Why is there no genetics in phylogenetics : misconceptions, clarification and solutions

Fundamental misconceptions regarding some basic phylogenetic terminology are presented in this opinion piece. An attempt is made to point out why these misconceptions exist and what may be causing the misapplication of terminology. Clarification is providing via basic definitions and simple explanations. Differences between the scientific fields of genetics and population genetics are discussed. The appropriate use of terminology is advocated and alternative terms are proposed to eliminate one potential source of confusion. It is suggested we use 'sequence data' instead of molecular data and 'non-sequence data' instead of morphological data in the field of phylogenetics and systematics.

NEESTIMATOR v2: re-implementation of software for the estimation of contemporary effective population size (N-e) from genetic data

NeEstimator v2 is a completely revised and updated implementation of software that produces estimates of contemporary effective population size, using several different methods and a single input file. NeEstimator v2 includes three single-sample estimators (updated versions of the linkage disequilibrium and heterozygote-excess methods, and a new method based on molecular coancestry), as well as the two-sample (moment-based temporal) method. New features include the following: (i) an improved method for accounting for missing data; (ii) options for screening out rare alleles; (iii) confidence intervals for all methods; (iv) the ability to analyse data sets with large numbers of genetic markers (10000 or more); (v) options for batch processing large numbers of different data sets, which will facilitate cross-method comparisons using simulated data; and (vi) correction for temporal estimates when individuals sampled are not removed from the population (Plan I sampling). The user is given considerable control over input data and composition, and format of output files. The freely available software has a new JAVA interface and runs under MacOS, Linux and Windows.

Molecular ecology of european mustelids: Unraveling evolutionary and ecological patterns in Martes and Lutra genera

208 p.

Ecologia molecular de ostras (Crassostrea spp.) do Atlântico Tropical

Crassostrea (Sacco, 1897) é o gênero mais importante do mundo de ostras de cultivo e consiste de 34 espécies distribuídas pelas regiões tropicais e temperadas do globo. C. gasar e C. rhizophorae são as duas espécies nativas que estão distribuídas ao longo de toda a costa do Brasil até o Caribe. C. gasar também ocorre na costa da Africa. Ainda que sua distribuição seja extensa e com disponibilidade abundante, o cultivo de ostras nativas no Brasil ainda é incipiente e a delimitação correta dos estoques mantém-se incerta. O sucesso do desenvolvimento da malacocultura, que é recomendada internacionalmente como forma sustentável de aquicultura, depende da resolução desses problemas. Assim, com o objetivo de determinar geneticamente seus estoques no Atlântico como também estimar sua história demográfica, dois diferentes marcadores moleculares foram empregados: sequências de DNA da região controle mitocondrial e loci de microssatélites espécie-especifícos, desenvolvidos no presente estudo. Foram sequenciados fragmentos da região controle de um total de 930 indivíduos de C. gasar e C. rhizophorae coletados em 32 localidades que incluíram o Caribe, a Guiana Francesa, a costa brasileira e a África. Também foram realizadas genotipagens de 1178 indivíduos, e ambas as espécies, com 9 e 11 loci de microssatélites para C. gasar e C. rhizophorae, respectivamente. Os dados genéticos foram analisados através de diferentes abordagens (índices de estruturação (FST) e de (Jost D), análise molecular de variância (AMOVA), análise espacial molecular de variância (SAMOVA), Bayesian Skyline Plots (BSP), análise fatorial de correspondência (AFC) e análise de atribuição Bayesiana (STRUCTURE)). Os resultados indicaram um padrão geral de estruturação, onde dois diferentes estoques foram detectados para ambas as espécies: grupos do norte e do sul, onde o Rio de Janeiro seria a região limitante entre os dois estoques. Os maiores valores dos índices de estruturação foram encontrados para C. gasar, indicando que esta espécie estaria mais estruturada do que C. rhizophorae. As análises demográficas indicaram uma provável expansão das populações durante o ultimo período glacial e uma possível origem americana das populações africanas. Todos os resultados sugeriram a existência de uma barreira geográfica próxima ao Rio de Janeiro, que poderia ser a cadeia de Vitória-Trindade e o fenômeno de ressurgência que ocorre em Cabo Frio (RJ). Esses resultados serão de grande utilidade para estabelecer critérios para seleção de sementes para cultivo ao longo da costa do Brasil que permitirá o manejo adequado dos estoques ostreícolas, prevenindo seu desaparecimento como já ocorrido em outros recifes no mundo.

