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terça-feira, 19 de junho de 2018

Mitochondrial genome of a 22,000-year-old giant panda from southern China reveals a new panda lineage

Summary

Present-day giant pandas (Ailuropoda melanoleuca) are estimated to have diverged from their closest relatives, all other bears, ∼20 million years ago, based on molecular data [1]. With fewer than 2,500 individuals living today [2], it is unclear how well genetic data from extant and historical giant pandas [3] reflect the past [3].

To date, there has been no complete mitochondrial DNA (mtDNA) sequenced from an ancient giant panda. Here, we use ancient DNA capture techniques [4] to sequence the complete mitochondrial genome of a ∼22,000-year-old giant panda specimen (radiocarbon date of 21,910–21,495 cal BP with ± 2σ at 95.4% probability; Lab.no Beta-473743) from the Cizhutuo Cave, in Leye County, Guangxi Province, China (Figure 1A). Its date and location in Guangxi, where no wild giant pandas live today, as well as the difficulty of DNA preservation in a hot and humid region, place it as a unique specimen to learn about ancient giant pandas from the last glacial maximum. We find that the mtDNA lineage of the Cizhutuo panda coalesced with present-day pandas ∼183 thousand years ago (kya, 95% HPD, 227–144 kya), earlier than the time to the most recent common ancestor (TMRCA) of mtDNA lineages shared by present-day pandas (∼72 kya, 95% HPD, 94–55 kya, Supplemental Information). Furthermore, the Cizhutuo panda possessed 18 non-synonymous mutations across six mitochondrial genes. Our results show that the Cizhutuo mtDNA lineage underwent a distinct history from that of present-day populations.

Main Text

As the specimen was found in a subtropical environment, which makes biological preservation and recovery of endogenous DNA difficult, we performed hybridization capture using probes [4] to successfully capture the complete panda mitochondrial genome from the Cizhutuo specimen (Supplemental Information). We successfully aligned 148,326 fragments to a giant panda mitochondrial genome reference (GenBank: EF212882). After removing duplicated fragments, we obtained 282-fold coverage across the complete mitochondrial genome (Supplemental Information). We verified the authenticity of the ancient mtDNA by finding short fragments averaging a length of 62 base pairs (Supplemental Information) and calculated high C→T frequencies (39–63%) at the end of fragments (Supplemental Information), suggesting high cytosine deamination, a prominent feature of ancient DNA [5]. Finally, we determined that the average support for the consensus base was 98.8%, which suggests that these mtDNA fragments belonged to one individual (Supplemental Information). We conclude that the mtDNA captured was ancient, derived from a single individual, and is likely to be endogenous to this specimen.

We reconstructed the phylogeny of the family Ursidae using complete mitochondrial genomes (Supplemental Information) of 138 present-day bears and 32 ancient bears, including that from the Cizhutuo specimen. We verified that the Cizhutuo panda was genetically more similar to present-day giant pandas than other bear species but was placed outside the mtDNA diversity of present-day giant pandas (Figure 1B). Using tip calibration with the 32 ancient bear samples, we estimated a mutation rate for the complete mtDNA genome at 2.22 × 10-8 (95% HPD, 1.83–2.60 × 10-8)substitutions/site/year (Supplemental Information). With this mutation rate, the estimated time of the mtDNA coalescence for giant pandas and other bears was ∼10 million years ago (95% HPD, 12–8 million years ago), which corroborates with the appearance of the oldest specimen assigned to the giant panda lineage, Kretzoiarctos (12–11 million years ago), found in Europe [6], as well as the oldest specimen found in China at the Yuanmou locality (8–7 million years ago) [7, 8]. 

The matrilineal coalescence time for the Cizhutuo panda and the mitochondrial ancestor of present-day giant pandas was ∼183 kya (95% HPD, 227–144 kya), much older than the TMRCA for present-day pandas of ∼72 kya (95% HPD, 94–55 kya, Supplemental Information). These results were consistent when re-estimated using different partitions of the mtDNA coding region (Supplemental Information), and they highlight that the Cizhutuo panda’s maternal lineage had a long and unique history that differed from the maternal lineages leading to present-day panda populations.
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Figure 1

