Polimorfismos de DNA mitocondrial em populações naturais e filogeografia de duas espécies crípticas do grupo willistoni : Drosophila willistoni e D. paulistorum

A existência de polimorfismos de DNA mitocondrial analisados por um fragmento de 1413 nucleotídeos do gene COI (correspondente à 92% do gene) foi investigada em três populações de Drosophila willistoni e uma de Drosophila paulistorum. Este marcador foi utilizado para o estabelecimento de relações filogenéticas entre diferentes populações (naturais e de laboratório, bem como algumas das semi-espécies de Drosophila paulistorum). Para realizar este estudo foram feitas três coletas em três locais, de abril a setembro de 2002, nas cidades de Porto Alegre e Viamão. Surpreendentemente, com base em estudos anteriores, verificou-se uma queda expressiva na freqüência de aparecimento de D. paulistorum provavelmente como conseqüência da recente invasão das assembléias locais de drosofilídeos pela mosca africana Zaprionus indianus, que, desde 1999, tem se espalhado rapidamente pela América do Sul. A análise da diversidade nucleotídica revelou uma não estruturação das populações de D. willistoni de Porto Alegre e arredores. Este resultado vai de encontro com o que foi achado em estudos anteriores, utilizando marcadores nucleares, cromossômicos, morfométricos e comportamentais. Para explicar esta diferença, alguns testes para diferentes modelos seletivos foram realizados, e os resultados sugerem que estas seqüências estariam sofrendo seleção purificadora, evitando a diversificação destas populações neste nível Ao contrário do que se tem encontrado em outros drosofilídeos, o marcador por nós utilizado para D. willistoni e D. paulistorum, não foi sensível o suficiente para resolver a filogeografia do grupo. Apesar disto, este marcador mostrou-se útil para separar as espécies, podendo ser utilizado em estudos posteriores.

The copia retrotransposon and horizontal transfer in Drosophila willistoni

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Estudo do comportamento meiótico de espécies do grupo Willistoni de Drosophila

Considerando a importância do comportamento meiótico e da recombinação para regular os níveis de variabilidade genética, realizamos o primeiro estudo sobre a meiose masculina e feminina de seis membros do grupo da Drosophila willistoni, um dos mais representativos da família Drosophilidae na região Neotropical. Como ponto de partida, foi necessário padronizar condições técnicas para tal, adaptando protocolos pré-existentes e estabelecidos por outros autores para espécies procedentes do Hemisfério Norte, como a cosmopolita Drosophila melanogaster e a D. ananassae. A qualidade dos preparados e a resolução por nós encontradas para as espécies do grupo willistoni, foi muito superior às obtidas para D. melanogaster, sendo comparável com a excelência das figuras meióticas propiciadas pela D. ananassae. Apesar do baixo número de células em divisão (cerca de 45% dos machos, em média) detectadas, conseguimos caracterizar as fases da divisão meiótica em primórdios das gônadas de larvas macho de D. willistoni e o padrão de sinapse do par sexual e dos autossomos. Inicialmente, foi realizada a análise de duas diferentes populações, cuja prole apresenta sinais de instabilidade genética (como hipermutabilidade e atrofia gonadal), sob condições de cultivo em temperaturas fisiológica e restritiva. Em machos de ambas as linhagens (exceto em uma delas, onde observou-se um indivíduo aneuplóide XO), e nos machos da primeira geração de cruzamento entre as duas populações, não foram observadas irregularidades meióticas nem aberrações cromossômicas, tanto sob temperatura fisiológica, quanto restritiva. Análise posterior da população híbrida, mantida em laboratório, entretanto, permitiu a detecção de quebras, de pontes anafásicas, e de figuras compatíveis com quiasmas no segundo par cromossômico No braço esquerdo do cromossomo II (o chamado IIL) nesta população híbrida, segregam três inversões, a IILF (sub-terminal) e as inversões IILD+E, (na região mediana). Analisando paralelamente as configurações dos cromossomos politênicos interfásicos das glândulas salivares larvais e os meióticos dos primórdios das gônadas de cada larva macho individualmente, observou-se que sempre que ocorreram pontes anafásicas, os indivíduos eram heterozigotos para pelo menos a inversão IILF, e que as quebras detectadas no segundo cromossomo ocorreram na região subterminal de um dos braços. Estes achados fazem supor que nestes machos, estaria havendo recombinação dentro da alça de inversão formada em heterozigotos para a inversão IILF, o que necessita ser testado através de dados genéticos, em estudos futuros. Em machos de uma população natural desta espécie, também observou-se figuras compatíveis com quiasmas na parte terminal do mesmo braço esquerdo do segundo cromossomo, onde segrega a inversão IILH. Já a meiose de machos de uma população de cada uma das espécies crípticas D. paulistorum, D. tropicalis, D. equinoxialis, D. insularis e da não críptica D. nebulosa, mostrou-se regular, não sendo encontradas evidências de não-disjunções, quebras e pontes anafásicas, como em D. willistoni, apesar de todas elas apresentarem polimorfismo cromossômico para inversões paracêntricas (embora menor). O estudo futuro de novas populações deverá esclarecer se a D. willistoni suporta ou não, maiores níveis de recombinação em machos do que as outras espécies, e se estes achados podem ser interpretados como uma estratégia da D. willistoni (considerada como ancestral às outras) para manter altos níveis de polimorfismo, sem perdas gaméticas importantes, nem comprometimento da estabilidade de seu sistema genético A meiose de fêmeas de Drosophila willistoni e de D. paulistorum também foi caracterizada em linhagens igualmente polimórficas, de ambas as espécies. A detecção citológica de recombinação, entretanto, não foi possível, devido à peculiaridade dos cromossomos de oócitos, de assumirem a forma de cariossomo, altamente compactada justo nas fases de prófase I.

