Can sibling species of the Drosophila willistoni subgroup be recognized through combined microscopy techniques?

ABSTRACT In several arthropod groups, male genitalia is the most important feature for species identification, especially in cryptic species. Cryptic species are very common in the Drosophila genus, and the Neotropical Drosophila willistoni species group is a good example. This group currently includes 24 species divided into three subgroups: alagitans, bocainensis and willistoni. There are six sibling species in the willistoni subgroup – D. willistoni, D. insularis, D. tropicalis, D. equinoxialis, D. pavlovskiana and D. paulistorum, which is a species complex composed of six semispecies – Amazonian, Andean-Brazilian, Centroamerican, Interior, Orinocan and Transitional. The objective of this study was to characterize male genitalia of the willistoni subgroup, including the D. paulistorum species complex, using scanning electron microscopy and light microscopy. We also tried to contribute to the identification of these cryptic species and to add some comments about evolutionary history, based on male genitalia characters. Despite being cryptic species, some differences were found among the siblings, including the Drosophila paulistorum semispecies.

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.

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)

Analysis of phenotypes altered by temperature stress and hipermutability in Drosophila willistoni

Drosophila willistoni (Sturtevant, 1916) is a species of the willistoni group of Drosophila having wide distribution from the South of USA (Florida) and Mexico to the North of Argentina. It has been subject of many evolutionary studies within the group, due to its considerable ability to successfully occupy a wide range of environments and also because of its great genetic variability expressed by different markers. The D. willistoni 17A2 strain was collected in 1991 in the state of Rio Grande do Sul, Brazil (30°05'S, 51°39'W), and has been maintained since then at the Drosophila laboratory of UFRGS. Different to the other D. willistoni strains maintained in the laboratory, the 17A2 strain spontaneously produced mutant males white-like (white eyes) and sepia-like (brown eyes) in stocks held at 17°C. In order to discover if this strain is potentially hypermutable, we submitted it to temperature stress tests. Eighteen isofemale strains were used in our tests and, after the first generation, all the individuals produced in each strain were maintained at 29°C. Different phenotype alterations were observed in subsequent generations, similar to mutations already well characterized in D. melanogaster (white, sepia, blistered and curly). In addition, an uncommon phenotype alteration with an apparent fusion of the antennae was observed, but only in the isofemale line nº 31. This last alteration has not been previously described as a mutation in the D. melanogaster species. Our results indicate that the D. willistoni 17A2 strain is a candidate for hypermutability, which presents considerable cryptic genetic variability. Different factors may be operating for the formation of this effect, such as the mobilization of transposable elements, effect of inbreeding and alteration of the heat-shock proteins functions.

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)

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.

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.

Esterase patterns and phylogenetic relationships of Drosophila species in the saltans subgroup (saltans group)

The esterase patterns of sixteen strains from four species in the saltans subgroup were analyzed using polyacrylamide gel electrophoresis. Thirty-four esterase bands were detected. By using alpha and beta naphthyl acetates as substrates, they were classified in 18 alpha-esterases (they hydrolyse the alpha-naphtyl substrate), 15 beta-esterases (they hydrolyse the beta-naphtyl substrate) and 1 alpha/beta-esterase (it hydrolyses the alpha and beta-naphtyl substrates). Among the alpha-esterases, three were detected exclusively in males. Malathion, Eserine and pCMB were used as inhibitors in order to characterize biochemically the esterases. The results indicated the presence of cholinesterases, carboxylesterases and acetylesterases. The degree of mobility of the bands in the gels, their specificity to alpha and beta naphthyl acetates and the results of the inhibition tests allowed us to recognize tentatively nine genetic loci. Phylogenetic relationships among species inferred on the basis of the esterase patterns by PAUP 4.0 b8, with neighbor-joining search and a bootstrap analysis showed that, although the four species are closely related, D. septentriosaltans, D. saltans and D. austrosaltans are closer to each other than to D. prosaltans. These results showed to be consistent with phylogenetic relationships previously inferred from inversion polymorphism.

Descripción de tres especies nuevas del género Drosophila (Diptera, Drosophilidae) en el Ecuador

Se encontraron tres especies nuevas de Drosophila entre los individuos colectados en diferentes localidades del Ecuador. Una de las especies nuevas pertenecen al grupo Drosophila willistoni y otra al grupo Drosophila asiri, la tercera especie se encuentra sin agrupar. En todos los muestreos realizados se usaron trampas fabricadas con botellas de plástico agujereadas con cebo de banano y levadura. Las tres especies son: D. (Sophophora) neocapnoptera sp. nov., esta especie es similar a D. capnoptera Patterson & Mainland, 1944, sin embargo presentan algunas diferencias en el ala que permiten distinguirlas. Drosophila (Drosophila) neoasiri sp. nov., una especie similar a D. asiri Vela & Rafael, 2005, la diferencia más relevante entre las dos especies se observa a nivel del edeago y Drosophila (Drosophila) papallacta sp. nov. que por el momento no se encuentra relacionada a ningún grupo de especies del género Drosophila.