The Cizhutuo panda is on a distinct mtDNA lineage from present-day populations.
(A) Geographic location of ancient and present-day pandas used in this study, along with a computer tomography of the Cizhutuo skull. The Cizhutuo panda (red) was found in Guangxi province, and the present-day giant panda populations, Qinling (blue) and non-Qinling (green), live in Shaanxi, Gansu and Sichuan provinces. The base map of China chart no. GS(2016)1550 was downloaded from the National Administration of Surveying, Mapping and Geoinformation. (B) Reconstructed phylogeny of the family Ursidae (left; 170 individuals) and an enlarged view of the giant panda subfamily, Ailuropodinae (right; 50 individuals), showing that the Cizhutuo mtDNA lineage is more closely related to present-day pandas than to other bears, and that the coalescence between the Cizhutuo and present-day mtDNA lineages is much older than the coalescence between present-day panda mtDNA lineages. Posterior values are the listed numbers, and the 95% HPD are shown as grey bars.
For the Cizhutuo panda, we found 46 synonymous and 18 non-synonymous mutations in the mtDNA coding region (Supplemental Information). The 18 non-synonymous mutations were located in the ND2, ND3, ND4L, ND4, ND5 and cytb genes encoding the respiratory complexes I and III (Supplemental Information). The Cizhutuo individual lived in a subtropical environment during the last glacial maximum, while present-day pandas live in a temperate environment [9]. That, along with a colder climate across East Asia around 200 kya [10] when their populations likely diverged, might have played a role in the diverging histories observed in their mtDNA lineages. Adding more ancient data, particularly from the nuclear genome, would help to further clarify both the population history and environmental adaptations of ancient pandas.

Acknowledgements

We thank Hongru Wang for helpful discussion and comments, Matthias Meyer and Birgit Nickel for technical help, the Beijing Caver for discovering the specimen, Yong Xu for his help in editing images and Wanjing Ping for administrative aid. This work was supported by: Chinese Academy of Sciences (XDB13000000), NSFC (91731303, 41672021, 41630102), Chinese Academy of Sciences (QYZDB-SSW-DQC003, XDA19050102, XDPB05), National Key R&D Program of China (2016YFE0203700), and the Howard Hughes Medical Institute (grant no. 55008731). Y.Z. is funded in part by the fund “Paleontology Fieldwork and Fossil Preparation”, CAS.

Author Contributions

Q.F. conceived and designed the study. A.M.S.K. and Q.F. performed the analysis and wrote the manuscript. Q.F., Y.Z., Y.H., P.C., X.F., L.Z., and F.W. performed sample collection, experiment and data processing. A.M.S.K. and Q.F. performed data analysis. A.M.S.K., M.A.Y. and Q.F. wrote and revised the manuscript. All authors read and approved the final manuscript.

Supplemental Information

References

Authors

Title

Source

  • Hu, Y., Wu, Q., Ma, S., Ma, T., Shan, L., Wang, X., Nie, Y., Ning, Z., Yan, L., Xiu, Y. et al. Comparative genomics reveals convergent evolution between the bamboo-eating giant and red pandas. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2017; 114: 1081–1086
  • Wei, F., Hu, Y., Zhu, L., Bruford, M.W., Zhan, X., and Zhang, L. Black and white and read all over: The past, present and future of giant panda genetics. Mol. Ecol. 2012; 21: 5660–5674
  • Zhu, L., Hu, Y., Qi, D., Wu, H., Zhan, X., Zhang, Z., Bruford, M.W., Wang, J., Yang, X., Gu, X. et al. Genetic consequences of historical anthropogenic and ecological events on giant pandas. Ecology. 2013; 94: 2346–2357
  • Fu, Q., Meyer, M., Gao, X., Stenzel, U., Burbano, H.A., Kelso, J., and Paabo, S. DNA analysis of an early modern human from Tianyuan Cave, China. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2013; 110: 2223–2227
  • Sawyer, S., Krause, J., Guschanski, K., Savolainen, V., and Paabo, S. Temporal patterns of nucleotide misincorporations and DNA fragmentation in ancient DNA. PLoS One. 2012; 7: e34131
  • Abella, J., Alba, D.M., Robles, J.M., Valenciano, A., Rotgers, C., Carmona, R., Montoya, P., and Morales, J. Kretzoiarctos gen. nov., the oldest member of the giant panda clade. PLoS One. 2012; 7: e48985
  • Qi, G., Dong, W., Zheng, L., Zhao, L., Gao, F., Yue, L., and Zhang, Y. Taxonomy, age and environment status of the Yuanmou hominoids. Chinese Sci. Bull. 2006; 51: 704–712
  • Dong, W. and Qi, G.Q. Hominoid-producing localities and biostratigraphy in Yunnan. in: X.M. Wang, L.J. Flynn, M. Fortelius (Eds.) Fossil Mammals of Asia. Columbia University Press, New York; 2013: 293–313
  • Wang, S., Xu, X., Shrestha, N., Zimmermann, N.E., Tang, Z., and Wang, Z. Response of spatial vegetation distribution in China to climate changes since the Last Glacial Maximum (LGM). PLoS One. 2017; 12: e0175742
  • Qi, B., Hu, D., Zhao, X., Zhang, X., Zhang, Y., Yang, X., Zhao, Z., and Gao, Xi. Fossil sand wedges in the northern shore of Qinghai Lake: discovery and paleoclimatic implications. J. Glaciol. Geocryol. 2014; 36: 1412–1419
  • terça-feira, 5 de junho de 2012