Is the evolutionary history of the O-type P element in the saltans and willistoni groups of Drosophila similar to that of the canonical P element?

We studied the occurrence of O-type P elements in at least one species of each subgroup of the saltans group, in order to better understand the phylogenetic relationships among the elements within the saltans group and with those of species belonging to the willistoni group. We found that the O-type subfamily has a patchy distribution within the saltans group (it does not occur in D. neocordata and D. emarginata), low sequence divergence among species of the saltans group as well as in relation to species of the willistoni group, a lower rate of synonymous substitution for coding sequences compared to Adh, and phylogenetic incongruities. These findings suggest that the evolutionary history of the O-type subfamily within the saltans and willistoni groups follows the same model proposed for the canonical subfamily of P elements, i.e., events of horizontal transfer between species of the saltans and willistoni groups.

Drosofilídeos e seus himenópteros parasitoides em coffea arabica L

The objective of this study was to evaluate the occurrence of Drosophilidae and their parasitoids in coffee fruits in Cravinhos, SP, Brazil. The fruits were collected directly from the tree, and a portion was exposed under the canopy. Fifty-nine drosophilid pupae were collected in all, of which 31 adults (including two Ganaspis exemplars) emerged. The survival rate of all pupae was 49.2%. Thirty-five drosopholid pupae were obtained from the fruit trees, 24 of which later emerged, three different species: Zaprionus indianus Gupta, Drosophila nebulosa Sturtevant and D. simulans Sturtevant. From the fruits under the canopy of plants were obtained 24 pupae of four different species: Z. indianus, D. cardini Sturtevant, D. immigrans Sturtevant and D. willistoni Sturtevant. The emergence of two Ganaspis sp. (Hymenoptera: Figitidae) examples, with a parasitism rate of 8.3%, was also observed. Half of the drosophilids collected are introduced species and represented 79% of the adults emerged. Associations between Z. indianus, D. cardini, D. immigrans, D. nebulosa, D. simulans and D. willistoni and the coffee crop are reported herein.