Diferenciação genética do golfinho-de-dentes-rugosos, Steno bredanensis (Cuvier in Lesson, 1828) (Cetartiodactyla: Delphinidae): taxonomia molecular e estrutura populacional

O gênero Steno pertence à Ordem Cetartiodactyla, Família Delphinidae, e compreende apenas uma espécie: o golfinho-de-dentes-rugosos, Steno bredanensis. O golfinho-de-dentes-rugosos é encontrado nos Oceanos Atlântico, Pacífico e Índico, em águas profundas tropicais, subtropicais e temperadas quentes. Entretanto, em algumas localidades como as regiões Sudeste e Sul do Brasil, esta espécie é conhecida por apresentar hábitos costeiros, o que a torna suscetível a ameaças antropogênicas como a degradação do hábitat, as capturas acidentais e diversos tipos de poluição. Conhecer a magnitude destes impactos e o grau de diferenciação genética das populações usando marcadores moleculares são aspectos importantes para a conservação da espécie. Os marcadores moleculares são segmentos específicos de DNA que podem ou não fazer parte de um gene e que apresentam grau de polimorfismo adequado para responder questões sobre as relações genéticas de indivíduos, populações ou diferentes espécies. O DNA mitocondrial é um dos marcadores moleculares mais utilizados em estudos sobre estrutura populacional, sistemática e filogenia de cetáceos. Estudos genéticos têm mostrado que várias espécies de delfinídeos apresentam estrutura populacional genética, entre e dentro das bacias oceânicas. No presente estudo foi investigada a diferenciação genética do golfinho-de-dentes-rugosos usando sequências da região controle mitocondrial de várias localidades em todo o mundo (Oceano Pacífico Centro-Sul: N=59; Pacífico Tropical Leste: N= 4; Pacífico Noroeste: N=1; Oceano Índico: N=1; Atlântico - Caribe: N=3; Atlântico Sudoeste: N=44; N total = 112). Análises preliminares indicaram grande diferenciação genética entre os Oceanos Atlântico e Pacífico/Índico (distância p = 0,031), que foram posteriormente investigadas utilizando sequências do citocromo b e mitogenomas completos. As análises filogenéticas de Neighbor-Joining e Bayesianas não foram conclusivas sobre a existência de especiação críptica em Steno. No entanto, a grande diferenciação entre as bacias oceânicas merece uma análise mais aprofundada, utilizando outros marcadores genéticos (por ex., sequências nucleares) bem como dados morfológicos. Não obstante, as análises AMOVA e FST par-a-par revelaram forte diferenciação populacional, não só entre os oceanos Atlântico e Pacífico, mas também no Atlântico, onde foram detectadas três populações: Caribe, região Sudeste e região Sul do Brasil. As populações detectadas no Atlântico Sudoeste devem ser aceitas como Unidades de Manejo (Management Units, MU) e dados demográficos básicos precisam ser levantados para essas MU, a fim de possibilitar uma melhor avaliação dos impactos antrópicos sobre elas. Este estudo fornece a primeira perspectiva sobre a diferenciação genética mundial de S. bredanensis.

MULTIPLE GENOTYPES OF MITOCHONDRIAL-DNA WITHIN A HORSE POPULATION FROM A SMALL REGION IN YUNNAN PROVINCE OF CHINA

mtDNA genotypes of six domestic horses (three adult short horses whose heights are under 1 m and three common domestic horses) from a small region of 15 km(2) in Malipo county of Yunnan province of China were investigated by the technique of restriction fragment length polymorphism (RFLP) with restriction endonucleases which recognize 6-bp sequences. An average of fragments for an individual was obtained. Unlike other domestic animals, this population of horses exhibits high mtDNA genetic diversity. Each of the six horses has a specific mtDNA genotype showing a pattern of multiple maternal origins, as suggested by fossil and literature records. We think the population of horses is an amazing seed-resource pool of horses and hence deserves to be paid more attention from the view of conservation genetics. However it is also remarkable that we did not find any typical mtDNA genetic markers which would discriminate between short horses and common domestic horses.

