O estudo de DNA de leopardo na África do Sul traça ancestralidade até a era do gelo — e irá orientar a conservação

Uma era do gelo há quase um milhão de anos levou a um encontro entre leopardos da África Central e do Sul que buscavam pastagens. Novas pesquisas sobre a genética dos leopardos — seu mitogenoma — revelaram que os descendentes desses dois grupos são os leopardos encontrados hoje na província de Mpumalanga, na África do Sul. Uma das pesquisadoras, a ecologista molecular Laura Tensen, estuda a estrutura genética dos leopardos sul-africanos há 14 anos. Ela explica como as novas pesquisas podem ser usadas para ajudar a conservar os grandes felinos ameaçados de extinção.

O que é um mitogenoma?

O DNA é encontrado no núcleo das células e também no genoma mitocondrial, ou mitogenoma. Mitogenomas são moléculas de DNA que flutuam fora do núcleo de uma célula. Eles armazenam seu próprio conjunto de informações genéticas e são herdados maternamente, o que significa que são transmitidos apenas da mãe para a prole.

Os mitogenomas são um "resgate genômico" ao sequenciar todo o genoma. Elas são tão abundantes nas células que é muito fácil extraí-las.

Estudar mitogenomas é uma forma confiável de rastrear a ancestralidade de uma espécie. Isso ocorre porque os genes sofrem mutações (mudam) em uma taxa regular ao longo do tempo. As mudanças no mitogenoma fornecem um retrato da evolução do leopardo ao longo de centenas de milhares de anos.

Como testar o mitogenoma de um leopardo?

Coletamos amostras de tecido de nove leopardos em Mpumalanga, África do Sul, que haviam sido derrubados por carros e mortos. Infelizmente, isso ainda acontece com frequência. Em áreas não protegidas, os atropelamentos nas estradas são responsáveis por toda a mortalidade acidental dos leopardos.

As amostras foram levadas ao laboratório de Genômica de Vida Selvagem da Universidade de Joanesburgo e armazenadas a −20°C antes da extração do DNA.

Para recuperar o mitogenoma, sequenciamos todo o genoma nuclear. Quando os cientistas sequenciam um genoma nuclear completo, isso lhes permite descobrir a sequência de DNA de todos os genes do genoma de um organismo ao mesmo tempo. Isso nos permite descobrir exatamente para que esses genes codificam. Por exemplo, nos leopardos vermelhos, encontramos o gene e a mutação que causam a cor vermelha. Também conseguimos determinar quais genes hereditários podem causar defeitos de saúde no leopardo-vermelho. Poderíamos usar a mesma técnica para encontrar genes que tornem os dois clados (grupos de leopardos relacionados) únicos, ou melhor adaptados aos ambientes locais.

Após extrair os mitogenomas dos dados, os montamos e alinhamos a um genoma de referência — que já tem as posições exatas de todos os genes. O genoma de referência era um que já era sequenciado e armazenado em um banco de dados online, o Genbank, que é a coletânea de todas as sequências de DNA publicamente disponíveis.

Depois, baixamos muitos outros mitogenomas de bancos de dados online, fornecidos por estudos anteriores, para comparar nossas amostras da África do Sul com o restante do continente.

Ao fazer isso, conseguimos descobrir como mutações que surgiram ao longo do tempo foram separadas no espaço geográfico. Algumas das amostras vieram de museus de história natural, coletadas há até 150 anos. Eles representavam a estrutura genética dos leopardos antes de seus habitats serem destruídos pelos humanos.

O que você encontrou?

Descobrimos que os leopardos sul-africanos se originaram de dois clados (ou subfamílias) únicos que foram encontrados no sul e centro da África há aproximadamente 0,8 milhão de anos. É provável que esses clados tenham se originado durante o Pleistoceno Médio, um período entre 1,6 milhão e 0,52 milhão de anos atrás, quando o mundo experimentava um clima instável.

Conseguimos estabelecer isso medindo a linha do tempo evolutiva, ou seja, as datas em que as espécies de leopardo divergiram dos genomas existentes dos leopardos eurasiáticos, assim como dos genomas de leões e tigres. Pesquisas anteriores já haviam mostrado quando esses animais divergiam uns dos outros.

