenotype/genotype characterization of Bietti crystalline dystrophy (BCD). DESIGN: Observational case series. PARTICIPANTS: Twenty patients from 17 families recruited from a multiethnic British population. METHODS: Patients underwent color fundus photography, near-infrared (NIR) imaging, fundus autofluorescence (FAF) imaging, spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT), and electroretinogram (ERG) assessment. The gene CYP4V2 was sequenced. MAIN OUTCOME MEASURES: Clinical, imaging, electrophysiologic, and molecular genetics findings. RESULTS: Patients ranged in age from 19 to 72 years (median, 40 years), with a visual acuity of 6/5 to perception of light (median, 6/12). There was wide intrafamilial and interfamilial variability in clinical severity. The FAF imaging showed well-defined areas of retinal pigment epithelium (RPE) loss that corresponded on SD-OCT to well-demarcated areas of outer retinal atrophy. Retinal crystals were not evident on FAF imaging and were best visualized with NIR imaging. Spectral domain OCT showed them to be principally located on or in the RPE/Bruch's membrane complex. Disappearance of the crystals, revealed by serial recording, was associated with severe disruption and thinning of the RPE/Bruch's membrane complex. Cases with extensive RPE degeneration (N = 5) had ERGs consistent with generalized rod and cone dysfunction, but those with more focal RPE atrophy showed amplitude reduction without delay (N = 3), consistent with restricted loss of function, or that was normal (N = 2). Likely disease-causing variants were identified in 34 chromosomes from 17 families. Seven were novel, including p.Met66Arg, found in all 11 patients from 8 families of South Asian descent. This mutation appears to be associated with earlier onset (median age, 30 years) compared with other substitutions (median age, 41 years). Deletions of exon 7 were associated with more severe disease. CONCLUSIONS: The phenotype is highly variable. Several novel variants are reported, including a highly prevalent substitution in patients of South Asian descent that is associated with earlier-onset disease. Autofluorescence showed sharply demarcated areas of RPE loss that coincided with abrupt edges of outer retinal atrophy on SD-OCT; crystals were generally situated on or in the RPE/Bruch's complex but could disappear over time with associated RPE disruption. These results support a role for the RPE in disease pathogenesis.

Fractional dynamics in DNA

This paper addresses the DNA code analysis in the perspective of dynamics and fractional calculus. Several mathematical tools are selected to establish a quantitative method without distorting the alphabet represented by the sequence of DNA bases. The association of Gray code, Fourier transform and fractional calculus leads to a categorical representation of species and chromosomes.

Wavelet analysis of human DNA

This paper studies the human DNA in the perspective of signal processing. Six wavelets are tested for analyzing the information content of the human DNA. By adopting real Shannon wavelet several fundamental properties of the code are revealed. A quantitative comparison of the chromosomes and visualization through multidimensional and dendograms is developed.

Histogram-based DNA analysis for the visualization of chromosome, genome and species information

We describe a novel approach to explore DNA nucleotide sequence data, aiming to produce high-level categorical and structural information about the underlying chromosomes, genomes and species. The article starts by analyzing chromosomal data through histograms using fixed length DNA sequences. After creating the DNA-related histograms, a correlation between pairs of histograms is computed, producing a global correlation matrix. These data are then used as input to several data processing methods for information extraction and tabular/graphical output generation. A set of 18 species is processed and the extensive results reveal that the proposed method is able to generate significant and diversified outputs, in good accordance with current scientific knowledge in domains such as genomics and phylogenetics.

On the DNA of eleven mammals

This paper studies the DNA code of eleven mammals from the perspective of fractional dynamics. The application of Fourier transform and power law trendlines leads to a categorical representation of species and chromosomes. The DNA information reveals long range memory characteristics.

Analysis and visualization of chromosome information

This paper analyzes the DNA code of several species in the perspective of information content. For that purpose several concepts and mathematical tools are selected towards establishing a quantitative method without a priori distorting the alphabet represented by the sequence of DNA bases. The synergies of associating Gray code, histogram characterization and multidimensional scaling visualization lead to a collection of plots with a categorical representation of species and chromosomes.

Accessing complexity from genome information

This paper studies the information content of the chromosomes of 24 species. In a first phase, a scheme inspired in dynamical system state space representation is developed. For each chromosome the state space dynamical evolution is shed into a two dimensional chart. The plots are then analyzed and characterized in the perspective of fractal dimension. This information is integrated in two measures of the species’ complexity addressing its average and variability. The results are in close accordance with phylogenetics pointing quantitative aspects of the species’ genomic complexity.

A biased random-key genetic algorithm with forward-backward improvement for the resource constrained project scheduling problem

This paper presents a biased random-key genetic algorithm for the resource constrained project scheduling problem. The chromosome representation of the problem is based on random keys. Active schedules are constructed using a priority-rule heuristic in which the priorities of the activities are defined by the genetic algorithm. A forward-backward improvement procedure is applied to all solutions. The chromosomes supplied by the genetic algorithm are adjusted to reflect the solutions obtained by the improvement procedure. The heuristic is tested on a set of standard problems taken from the literature and compared with other approaches. The computational results validate the effectiveness of the proposed algorithm.

Cell division and chromosome segregation in Staphylococcus aureus

Dissertação para a obtenção do grau de doutor em Biologia pelo Instituto de Tecnologia Química e Biológica. Universidade Nova de Lisboa

Epigenetic and cell cycle control of centromere inheritance

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology, Cell Biology