Submitted by Gizele Lima (gizele.lima@inpa.gov.br) on 2017-07-21T13:03:54Z No. of bitstreams: 2 Tese_Lucas_Barros.pdf: 1850198 bytes, checksum: 62400eaf2f3b58b6f7a4e408a60f7e0d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-21T13:03:54Z (GMT). No. of bitstreams: 2 Tese_Lucas_Barros.pdf: 1850198 bytes, checksum: 62400eaf2f3b58b6f7a4e408a60f7e0d (MD5) license_rdf: 0 bytes, checksum: d41d8cd98f00b204e9800998ecf8427e (MD5) Previous issue date: 2017-04-07 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / The Anostomidae are a fish family composed about 145 species distributed in 13 genera. The family is known in the North of Brazil as aracus and in other regions as piaus. In the present work 90 specimens of this family were analyzed, representing the species Megaleporinus trifasciatus (former Leporinus trifasciatus), Leporinus fasciatus, L. friderici, L. agassizi, Laemolyta taeniata, Anostomoides laticeps, Rhytiodus microlepis and Shizodon fasciatus. The samples were collected in five different locations in the Amazon region with the objective of identifying how chromosomal / genomic modifications can be related to different environmental conditions, such as the different types of water found in this region. For this, classical (Giemsa, Ag-RON, Bandeamento C) and molecular (fluorescence in situ hybridization - FISH, cross-FISH and microdissection of the W chromosome of M. trifasciatus) cytogenetics techniques were used. Overall, the results did not reveal patterns associated with the different biotopes, both in intraspecific and interspecific analysis. Regarding the karyotype structure, all species are conservative in relation to several conventional chromosome markers, however, significant differences were found in the distribution of the heterochromatin and the carrier pair of the nucleolus organizer region. 18S rDNA showed multiple sites, evidenced in several chromosome pairs in some species, whereas 5S rDNA was located in a single chromosome pair in all species. Cross-hybridization with M. trifasciatus (WMt), M. elongatus (WMe) and M. macrocephalus (WMm) probes (species already analyzed) revealed that the genomes of M. trifasciatus, M. macrocephalus (With ZZ / ZW system) and M. elongatus (species with system Z1Z1Z2Z2 / Z1W1Z2W2) present a high degree of similarity both in the structure and in the location of the hybridization sites. However, crosshybridization of this probe in the genome of species of the genus Leporinus, which do not present a differentiated sex chromosome system, showed low similarity. This information is of great importance, since the accumulation of repetitive sequences in the gene rich regions may reflect the differentiation between proto-sexual, in contrast with the heteromorphic pair ZW. The results obtained in this study show that the repetitive sequences actually play an active role in the anostomide carioevolution, especially in the evolution of the sex chromosome system in M. trifasciatus, M. elongatus and M. macrocephalus and in the origin of the multiple sites of 18S ribosomal DNA in Rhytiodus microlepis, Laemolyta taeniata, Schizodon fasciatus and Megaleporinus trifasciatus. / Anostomidae abriga cerca de 145 espécies, distribuidas em 13 gêneros, conhecidas, na região Norte, como aracus e nas demais regiões do Brasil, como piaus. No presente trabalho foram analisados 90 espécimes desta família, representando as espécies Megaleporinus trifasciatus (antigo Leporinus trifasciatus), Leporinus fasciatus, L. friderici, L. agassizi, Laemolyta taeniata, Anostomoides laticeps, Rhytiodus microlepis e Shizodon fasciatus, coletadas em cinco locais na Amazônia, com o objetivo de identificar como as modificações cromossômicas/genômicas podem estar relacionadas com diferentes condições ambientais, como os diferentes tipos de água que são encontrados nesta região. Para isso foram utilizadas técnicas da citogenética clássica (Giemsa, Ag-RON, Bandeamento C), citogenética molecular (Hibridização in situ fluorescente - FISH, cross-FISH e microdissecção do cromossomo W de M. trifasciatus). No geral, os resultados não revelaram padrões associados aos diferentes biótopos, tanto na análise intra-específica quanto interespecífica. Com relação à estrutura cariotípica, todas as espécies são conservativas em relação a vários marcadores cromossômicos convencionais, porém, diferenças significativas foram encontradas na distribuição da heterocromatina e do par portador da região organizadora de nucléolo. O DNAr 18S apresentou sítios múltiplos, evidenciados em vários pares cromossômicos em algumas espécies, enquanto o DNAr 5S foi localizado em um único par cromossômico em todas as espécies. A hibridização cruzada (crossFISH) com sondas de M. trifasciatus (WMt), M. elongatus (WMe) e M. macrocephalus (WMm)(espécies já analisadas) revelou que os genomas de M. trifasciatus, M. macrocephalus (espécies com sistema ZZ/ZW) e M. elongatus (espécie com sistema Z1Z1Z2Z2/Z1W1Z2W2) apresentam alto grau de similaridade, tanto na estrutura quanto na localização dos sítios de hibridização. Entretanto, a hibridização cruzada desta sonda, no genoma de espécies do gênero Leporinus, que não apresentam sistema de cromossomo sexual diferenciado, mostrou baixa similaridade. Esta informação é de grande importância, uma vez que o acúmulo de sequências repetitivas nas regiões ricas em genes pode refletir a diferenciação entre proto-sexuais, em diferenciação para o par heteromórfico ZW. Os resultados obtidos neste estudo mostram que as sequências repetitivas realmente possuem papel atuante na carioevolução dos anostomídeos, principalmente na evolução do sistema de cromossomos sexuais em M. trifasciatus, M. elongatus e M. macrocephalus e na origem dos múltiplos sítios de DNA ribossomal 18S em Rhytiodus microlepis, Laemolyta taeniata, Schizodon fasciatus e Megaleporinus trifasciatus.