Na África subsaariana, o Pleistoceno, frequentemente chamado de Era do Gelo, foi marcado por ciclos frescos e secos alternando com climas quentes e úmidos. Isso mudou drasticamente a paisagem em todo o continente africano, levando a expansões e contrações repetidas das pastagens da savana.

Como resultado, animais como leopardos eram forçados a se mover, procurando pastagens onde suas presas fossem encontradas. Durante períodos secos, as populações animais ficaram isoladas umas das outras à medida que os desertos tomavam conta das pastagens, tornando-se uma barreira que mantinha os leopardos separados.

Uma vez que as populações de leopardos se separaram, seus genes começaram a se diferenciar com o tempo.

O mesmo tipo de movimentos de leopardos ainda acontece na África do Sul hoje. Principalmente machos jovens podem caminhar até 300 quilômetros de suas casas, buscando novos territórios. Quando o encontram, misturam-se com leopardos de outras partes da África. Não são precisos muitos leopardos para diversificar os genes de uma população. Eventualmente, as populações se conectam ao longo do tempo e do espaço.

Por que isso importa

Esta é a primeira vez que os mitogenomas de leopardo da África do Sul são reunidos. Isso nos permitiu classificar corretamente esses leopardos pela primeira vez. Isso é útil porque pode ajudar em pesquisas adicionais sobre como os leopardos evoluíram. Saber como uma população moderna de leopardos está relacionada às populações antigas, e os caminhos geográficos que elas podem ter seguido para chegar a esse ponto, ajuda nos esforços de conservação.

Na conservação atual, os leopardos frequentemente precisam ser afastados (translocados) para evitar conflitos com humanos em áreas onde os gatos possam entrar em contato com animais e comê-los. É importante saber quais animais são geneticamente diversos para que possamos manter essa diversidade em grandes áreas. Quando os animais são geneticamente diversos, eles têm mais chance de sobreviver a surtos de doenças.

Um dos aspectos mais importantes do nosso estudo foi descobrir que, embora os clados de leopardos possam ter evoluído separadamente, eles fazem parte da mesma metapopulação interconectada que se estende pelo sul da África e pode ser conservada da mesma forma.

Fornecido por The Conversation 

Este artigo é republicado do The Conversation sob uma licença Creative Commons. Leia o artigo original.

 

Um felino de todos os ofícios

pela Universidade de Copenhague

Leopardo. Crédito: Brutus Östling

Grandes carnívoros geralmente são sensíveis a mudanças nos ecossistemas porque sua dieta especializada e posição no topo da pirâmide trófica estão associadas a pequenos tamanhos populacionais. Isso, por sua vez, leva a uma menor diversidade genética em predadores de topo em comparação com animais mais abaixo na cadeia alimentar. A diversidade genética é muito importante para a capacidade de uma espécie sobreviver e se adaptar a mudanças futuras.

Diversidade genética extraordinária em um gato extraordinário

Neste estudo, os pesquisadores sequenciaram o genoma completo de 53 leopardos africanos e os compararam com os leopardos do Amur e outras espécies de grandes felinos. Para surpresa deles, os pesquisadores descobriram que a diversidade genética dos leopardos africanos é extremamente alta: quase quatro vezes maior que a do leopardo do Amur, duas vezes maior que a do leão e quase cinco vezes maior que a do guepardo.

Patrícia Pečnerová, pós-doutoranda do Departamento de Biologia e uma das primeiras autoras compartilhadas, explica:

"A diversidade genética excepcional provavelmente é resultado da capacidade do leopardo de evitar quedas e reduções populacionais. Descobrimos que, durante centenas de milhares de anos, as populações de leopardos africanos permaneceram grandes. Acreditamos que isso reflete a versatilidade da espécie, alimentando-se de uma variedade maior de presas do que qualquer outro grande predador."

Vagando por todos os habitats da África — mas por quanto tempo?

A alta diversidade genética dos leopardos africanos não é a única surpresa escondida nos genomas dos leopardos. Eles também apresentam menos barreiras genéticas dentro do continente africano do que outras espécies de mamíferos.