    TOP 10 das Espécies do Planeta - As Dez Espécies Mais Ameaçadas do Mundo

    A WWF publicou a sua lista das 10 espécies mundiais mais ameaçadas em 2010 e às quais irá dedicar uma especial atenção durante este ano.
    As espécies escolhidas pela organização mundial de conservação são apenas algumas de um vasto universo que está a ser ameaçado de forma preocupante e negligente pela perda de habitats, pela caça ilegal e as alterações climáticas.
    Como manter o Planeta Vivo é uma tarefa que depende de cada um de nós, e aproveitando ser 2010 o Ano Internacional da Biodiversidade, a WWF deixa o apelo, a quem queira manter vivas as espécies ameaçadas, que ajude a WWF na sua missão de conservação da biodiversidade do Planeta.

    Tigre

    • Estudos recentes indicam que existem apenas 3.200 tigres (Panthera tigris) no seu habitat natural.
    • A distribuição territorial da espécie diminuiu em 40% nos últimos dez anos, o que faz com que os Tigres ocupem menos de 7 % do território originalmente ocupado.
    • O desflorestação acelerada e o aumento da caça clandestina de espécies exuberantes pode conduzir as populações de tigre para o mesmo destino que os seus já extintos parente próximos: os tigres de Java e Bali. A caça furtiva ao tigre tem como principal objectivo a recolha de algumas partes dos seus corpos para uso na medicina tradicional Asiática, por seu lado as peles destes animais são altamente cobiçadas no mercado.
    • Adicionalmente, o aumento do nível do mar devido às alterações climáticas, ameaça o habitat natural destas populações de tigres na Índia e Bangladesh: os mangais. A WWF procura desempenhar um papel activo e importante na implementação de novas medidas estratégicas para salvar este grande felino asiático.
    Confira a reportagem sobre esta espécie com Nicholas Cox, coordenador da WWF no Laos
       / ©: Martin Harvey / WWF-Canon
    © Martin Harvey / WWF-Canon

    Urso Polar

    • O Urso Polar do Ártico (Ursus maritimus) converteu-se no ícone simbólico das mais recentes vítimas de perda de habitats devido às consequências nefastas das mudanças climáticas.
    • Classificado como uma espécie em perigo, pela Acta dos Estados Unidos sobre Espécies Ameaçadas, o urso polar pode extinguir-se das planícies gélidas do Árctico no próximo século, se a tendência de aumento de temperatura naquele território se mantiver.
    • A WWF apoia investigações no campo que procuram entender como as alterações climáticas afectam a vida desta espécie e procura desenvolver estratégias de adaptação. O trabalho da organização de conservação é desenvolvido em estreita colaboração com os Governos e Indústrias na tentativa de se reduzirem ameaças de actividades industriais e comerciais desenvolvidas naquela zona, como transportes, exploração de gás e petróleo. A WWF procura ainda minimizar os confrontos entre a comunidade local e os ursos, que possam ocorrer devido a questões ligadas com o território e alimentação.
      / ©: David Jenkins/Canon WWF
    © David Jenkins/Canon WWF