Efeito das clareiras de ação petrolífera sobre a composição de Drosophilidae (Diptera) na Bacia do Rio Urucu, Coari-Amazonas

Os drosofilídeos são indicadores das condições do ecossistema em relação aos efeitos do desmatamento das florestas tropicais úmidas, atuando indiretamente como ferramentas para a criação de estratégias de conservação dos grandes biomas. Foi conduzido um estudo na área petrolífera do Urucu - Am, com o intuito de comparar a riqueza e diversidade de espécies de drosofilídeos entre os habitats de clareiras artificiais (jazidas), naturais e floresta contínua. No período de 2003 a 2005 foram realizadas três excursões, nas quais foram utilizadas armadilhas contendo isca de banana fermentada. Para tal, foram utilizados 33 sítios: 11 clareiras naturais, 16 clareiras artificiais e seis transectos em floresta contínua. Além disto, foi testada experimentalmente no campo a capacidade de nove espécies desenvolverem-se nos dos habitats estudados. Foram capturados 7.652 insetos, dentre os quais 4.354 pertencentes à ordem Diptera (56,90%), distribuídos em 24 espécies de Drosophilidae, pertencentes a dois subgêneros: Sophophora e Drosophila. O padrão de abundância das espécies foi diferente entre os habitats. O subgrupo willistoni representou 60,54% do total de drosofilídeos, mais concentrado nas áreas de mata (79,09%). O segundo subgrupo mais abundante foi ananassae, representando 10,40% do total de drosofilídeos, concentrado nas jazidas (35,36%). As curvas de acumulação de espécies, com 227 amostras não tenderam a assíntota, com estimativas que variaram de 24 a 34 espécies. A análise de similaridade no coeficiente de Jaccard mostra 55% de semelhança entre os habitats de clareira natura e jazida, enquanto para Morisita ficou em torno de 98, 1 % entre a mata e clareira natural. Em relação ao experimento, D. malerkotliana foi a única espécie do subgrupo ananassae que emergiu em todos os habitats, apresentando diferenças significativas de emergência entre estes (ANOVA, p<0,001). As espécies do subgrupo willistoni apresentaram menores taxas de emergência, porém estas ocorreram apenas nas áreas de floresta independentemente do local de origem das moscas parentais. Estes resultados mostram a eficiência do método utilizado, precisando aumentar o esforço amostral para estimar a riqueza real de drosofilídeos de frutos.

Seasonal dynamics of a drosophilid (Diptera) assemblage and its potencial as bioindicator in open environments

Drosophila Fallen, 1823 (Diptera, Drosophilidae) is for long a well-established model organism for genetics and evolutionary research. The ecology of these flies, however, has only recently been better studied. Recent papers show that Drosophila assemblies can be used as bioindicators of forested environment degradation. In this work the bioindicator potential of drosophilids was evaluated in a naturally opened environment, a coastal strand-forest (restinga). Data from nine consecutive seasonal collections revealed strong temporal fluctuation pattern of the majority of Drosophila species groups. Drosophila willistoni group was more abundant at autumns, whereas D. cardini and D. tripunctata groups were, respectively, expressive at winters and springs, and D. repleta group at both seasons. The exotic species D. simulans Sturtevant, 1919 (from D. melanogaster group) and Zaprionus indianus Gupta, 1970 were most abundant at summers. Overall, the assemblage structure did not show the same characteristics of forested or urban environments, but was similar to the forests at winters and to cities at summers. This raises the question that this locality may already been under urbanization impact. Also, this can be interpreted as an easily invaded site for exotic species, what might lead to biotic homogenization and therefore can put in check the usage of drosophilid assemblages as bioindicators at open environments.

Seasonal dynamics of a drosophilid (Diptera) assemblage and its potencial as bioindicator in open environments

Drosophila Fallen, 1823 (Diptera, Drosophilidae) is for long a well-established model organism for genetics and evolutionary research. The ecology of these flies, however, has only recently been better studied. Recent papers show that Drosophila assemblies can be used as bioindicators of forested environment degradation. In this work the bioindicator potential of drosophilids was evaluated in a naturally opened environment, a coastal strand-forest (restinga). Data from nine consecutive seasonal collections revealed strong temporal fluctuation pattern of the majority of Drosophila species groups. Drosophila willistoni group was more abundant at autumns, whereas D. cardini and D. tripunctata groups were, respectively, expressive at winters and springs, and D. repleta group at both seasons. The exotic species D. simulans Sturtevant, 1919 (from D. melanogaster group) and Zaprionus indianus Gupta, 1970 were most abundant at summers. Overall, the assemblage structure did not show the same characteristics of forested or urban environments, but was similar to the forests at winters and to cities at summers. This raises the question that this locality may already been under urbanization impact. Also, this can be interpreted as an easily invaded site for exotic species, what might lead to biotic homogenization and therefore can put in check the usage of drosophilid assemblages as bioindicators at open environments.

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.