Kristian Hanghøj, um dos autores correspondentes do estudo, explica:

"Acreditamos que, durante a história evolutiva, o leopardo vagou livremente pelo continente africano do que quase qualquer outra espécie de mamífero, trocando material genético ao longo de todo o tempo. Ele tem uma capacidade única de se adaptar a quase qualquer habitat e clima, e nem florestas tropicais, nem desertos parecem ter bloqueado os movimentos dos leopardos ao longo dos milênios."

As descobertas surpreendentes demonstram como a ecologia de uma espécie — como o quão "exigente" ela é em relação ao habitat e à presa — pode influenciar sua variação genômica. A diversidade genética excepcionalmente alta poderia dar ao leopardo africano uma vantagem para enfrentar desafios ambientais, incluindo mudanças climáticas e destruição de habitats.

No entanto, a fragmentação do habitat é uma ameaça severa para todos os grandes animais, mesmo para aqueles tão habilidosos em lidar com a presença humana quanto o leopardo. As mudanças causadas pelo homem nos habitats naturais estão ocorrendo em um ritmo que provavelmente é rápido demais para que quase qualquer espécie animal selvagem se adapte, e estudos anteriores mostraram que os leopardos africanos perderam entre 48 e 67% de seu habitat natural nos últimos 300 anos.

"Para colocar nossos resultados em um contexto maior, enfatizamos que o leopardo africano também enfrenta graves ameaças à sua sobrevivência, apesar de ser uma espécie de sucesso evolutivo", conclui Patrícia Pečnerová.

Detalhes da publicação

Patrícia Pečnerová et al. Alta diversidade genética e baixa diferenciação refletem a versatilidade ecológica do leopardo africano, Current Biology, 25 de fevereiro de 2021DOI:doi.org/10.1016/j.cub.2021.01.064

Informações do periódico: Current Biology 

 

Os leopardos se adaptaram ao Cabo da África do Sul com tanto sucesso que são geneticamente únicos

Leopardo macho fotografado por uma armadilha fotográfica de leopardo. Crédito: Cape Leopard Trust

Animais da mesma espécie nem sempre têm a mesma aparência. Desde aves com diferentes formatos de bico até mamíferos que variam em tamanho ou cor, populações que vivem em lugares diferentes podem frequentemente ter aparências muito diferentes.

O que é muito mais difícil de definir é por que essas diferenças surgem. Eles são moldados pelos ambientes locais? Ou é movido por seleção natural ou sexual? Ou são simplesmente resultado da perda aleatória de variantes genéticas à medida que as populações ficam isoladas e divergem lentamente ao longo do tempo?

Faço parte de uma equipe de conservacionistas e pesquisadores de leopardos que se propuseram a responder algumas dessas perguntas quando investigamos uma população notável de menos de 1.000 leopardos na Região Florística do Cabo do Sul, na África do Sul, uma área que abrange o Cabo Ocidental do país e partes do Cabo Oriental e do Cabo Norte.

Esses leopardos são muito menores do que os de outras partes do continente — em alguns casos apenas metade da massa corporal. Por décadas, pesquisadores e conservacionistas debateram se os leopardos desta região são realmente uma população separada em termos de seus genes e, se sim, o que pode estar causando essa diferença.

Estudos genéticos anteriores ofereceram apenas respostas limitadas. A maioria dependia de um pequeno número de marcadores genéticos — pontos específicos no DNA onde as mutações tendem a ocorrer mais. Isso é útil para identificar padrões em grande escala, mas deixa de lado os detalhes mais precisos para entender como as populações evoluem.

Para preencher essa lacuna na pesquisa, recorremos a dados do genoma inteiro. Isso significa que, em vez de buscar pequenas regiões do DNA onde esperamos variação, analisamos a sequência completa de bases pareadas de DNA que compõem o genoma do leopardo (2,57 bilhões de pares de bases ou aproximadamente 19.000 genes no total). Junto com especialistas locais em leopardos e biólogos evolutivos, coletamos tecido muscular ou de pele dos leopardos e os comparamos com os genomas de leopardos de outras partes da África.