Evidence for the recent horizontal transfer of long terminal repeat retrotransposon

The evolutionary dynamics existing between transposable elements (TEs) and their host genomes have been likened to an “arms race.” The selfish drive of TEs to replicate, in turn, elicits the evolution of host-mediated regulatory mechanisms aimed at repressing transpositional activity. It has been postulated that horizontal (cross-species) transfer may be one effective strategy by which TEs and other selfish genes can escape host-mediated silencing mechanisms over evolutionary time; however, to date, the most definitive evidence that TEs horizontally transfer between species has been limited to class II or DNA-type elements. Evidence that the more numerous and widely distributed retroelements may also be horizontally transferred between species has been more ambiguous. In this paper, we report definitive evidence for a recent horizontal transfer of the copia long terminal repeat retrotransposon between Drosophila melanogaster and Drosophila willistoni.

Naturally occurring variation in copia expression is due to both element (cis) and host (trans) regulatory variation.

Significant differences in levels of copia [Drosophila long terminal repeat (LTR) retrotransposon] expression exist among six species representing the Drosophila melanogaster species complex (D. melanogaster, Drosophila mauritiana, Drosophila simulans, Drosophila sechellia, Drosophila yakuba, and Drosophila erecta) and a more distantly related species (Drosophila willistoni). These differences in expression are correlated with major size variation mapping to putative regulatory regions of the copia 5' LTR and adjacent untranslated leader region (ULR). Sequence analysis indicates that these size variants were derived from a series of regional duplication events. The ability of the copia LTR-ULR size variants to drive expression of a bacterial chloramphenicol acetyltransferase reporter gene was tested in each of the seven species. The results indicate that both element-encoded (cis) and host-genome-encoded (trans) genetic differences are responsible for the variability in copia expression within and between Drosophila species. This finding indicates that models purporting to explain the dynamics and distribution of retrotransposons in natural populations must consider the potential impact of both element-encoded and host-genome-encoded regulatory variation to be valid. We propose that interelement selection among retrotransposons may provide a molecular drive mechanism for the evolution of eukaryotic enhancers which can be subsequently distributed throughout the genome by retrotransposition.

Copia Retrotransposon in the Zaprionus Genus: Another Case of Transposable Element Sharing with the Drosophila melanogaster Subgroup

Copia is a retrotransposon that appears to be distributed widely among the Drosophilidae subfamily. Evolutionary analyses of regulatory regions have indicated that the Copia retrotransposon evolved through both positive and purifying selection, and that horizontal transfer (HT) could also explain its patchy distribution of the among the subfamilies of the melanogaster subgroup. Additionally, Copia elements could also have transferred between melanogaster subgroup and other species of Drosophilidae-D. willistoni and Z. tuberculatus. In this study, we surveyed seven species of the Zaprionus genus by sequencing the LTR-ULR and reverse transcriptase regions, and by using RT-PCR in order to understand the distribution and evolutionary history of Copia in the Zaprionus genus. The Copia element was detected, and was transcriptionally active, in all species investigated. Structural and selection analysis revealed Zaprionus elements to be closely related to the most ancient subfamily of the melanogaster subgroup, and they seem to be evolving mainly under relaxed purifying selection. Taken together, these results allowed us to classify the Zaprionus sequences as a new subfamily-ZapCopia, a member of the Copia retrotransposon family of the melanogaster subgroup. These findings indicate that the Copia retrotransposon is an ancient component of the genomes of the Zaprionus species and broaden our understanding of the diversity of retrotransposons in the Zaprionus genus.