    Morsa do Pacífico

    • O mar de Chuckchi e o mar de Bering no Árctico são o lar da morsa do Pacífico (Odobenus rosmarus divergens), outra das principais vítimas das alterações climáticas.
    • Em Setembro de 2009 foram encontradas mortas cerca de 200 morsas na costa do mar Chuckchi, no Alaska. Estes animais dependem das placas de gelo flutuante para descansar, darem à luz, amamentar e protegerem as suas crias dos predadores. Com o intenso degelo no Árctico, esta espécie perdeu uma enorme percentagem do seu extenso habitat, de tal forma que nesse mesmo mês, os Serviços Norte americanos de Vida Selvagem e Pesca nomearam a morsa para elencar a Acta dos Estados Unidos sobre Espécies Ameaçadas

    Pinguim de Magalhães

    • Já anteriormente ameaçados devido aos derrames de crude, os pinguins de Magalhães (Spheniscus magellanicus) enfrentam agora a escassez e quase desaparecimento dos peixes que lhes servem de alimento. Derivado ao aumento da temperatura da água do mar, os peixes afasta-se cada vez mais dos seus locais de origem e obrigam os pinguins a viajar mais para procurarem alimento. Em 2008, centenas de pinguins chegaram às praias do Rio de Janeiro (Brasil), muitos deles já sem vida outros moribundos.
    • Os cientistas especulam se as variações de temperatura nas correntes marítimas, ligadas aos fenómenos das alterações climáticas, serão a causa para este fenómeno raro de pinguins em praias de areia em vez de gelo.
    • Actualmente 12 das 17 espécies de pinguins existentes estão a sofrer fortes diminuições nas suas populações.

    Tartaruga de Couro

    • A tartaruga de Couro (Dermochelys coriacea) é a maior das tartarugas marinhas e um dos répteis que assegurou a sua sobrevivência durante centenas de milhares de anos. No nosso milénio, são das espécies que enfrentam o mais grave perigo de extinção.
    • Estimativas recentes indicam que a população desta espécie sofre um acentuado declínio, em particular no Pacífico, onde se calculam que apenas existam 2.300 tartarugas – tornando a tartaruga de Couro, a mais ameaçada do mundo.
    • No Atlântico, esta espécie de tartaruga apresenta uma população mais estável, contudo os cientistas prevêem que tal poderá sofrer alterações devido à morte de muitas destas tartarugas em capturas acidentais das embarcações de pesca.
    • Uma ameaça adicional a esta espécie é o aumento do nível do mar assim como o aumento das temperaturas nas praias do Atlântico.
    • O objectivo da WWF é proteger a rota migratória da tartaruga de coro, desenvolvendo um trabalho de consciencialização junto dos pescadores de forma a conseguirem-se encontrar métodos de pesca que não colham as tartarugas, bem como consciencializar as populações locais a proceder à protecção das praias prioritárias para a nidificação das tartarugas e cuidarem da conservação da espécie.

    Atum Rabilho do Atlântico

    • O atum rabilho (Thunnus thynnus) é um peixe migratório que se distribui pelas costas Leste e Oeste do Atlântico e se reproduz no Mar Mediterrâneo. É, por isso, uma das espécies seguidas pela programa da WWF Mediterrâneo em Portugal
    • O atum rabilho (ou vermelho) é sobretudo utilizado na gastronomia japonesa de alta qualidade. A espécie encontra-se perto do colapso caso as práticas de captura do peixe permaneçam sem regras que visam a sua sustentabilidade.
    • A proibição temporária da captura do atum rabilho no Atlântico e Mar Mediterrâneo bem como a proibição da comercialização internacional desta espécie poderia permitir a recuperação da espécie.
    • A WWF lançou o apelo aos restaurantes, chefs de cozinha, comerciantes e consumidores que deixem de comprar, vender e consumir o atum rabilho até que a espécie mostre sinais de recuperação.
     / ©: Brian J. Skerry /National Geographic Stock / WWF
    © Brian J. Skerry /National Geographic Stock / WWF

    Gorila da montanha

    • Os cientistas consideram o gorila da montanha (Gorilla beringei beringei) uma subespécie de gorila em perigo crítico de extinção, com apenas 720 indivíduos no seu estado selvagem. Mais de 200, habitam o Parque Nacional de Virunga, localizado na zona este da República Democrática do Congo, na fronteira com o Ruanda e Uganda. Áreas de conflito humano permanente que se repercute na perda dos habitats naturais da espécie e na caça ilegal do gorila da montanha.
    • Graças aos esforços de conservação encetados nos últimos 12 anos em Virunga, a população de gorilas da montanha aumentou cerca de 14% e cerca de 12% em Bwindi, no Uganda, considerado o segundo lar desta espécie.
    • Por Portugal ser o principal importador de madeira tropical oriunda da Republica Democrática do Congo, a WWF desenvolve o Programa da Rede Ibérica de Comércio Florestal, que visa combater a Desflorestação na Bacia do Congo, através de politicas de compras responsáveis de madeira, eliminando os produtos de origem ilegal. Desta forma a WWF combate a exploração florestal ilegal que destrói o habitat do Gorila da Montanha.