Descobrimos que os leopardos do Cabo são geneticamente diferentes de outros leopardos africanos. Isso porque eles estão isolados de outros leopardos há muito tempo e se adaptaram a uma única região. Isso tem implicações importantes para a conservação. Nosso estudo foi publicado na revista Heredity.

Leopardos no Cabo: menores, isolados e geneticamente únicos

Os leopardos estão entre os grandes carnívoros mais espalhados do mundo, encontrados em toda a África e partes da Ásia. Oito subespécies são atualmente reconhecidas, incluindo o leopardo africano (Panthera pardus pardus).

O leopardo africano encontrado na maior parte da África Subsaariana apresenta variações extraordinárias na cor do pelagem, tamanho do corpo e formato do crânio. Em geral, leopardos que vivem em habitats abertos tendem a ser maiores e mais claros, enquanto os que vivem em áreas florestadas costumam ser menores e escuros.

Os leopardos da Região Florística do Cabo (uma área biodiversa rica em plantas encontradas em nenhum outro lugar do mundo) são uma exceção ao padrão. Eles são relativamente pequenos em volume, mas até agora, ninguém sabia o motivo de sua aparência distinta.

Nossa pesquisa descobriu que os leopardos do Cabo não são apenas menores que outros leopardos africanos, eles também formaram seu próprio grupo genético, claramente separado dos leopardos de outras partes do sul e leste da África.

Um padrão semelhante surgiu para leopardos de Gana, na África Ocidental. Em ambos os casos, houve pouca evidência de mistura genética recente com populações vizinhas.

Leopardos ocorrem e se movem ao longo de toda a cadeia montanhosa Cape Fold Belt, que serve como refúgio para os felinos. Além das bordas norte e leste dessa cadeia montanhosa, parece que o movimento dos leopardos para — as barreiras aparentes são um semi-deserto muito seco no norte e alta atividade humana em grande parte do Cabo Oriental.

Como as mudanças climáticas e a perseguição humana moldaram os leopardos no Cabo ao longo de 20.000 anos

Olhar para trás no tempo ajudou a explicar por que essa população é geneticamente única. Nossas análises sugerem que esses leopardos começaram a divergir das populações mais a leste cerca de 20.000–24.000 anos atrás, durante o Último Máximo Glacial (a fase mais fria da última era glacial).

Estimamos isso analisando o DNA do genoma inteiro para reconstruir quando as populações se dividiram e quanto trocaram genes no passado. (Efetivamente lemos a história evolutiva compartilhada deles, escrita no genoma.)

Durante esse período, o sul da África tornou-se mais frio e seco, com menos pastagens e menos alimento, dificultando a movimentação e sobrevivência dos animais e causando a separação das populações. Mais recentemente, o número de leopardos caiu drasticamente nos séculos XIX e XX, provavelmente devido à caça humana, perda de habitat e sistemas de recompensa que incentivaram os agricultores a matar leopardos. Em 1968, a recompensa dos leopardos terminou e a população começou a se recuperar à medida que os esforços de conservação aumentavam.

Como eles foram isolados de outros leopardos e caçados, esperávamos que nossa pesquisa mostrasse que os leopardos do Cabo estavam geneticamente esgotados (quando pequenas populações se consanguinizam e perdem diversidade genética). A baixa diversidade genética dificulta a adaptação das populações a novas ameaças como mudanças climáticas, doenças e pressão humana. No entanto, descobrimos que eles têm uma diversidade genética apenas ligeiramente menor do que outras populações africanas — um achado realmente positivo.

Pistas no genoma apontam para a adaptação

Também queríamos descobrir por que os leopardos do Cabo são menores em tamanho.

Encontramos cerca de 90 genes mais comuns nesses leopardos, ligados ao tamanho do corpo, músculos, ossos e uso de energia. Essas diferenças fazem sentido, já que o ambiente em que vivem tem presas muito menores e mais dispersas do que outros habitats de leopardos. Leopardos do Cabo se alimentam principalmente de espécies como hyrax (Procavia capensis), klipspringer (Oreotragus oreotragus) e grysbok do Cabo (Raphicerus melanotis).