Estudo da variabilidade genética e ecológica de comunidades de Drosophila em regiões de Mata Atlântica de ilhas do continente de Santa Catarina

Foi realizado um estudo da dinâmica de assembléias de Drosofilídeos em oito amostras insulares e continentais de Santa Catarina através de dados coletados em várias visitas ao longo de dois anos. Dentre os resultados obtidos está a estimativa do grau de diversidade destas assembléias. Nossas coletas mostraram que a predição de qual espécie será dominante, num determinado período amostrado, é razoavelmente possível. A análise dos índices de diversidade nos indica que o Morro da Lagoa é o ponto de menor diversidade específica, seguido de Ratones Grande. Contudo, os dois pontos têm um grande número de espécies diferentes, sendo a sua diversidade baixa em função da alta dominância do subgrupo willistoni neles encontrada. Analisando o componente S (número de espécies) da diversidade, nas ilhas pontos de coleta, percebe-se que a ilha maior (Ilha de Santa Catarina) tem realmente um maior número de espécies coletadas – 46 no ponto A além de 10 espécies diferentes coletadas no ponto D (56 espécies no total) – do que as ilhas menores (42, 44, 40 e 50), o que corrobora a teoria da biogeografia de ilhas. No continente, a curva espécie/área se comportou da mesma forma que nas ilhas se considerarmos a diversidade como um todo. Realmente estes pontos foram uns dos que apresentaram maior diversidade, principalmente o ponto F, com um H’ de 2,22, que se manteve com Mata Atlântica Primária até o final do período de coletas, sendo portanto o ponto mais preservado de todos utilizados e, teoricamente, o que apresentava maior diversidade de nichos ecológicos para serem ocupados Outros Drosofilídeos como Zaprionus, Zygotricha, Gitona, Cladochaeta, Diathoneura, Micodrosophila, Leucophenga e Amiota foram coletados. Embora nosso interesse preliminar fosse apenas o gênero Drosophila, a inclusão destes outros gêneros em nosso estudo visou uma maior compreensão das possíveis associações que podem ocorrer entre eles e espécies de Drosophila. Os dois primeiros gêneros foram mais freqüentes nas nossas coletas. Zaprionus indianus foi considerada uma espécie invasora, pois surgiu com freqüências baixíssimas que aumentaram gradualmente nas coletas subsequentes, superando em freqüência as espécies nativas. Isto confirma o caráter generalista e polifágico deste tipo de espécie. Neste trabalho, é relatado o primeiro registro do Gênero Zaprionus (Diptera, Drosophilidae) para o Estado de Santa Catarina, na região litorânea central que inclui as Ilhas de Santa Catarina, Arvoredo, Ratones Grande, Ratones Pequeno e Campeche. Drosophila roerhae, D. unipunctata, D. schineri, D. bifilum, D. fuscolineata, D. meridionalis, D. neosaltans, D. bocainoides e D. platitarsus foram pela primeira vez registradas para a região Sul do Brasil, aumentando, portanto o limite meridional de suas distribuições. Como um ponto de partida para estudar o polimorfismo para inversões cromossômicas em D. neocardini, foi construído um fotomapa de referência dos cromossomos politênicos de glândulas salivares de larvas de terceiro estágio. Pelo menos 258 indivíduos (aproximadamente três núcleos por glândula) de sete diferentes localidades (Sertão do Peri, Ilha do Arvoredo, Serra do Tabuleiro, Ilha de Ratones Grande, Ilha de Ratones Pequeno, Morro da Lagoa da Conceição e Ilha do Campeche, todos no Estado de Santa Catarina) foram analisados e fotomicrografias foram obtidas, até se chegar a um consenso sobre a identidade dos elementos cromossômicos. Uma nova inversão no braço cromossômico IIIL foi registrada e denominada de IIILA. A variabilidade cromossômica encontrada nas espécies de Drosophila do grupo cardini em todas as localidades também foi pesquisada, e foi comparada visando contribuir para uma melhor compreensão da evolução destas comunidades. Analisando o polimorfismo cromossômico de D. polymorpha encontramos nove inversões diferentes pela primeira vez descritas. Uma das inversões novas foi encontrada no cromossomo X, duas outras foram encontradas para o braço IIL; quatro foram catalogadas para o braço cromossômico IIIR e duas inversões novas foram achadas no braço cromossômico IIIL. Com relação ao polimorfismo, em D. neocardini foi encontrada apenas uma nova inversão no braço IIIL e para D. cardinoides uma nova inversão no braço IIIL. O estudo discute as implicações ecológicas e evolutivas deste tipo de polimorfismo, para um maior entendimento da evolução deste grupo de espécies.