A common SNP of MCPH1 is associated with cranial volume variation in Chinese population

Microcephaly (MCPH) genes are informative in understanding the genetics and evolution of human brain volume. MCPH1 and abnormal spindle-like MCPH associated (ASPM) are the two known MCPH causing genes that were suggested undergone recent positive selectio

Positive selection drives population differentiation in the skeletal genes in modern humans

During the course of evolution, the human skeletal system has evolved rapidly leading to an incredible array of phenotypic diversity, including variations in height and bone mineral density. However, the genetic basis of this phenotypic diversity and the relatively rapid tempo of evolution have remained largely undocumented. Here, we discover that skeletal genes exhibit a significantly greater level of population differentiation among humans compared with other genes in the genome. The pattern is exceptionally evident at amino acid-altering sites within these genes. Divergence is greater between Africans and both Europeans and East Asians. In contrast, relatively weak differentiation is observed between Europeans and East Asians. SNPs with higher levels of differentiation have correspondingly higher derived allele frequencies in Europeans and East Asians. Thus, it appears that positive selection has operated on skeletal genes in the non-African populations and this may have been initiated with the human colonization of Eurasia. In conclusion, we provide genetic evidence supporting the rapid evolution of the human skeletal system and the associated diversity of phenotypes.

Population genetic structure of the Yangtze finless porpoise (Neophocaena phocaenoides asiaeorientalis): Implications for management and conservation

Understanding the population genetic structure is a prerequisite for conservation of a species. The degree of genetic variability characteristic of the mitochondrial DNA control region has been widely exploited in studies of population genetic structure and can be useful in identifying meaningful population subdivisions. To estimate the genetic profile of the Yangtze finless porpoise (Neophocaena phocaenoides asiaeorientalis), an endangered freshwater population endemic to China, the complete mtDNA control region was examined in 39 individuals belonging to seven different stocks inhabiting the middle and lower reaches of the Yangtze River. Very low genetic diversity was found (nucleotide diversity 0.0011 +/- 0.0002 and haplotypic diversity 0.65 +/- 0.05). The mtDNA genetic pattern of the Yangtze population appears to indicate a founder event in its evolutionary history and to support the marine origin for this population. Analyses by F-st and Phi(st) yielded statistically significant population genetic structure (F-st = 0.44, P < 0.05; phi(st) = 0.36, P < 0.05). These results may have significant implications for the management and conservation of the Yangtze finless porpoise in the future.

The study of molecular variation in Atlantic salmon (Salmo salar L.) and brown trout (Salmo trutta L.)

Polymorphic microsatellite DNA loci were used here in three studies, one on Salmo salar and two on S. trutta. In the case of S. salar, the survival of native fish and non-natives from a nearby catchment, and their hybrids, were compared in a freshwater common garden experiment and subsequently in ocean ranching, with parental assignment utilising microsatellites. Overall survival of non-natives was 35% of natives. This differential survival was mainly in the oceanic phase. These results imply a genetic basis and suggest local adaptation can occur in salmonids across relatively small geographic distances which may have important implications for the management of salmon populations. In the first case study with S trutta, the species was investigated throughout its spread as an invasive in Newfoundland, eastern Canada. Genetic investigation confirmed historical records that the majority of introductions were from a Scottish hatchery and provided a clear example of the structure of two expanding waves of spread along coasts, probably by natural straying of anadromous individuals, to the north and south of the point of human introduction. This study showed a clearer example of the genetic anatomy of an invasion than in previous studies with brown trout, and may have implications for the management of invasive species in general. Finally, the genetics of anadromous S. trutta from the Waterville catchment in south western Ireland were studied. Two significantly different population groupings, from tributaries in geographically distinct locations entering the largest lake in the catchment, were identified. These results were then used to assign very large rod caught sea trout individuals (so called “specimen” sea trout) back to region of origin, in a Genetic Stock Identification exercise. This suggested that the majority of these large sea trout originated from one of the two tributary groups. These results are relevant for the understanding of sea trout population dynamics and for the future management of this and other sea trout producing catchments. This thesis has demonstrated new insights into the population structuring of salmonids both between and within catchments. While these chapters look at the existence and scale of genetic variation from different angles, it might be concluded that the overarching message from this thesis should be to highlight the importance of maintaining genetic diversity in salmonid populations as vital for their long-term productivity and resilience.