Juntos, esses sinais genômicos sugerem que esses leopardos são pequenos porque se adaptaram dessa forma, e não apenas por causa do isolamento ou deriva genética.

Por que isso importa para a conservação

Populações geneticamente distintas e adaptadas localmente são frequentemente descritas como unidades evolutivamente significativas. Isso significa que eles representam um ramo único da história evolutiva de uma espécie e precisam de proteção específica para que possam continuar se adaptando a mudanças futuras.

Leopardos na Região Florística do Cabo ocupam uma paisagem diferente de qualquer outra no sul da África, moldada pela baixa disponibilidade de presas, vegetação única e populações humanas em rápida expansão. Grandes reservas cercadas são raras, e leopardos frequentemente se movem por paisagens agrícolas e urbanas, onde conflitos com pessoas são comuns.

Para conservar esses leopardos, seus habitats precisam ser conectados para que possam se mover sem restrições e seguros contra perseguições. A caça ilegal e as mortes nas estradas são duas ameaças adicionais que precisam ser enfrentadas para garantir a persistência dos leopardos nas paisagens. Trabalhar em parceria com proprietários de terras e comunidades é essencial para proteger os leopardos.

Ao conservar esses leopardos, não estamos apenas salvando um predador icônico, mas também preservando um legado evolutivo moldado ao longo de milhares de anos por uma das paisagens mais distintas do continente africano.

Pesquisadores do Cape Leopard Trust Katy Williams e Jeannie Hayward coautoraram a pesquisa na qual este artigo foi baseado.

Detalhes da publicação

Laura Tensen et al, Divergência genômica de leopardos na Região Florística do Cabo, África do Sul: potenciais impulsionadores para adaptação local, Heredity (2026). DOI: 10.1038/s41437-026-00822-z

Informações do periódico: Heredity 

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Quanto tempo levam as novas espécies para evoluir?

Notícias

Por Michael Dhar

publicado 17 de setembro de 2022

Novas espécies podem se formar com uma rapidez surpreendente – ou o processo pode levar eras. 

 

 

Charles Darwin ficou famoso por ficar maravilhado com as “formas infinitas, mais belas e mais maravilhosas” produzidas pela evolução e, de fato, a Terra hoje está repleta de cerca de 1 trilhão de espécies . Mas quanto tempo levou para essas espécies evoluírem?

A resposta varia amplamente entre as formas de vida, “dependendo dos táxons [tipo de criatura] e das condições ambientais”, disse Thomas Smith, professor de ecologia e biologia evolutiva da Universidade da Califórnia, em Los Angeles, à WordsSideKick.com. Varia de escalas de tempo observáveis ​​pelo homem até dezenas de milhões de anos.

Crucialmente, porque a evolução acontece através de mudanças herdadas, a velocidade de reprodução de uma criatura, ou o tempo de geração, limita a taxa à qual novas espécies podem se formar – conhecida como taxa de especiação – de acordo com a Universidade da Califórnia, Santa Bárbara (UCSB). Por exemplo, como as bactérias se reproduzem tão rapidamente, “dividindo-se em duas a cada poucos minutos ou horas”, podem evoluir para novas variedades em anos ou mesmo dias, de acordo com o Museu Americano de História Natural da cidade de Nova Iorque.

Pode ser complicado, no entanto, determinar quais variedades bacterianas contam como novas espécies, disse Smith. Embora os cientistas definam as espécies com base na possibilidade de cruzarem, as bactérias não se reproduzem sexualmente. No entanto, um estudo de 2008 publicado na revista Proceedings of the National Academy of Sciences relatou que uma linhagem de bactérias E. coli observada durante décadas desenvolveu a capacidade de utilizar citrato como fonte de alimento num ambiente oxigenado. Como a incapacidade de fazer isso é “uma característica definidora da E. coli como espécie”, a mudança poderia representar o início de uma nova espécie, disseram os pesquisadores – uma que se desenvolveu dentro de alguns anos.

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As plantas, num fenômeno conhecido como poliploidia, podem duplicar todo o seu genoma em sementes, resultando em cópias adicionais de cada cromossomo e numa nova espécie numa geração. O isolamento reprodutivo resultante “cria automaticamente uma nova espécie”, disse Smith.