Copia Retrotransposon in the Zaprionus Genus: Another Case of Transposable Element Sharing with the Drosophila melanogaster Subgroup

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Characterization of two full-sized P elements from Drosophila sturtevanti and Drosophila prosaltans

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

Sequence heterogeneity and phylogenetic relationships between the copia retrotransposon in Drosophila species of the repleta and melanogaster groups

Although the retrotransposon copia has been studied in the melanogaster group of Drosophila species, very little is known about copia dynamism and evolution in other groups. We analyzed the occurrence and heterogeneity of the copia 5' LTR-ULR partial sequence and their phylogenetic relationships in 24 species of the repleta group of Drosophila. PCR showed that copia occurs in 18 out of the 24 species evaluated. Sequencing was possible in only eight species. The sequences showed a low nucleotide diversity, which suggests selective constraints maintaining this regulatory region over evolutionary time. on the contrary, the low nucleotide divergence and the phylogenetic relationships between the D. willistoni/Zaprionus tuberculatus/melanogaster species subgroup suggest horizontal transfer. Sixteen transcription factor binding sites were identified in the LTR-ULR repleta and melanogaster consensus sequences. However, these motifs are not homologous, neither according to their position in the LTR-ULR sequences, nor according to their sequences. Taken together, the low motif homologies, the phylogenetic relationship and the great nucleotide divergence between the melanogaster and repleta copia sequences reinforce the hypothesis that there are two copia families.

A regulação do elemento transponível Helena em Drosophila

Pós-graduação em Genética - IBILCE

Crossing over does occur in males of Drosophila ananassae from natural populations

Spontaneous crossing over in males of Drosophila ananassae has been well demonstrated using F-1 individuals from crosses between marker stocks and wild type strains. However, the question of its occurrence in males from natural populations remained open. Here we present the cytological evidence that crossing over does occur in males of D. ananassae from two Brazilian populations, sampled nearly 21 years apart, and in two recently sampled populations, one from Indonesia and one from Okinawa, Japan. Cytological analysis of meiosis in males collected from nature and in sons of females from the same population inseminated in nature revealed the presence of chiasmata, inversion chiasmata, and isosite chromosome breakages in the diplotene cells in all sampled populations. These data demonstrate that reciprocal and nonreciprocal exchanges and chromosome breakages, previously reported as related events of male crossing over, do occur at variable frequencies among males from natural populations.

Evolutionary dynamics of wAu-Like Wolbachia variants in neotropical Drosophila spp.

Wolbachia bacteria are common intracellular symbionts of arthropods and have been extensively studied in Drosophila. Most research focuses on two Old Word hosts, Drosophila melanogaster and Drosophila simulans, and does not take into account that some of the Wolbachia associations in these species may have evolved only after their fast global expansion and after the exposure to Wolbachia of previously isolated habitats. Here we looked at Wolbachia of Neotropical Drosophila species. Seventy-one lines of 16 Neotropical Drosophild species sampled in different regions and at different time points were analyzed. Wolbachia is absent in lines of Drosophild willistoni collected before the 1970s, but more recent samples are infected with a strain designated wWiL Wolbachia is absent in all other species of the willistoni group. Polymorphic wWil-related strains were detected in some saltans group species, with D. septentriosaltans being coinfected with at least four variants. Based on wsp and ftsZ sequence data, wWil of D. willistoni is identical to wAu, a strain isolated from D. simulans, but can be discriminated when using a polymorphic minisatellite marker. In contrast to wAu, which infects both germ line and somatic tissues of D. simulans, wWil is found exclusively in the primordial germ line cells of D. willistoni embryos. We report on a pool of closely related Wolbachia strains in Neotropical Drosophila species as a potential source for the wAu strain in D. simulans. Possible evolutionary scenarios reconstructing the infection history of wAu-like Wolbachia in Neotropical Drosophild species and the Old World species D. simulans are discussed.