Temporal Stability of Molecular Diversity Measures in Natural Populations of Drosophila pseudoobscura and Drosophila persimilis

Many molecular ecological and evolutionary studies sample wild populations at a single point in time, failing to consider that data they collect represents genetic variation from a potentially unrepresentative snapshot in time. Variation across time in genetic parameters may occur quickly in species that produce multiple generations of offspring per year. However, many studies of rapid contemporary microevolution examine phenotypic trait divergence as opposed to molecular evolutionary divergence. Here, we compare genetic diversity in wild caught populations of Drosophila persimilis and D. pseudoobscura collected 16 years apart at the same time of year and same site at four X-linked and two mitochondrial loci to assess genetic stability. We found no major changes in nucleotide diversity in either species, but we observed a drastic shift in Tajima’s D between D. pseudoobscura timepoints at one locus associated with the increased abundance of a set of related haplotypes. Our data also suggests that D. persimilis may have recently accelerated its demographic expansion. While the changes we observed were modest, this study reinforces the importance of considering potential temporal variation in genetic parameters within single populations over short evolutionary timescales.

Comparative mitochondrial genomics toward understanding genetics and evolution of arbuscular mycorrhizal fungi

Les champignons mycorhiziens arbusculaires (CMA) sont très répandus dans le sol où ils forment des associations symbiotiques avec la majorité des plantes appelées mycorhizes arbusculaires. Le développement des CMA dépend fortement de la plante hôte, de telle sorte qu'ils ne peuvent vivre à l'état saprotrophique, par conséquent ils sont considérés comme des biotrophes obligatoires. Les CMA forment une lignée évolutive basale des champignons et ils appartiennent au phylum Glomeromycota. Leurs mycélia sont formés d’un réseau d’hyphes cénocytiques dans lesquelles les noyaux et les organites cellulaires peuvent se déplacer librement d’un compartiment à l’autre. Les CMA permettent à la plante hôte de bénéficier d'une meilleure nutrition minérale, grâce au réseau d'hyphes extraradiculaires, qui s'étend au-delà de la zone du sol explorée par les racines. Ces hyphes possèdent une grande capacité d'absorption d’éléments nutritifs qui vont être transportés par ceux-ci jusqu’aux racines. De ce fait, les CMA améliorent la croissance des plantes tout en les protégeant des stresses biotiques et abiotiques. Malgré l’importance des CMA, leurs génétique et évolution demeurent peu connues. Leurs études sont ardues à cause de leur mode de vie qui empêche leur culture en absence des plantes hôtes. En plus leur diversité génétique intra-isolat des génomes nucléaires, complique d’avantage ces études, en particulier le développement des marqueurs moléculaires pour des études biologiques, écologiques ainsi que les fonctions des CMA. C’est pour ces raisons que les génomes mitochondriaux offrent des opportunités et alternatives intéressantes pour étudier les CMA. En effet, les génomes mitochondriaux (mt) publiés à date, ne montrent pas de polymorphismes génétique intra-isolats. Cependant, des exceptions peuvent exister. Pour aller de l’avant avec la génomique mitochondriale, nous avons besoin de générer beaucoup de données de séquençages de l’ADN mitochondrial (ADNmt) afin d’étudier les méchanismes évolutifs, la génétique des population, l’écologie des communautés et la fonction des CMA. Dans ce contexte, l’objectif de mon projet de doctorat consiste à: 1) étudier l’évolution des génomes mt en utilisant l’approche de la génomique comparative au niveau des espèces proches, des isolats ainsi que des espèces phylogénétiquement éloignées chez les CMA; 2) étudier l’hérédité génétique des génomes mt au sein des isolats de l’espèce modèle Rhizophagus irregularis par le biais des anastomoses ; 3) étudier l’organisation des ADNmt et les gènes mt pour le développement des marqueurs moléculaires pour des études phylogénétiques. Nous avons utilisé l’approche dite ‘whole genome shotgun’ en pyroséquençage 454 et Illumina HiSeq pour séquencer plusieurs taxons de CMA sélectionnés selon leur importance et leur disponibilité. Les assemblages de novo, le séquençage conventionnel Sanger, l’annotation et la génomique comparative ont été réalisés pour caractériser des ADNmt complets. Nous avons découvert plusieurs mécanismes évolutifs intéressant chez l’espèce Gigaspora rosea dans laquelle le génome mt est complètement remanié en comparaison avec Rhizophagus irregularis isolat DAOM 197198. En plus nous avons mis en évidence que deux gènes cox1 et rns sont fragmentés en deux morceaux. Nous avons démontré que les ARN transcrits les deux fragments de cox1 se relient entre eux par épissage en trans ‘Trans-splicing’ à l’aide de l’ARN du gene nad5 I3 qui met ensemble les deux ARN cox1.1 et cox1.2 en formant un ARN complet et fonctionnel. Nous avons aussi trouvé une organisation de l’ADNmt très particulière chez l’espèce Rhizophagus sp. Isolat DAOM 213198 dont le génome mt est constitué par deux chromosomes circulaires. En plus nous avons trouvé une quantité considérable des séquences apparentées aux plasmides ‘plasmid-related sequences’ chez les Glomeraceae par rapport aux Gigasporaceae, contribuant ainsi à une évolution rapide des ADNmt chez les Glomeromycota. Nous avons aussi séquencé plusieurs isolats de l’espèces R. irregularis et Rhizophagus sp. pour décortiquer leur position phylogénéque et inférer des relations évolutives entre celles-ci. La comparaison génomique mt nous montré l’existence de plusieurs éléments mobiles comme : des cadres de lecture ‘open reading frames (mORFs)’, des séquences courtes inversées ‘short inverted repeats (SIRs)’, et des séquences apparentées aux plasimdes ‘plasmid-related sequences (dpo)’ qui impactent l’ordre des gènes mt et permettent le remaniement chromosomiques des ADNmt. Tous ces divers mécanismes évolutifs observés au niveau des isolats, nous permettent de développer des marqueurs moléculaires spécifiques à chaque isolat ou espèce de CMA. Les données générées dans mon projet de doctorat ont permis d’avancer les connaissances fondamentales des génomes mitochondriaux non seulement chez les Glomeromycètes, mais aussi de chez le règne des Fungi et les eucaryotes en général. Les trousses moléculaires développées dans ce projet peuvent servir à des études de la génétique des populations, des échanges génétiques et l’écologie des CMA ce qui va contribuer à la compréhension du rôle primorial des CMA en agriculture et environnement.