E como muitas plantas se reproduzem por si mesmas, o novo organismo poliploide pode criar mais espécies novas. “As plantas costumam ser autofecundantes, então podem dar origem a uma população inteira”, disse UCSB. 

 

Mesmo no reino animal, a especiação pode ocorrer em escalas de tempo observáveis ​​pelo homem, particularmente entre insetos de geração rápida. As moscas larvas da maçã ( Rhagoletis pomonella ), por exemplo, historicamente se alimentaram de plantas de espinheiro, mas algumas mudaram para maçãs domesticadas depois que estas chegaram ao Nordeste dos EUA em meados do século XIX. Desde então, os dois grupos tornaram-se reprodutivamente isolados, de acordo com um estudo de 2006 publicado na revista Annals of the Entomological Society of America , e são agora considerados "raças hospedeiras" - o primeiro passo num tipo de especiação sem barreiras físicas.

A especiação geralmente se move mais lentamente nos vertebrados, mas ainda pode acontecer rapidamente. Um estudo de 2017 publicado na revista Science relatou que um tentilhão das Galápagos imigrou para uma nova ilha e cruzou com uma ave nativa, produzindo uma nova linhagem reprodutivamente isolada dentro de três gerações. Essa linhagem pode representar o início muito rápido da especiação através da hibridização de espécies, em vez do acúmulo mais lento de adaptações, disse o coautor do estudo Leif Andersson, geneticista da Universidade de Uppsala, na Suécia, à WordsSideKick.com.

“Este é um cenário possível de como uma nova espécie pode se formar”, disse Andersson. "Mas então o quão estável será durante um longo período de tempo é mais incerto."

Limites de velocidade

 

 

O recorde de velocidade para a especiação total entre os vertebrados provavelmente pertence aos peixes ciclídeos no Lago Vitória, na África, disse Smith. Esses peixes explodiram em 300 espécies “de um único fundador, há menos de 12 mil anos”, disse ele. Algumas pesquisas, como um estudo de 2000 publicado na revista Proceedings of the Royal Society B , questionaram esse cronograma, mas a especiação de ciclídeos "é extraordinária", disse Smith.

Para encontrar um limite superior para os tempos de especiação, observe a especiação que ocorre devido a barreiras físicas, disse Smith. Por exemplo, as jiboias, encontradas principalmente nas Américas, e as pítons, nativas da África e da Ásia, diferenciaram-se após a separação da América do Sul da África. Isto provavelmente representa dezenas de milhões a 100 milhões de anos desde a divisão continental até à especiação completa, disse Smith. (O último ancestral comum dessas cobras deslizou há cerca de 70 milhões de anos, durante a era dos dinossauros , de acordo com a Universidade Nacional da Austrália , enquanto a África e a América do Sul se separaram há cerca de 140 milhões de anos .)

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Nomear um tempo de especiação médio ou mais comum é um desafio, disse Andersson, mas os cientistas podem estimar os ancestrais mais recentes, dando uma ideia aproximada. “Em aves e mamíferos, o que vemos é que normalmente… uma divisão entre espécies bem desenvolvidas tem cerca de um milhão de anos”, disse ele.

Um estudo de 2015 publicado na revista Molecular Biology and Evolution forneceu outra estimativa. Com base em dados de mais de 50 mil espécies (embora incluíssem poucas bactérias), os investigadores descobriram que a especiação geralmente requer a acumulação de mutações ao longo de 2 milhões de anos. Isto se aplica a vertebrados, artrópodes (um grupo que inclui insetos, aracnídeos e crustáceos) e plantas.

No entanto, tais modelos exigem muitas suposições, alertaram outros pesquisadores em uma matéria da Quanta Magazine sobre a pesquisa. Os cientistas estão numa base mais sólida no que diz respeito aos fatores que abrandam ou aceleram a especiação em geral – nomeadamente a pressão ambiental e o isolamento reprodutivo, disse Smith. “Em todas as espécies… quanto maior a pressão de seleção e menor o fluxo gênico, maior a probabilidade de ocorrer especiação”, disse ele.

Publicado originalmente no Live Science.