    Borboleta Monarca

    • Todos os anos, milhões de delicadas borboletas monarca (Danaus plexippus) imigram do Canadá e dos Estados Unidos para passarem o Inverno nas florestas do México.
    • A conservação e protecção efectiva das florestas altas de abetos e pinheiros do México é essencial para a sobrevivência dos locais de hibernação desta espécie de borboleta – processo que já foi identificado como sendo um fenómeno biológico que, não sendo respeitado, levará à extinção da espécie.
    • A protecção dos seus habitats nos Estados Unidos e Canadá é igualmente prioritária e crucial para salvar a migração desta espécie.
    • A WWF desenhou uma estratégica de conservação inovadora para proteger e restaurar o habitat de hibernação das borboletas monarca no México, com vista a protege-las dos climas extremos e outras ameaças. A WWF incentiva, por isso, as comunidades locais a criarem estufas de árvores, que posteriormente são reintroduzidas nas reservas das borboletas mariposa, criando novos fluxos de receitas para os proprietários das florestas.
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    Rinoceronte de Java

    • Em estado crítico de extinção e na Lista Vermelha da União Internacional de Conservação da Natureza (2009), o rinoceronte de Java (Rhinoceros sondaicus) é considerado o mamífero de grande porte em maior perigo de extinção a nível mundial, com uma população de apenas 60 animais.
    • Altamente procurado para uso em terapias da medicina tradicional chinesa, a população de rinocerontes de Java tem sofrido uma outra perseguição à sua sobrevivência: a conversão do seu habitat (florestas) em zonas de cultivo.
    • A WWF tem marcado presença nas políticas de protecção e conservação do rinoceronte de Java desde 1998, apoiando os guardas florestais a aumentar o patrulhamento das florestas e nas actividades de protecção, desenvolvendo censos da população de rinocerontes, criando uma maior consciência da importância da espécie para as comunidades locais e apoiando a manutenção e gestão de parques.
    • Em Dezembro de 2009, com a ajuda de cães altamente treinados, a WWF conseguiu encontrar provas da existência do único e estranho rinoceronte de Java vietnamita do qual se pensa apenas existirem mais doze exemplares.
     / ©: WWF Greater Mekong Programme
    © WWF Greater Mekong Programme

    Panda gigante

    • O panda gigante (Ailuropoda melanoleuca), símbolo da organização global de conservação WWF desde a sua fundação em 1961, enfrenta um futuro incerto, com menos de 2.500 exemplares no seu habitat natural.
    • As montanhas sud-ocidentais da China, habitat desta espécie, fragmentaram-se o que levou à divisão da população de pandas gigantes e logo, à deterioração da população.
    • A WWF tem colaborado em projectos de conservação do panda gigante durante quase três décadas, conduzindo estudos de campo, trabalhando na protecção dos habitats e, mais recentemente, apoiando o Governo chinês no estabelecimento de um programa de protecção do panda no seu habitat natural através da criação de reservas.
      / ©: WWF-Canon / Bernard DE WETTER
    © WWF-Canon / Bernard DE WETTER

    Em Portugal...
    Águia Imperial

    • A Águia Imperial (Aquila adalberti) é uma ave soberba que ocorre em montados, sobreirais e azinhais que tenham áreas abertas de pastagem ou de cultura de cereais e manchas de mato onde esta ave possa capturar as suas presas principais, nomeadamente o coelho-bravo.
    • A diminuição das populações de coelho-bravo (nomeadamente devido a doenças) assim como a fragmentação do seu habitat preferencial – os montados e bosques de sobreiro e azinheira – são factores de ameaça à ocorrência da Águia Imperial em Portugal.
    • A WWF em Portugal tem encetado acções de protecção e conservação da espécie através do seu habitat preferencial, o montado, e mais recentemente alertando o Governo Português, levando a cabo uma petição para instaurar o Dia da Águia, como forma de consciencializar todos para a necessidade de protecção dos montados e das espécies que dele dependem.