RAPD analysis of genetic variability in a multiprovenance base population of Eucalyptus grandis hill ex maiden

Este estudo visou avaliar a variabilidade e distância genética dentro de uma população-base de melhoramento genético de Eucalyptus grandis. A avaliação da variabilidade genética tem como objetivos principais analisar a base genética da população-base e montar um banco de dados marcadores moleculares da população em análise. Essa população é formada por 327 indivíduos, principalmente das procedências de Coff's Harbour, Atherton e Rio Claro. Devido à heterozigosidade natural dessa população, ela pode ser dividida em diversas subpopulações, de acordo com a latitude e longitude de origem; e dentro de subpopulações, em função do grau de melhoramento genético já realizado do material analisado no Brasil. Isso permitiu avaliar quanto da variabilidade detectada dentro da população-base foi devido a esses fatores: procedência e grau de melhoramento. A aplicação da técnica RAPD permitiu avaliar 70 locos polimórficos, que foram analisados utilizando-se o coeficiente de Jaccard, o que resultou em matrizes de similaridade genética entre os indivíduos. Os dados de similaridade genética posteriormente foram submetidos à análise estatística. Osdados indicaram que a população-base apresenta ampla base genética, com média de similaridade genética de 0,328. O subgrupo denominado Região 3, composto por material selvagem da macrorregião de Atherton, juntamente com material de APS da macrorregião de Coff's Harbour, foi um dos que mais contribuíram para a ampla base genética da população-base. Foi possível detectar diferença estatística entre as populações selvagens das procedências de Atherton e Coff's Harbour, assim como entre essas procedências e a de Rio Claro.

Genetic variability in geographical populations of Aedes aegypti (Diptera, Culicidae) in Brazil elucidated by molecular markers

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)