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Transposable elements (TEs) are DNA fragments that can move within and between genomes causing great impact on the evolution of organisms. The hAT superfamily belongs to class II, subclass I of TEs and despite having originally been described in insects and plants, it is now known that these elements have a wide distribution and are diverse in many groups of higher organisms. Phylogenetic studies show that this superfamily is very ancient and its occurrence in these groups may be related to events of horizontal transfer (HT). This work was performed in order to estimate possible cases of hATs elements' HT. The elements homo1 and howilli2 described by Ortiz and Loreto in 2009 in D. willistoni and D. mojavensis species were searched in Neotropical Drosophila genomes using PCR with degenerate primers and because they are very similar elements and described in distantly related species, it was suggested that these elements might be being transmitted horizontally. Amplification was detected in 18 of the 34 species analyzed and these elements showed a patch distribution and incongruities with the TEs and host species' phylogeny, suggesting possible cases of HT. In addition, the estimated divergence of sequences found showed that these elements are or recently were active in the genomes that were investigated. Thus, our results demonstrate that these elements could be in an expansion process in Neotropical drosophilid genomes due to the large amount of HT events observed. / Elementos transponíveis (TEs) são fragmentos de DNA que podem se mover dentro e entre genomas, causando grande impacto na evolução dos organismos. A superfamília hAT pertence a classe II, subclasse I dos TEs e apesar de originalmente terem sido descritos em insetos e plantas, hoje se sabe que esses elementos possuem uma ampla distribuição e são diversos em muitos grupos de organismos superiores. Estudos filogenéticos demonstram que esta superfamília é muito antiga e que sua ocorrência nesses grupos pode estar relacionada a eventos de transferência horizontal (TH). Este trabalho foi realizado com a finalidade de estimar possíveis casos de TH entre elementos hATs. Os elementos homo1 e howilli2, descritos por Ortiz e Loreto em 2009, nas espécies D. willistoni e D. mojavensis, foram buscados nos genomas de Drosophila Neotropicais por meio de PCR com primers degenerados, e por se tratarem de elementos muito similares e descritos em espécies distantemente relacionadas, foi sugerido que esses elementos poderiam estar sendo transmitidos horizontalmente. Das 34 espécies analisadas, houve amplificação em 18, e esses elementos apresentaram uma distribuição descontínua e incongruências com a filogenia das espécies hospedeiras, o que sugere eventos de TH. Além disso, a estimativa de divergência das sequências encontradas revelou que esses elementos são ou foram ativos muito recentemente nos genomas em que foram investigados. Sendo assim, nossos resultados demonstram que esses elementos podem estar em processo de expansão nos genomas de drosofilídeos Neotropicais devido a grande quantidade de eventos de TH que foram observados.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Transposable elements (TEs) are DNA regions that can move within and between genomes, causing great impact on the host organisms. The Tc1-Mariner superfamily stands out for being, probably, the DNA transposons superfamily with greater distribution in nature, being ubiquitous in eukaryotes. In part of this work, we characterize elements of the mariner family in Neotropical drosophilids, which were obtained through amplification with degenerated primers. The primers were designed for the catalytic domain region of mariner transposase allowing amplification of a wide range of mariner-like sequences. A sum of twenty-three species have mariner-like sequences belonging to three subfamilies (mellifera, mauritiana and irritans). These elements present a patchy distribution and incongruences with the host phylogeny, suggesting horizontal transmission events between drosophilids and even between drosophilids and species of other families, subfamilies and orders. Moreover, some sequences present open reading frames, conserved catalytic motifs and evidence for the action of a strong purifying selection, which suggest yhat they originated from active elements. In another part of the work, we characterize Paris-like elements (belonging to Tc1 family), through searches in the twelve Drosophila genomes available. These searches, enabled us to find five new Paris-like elements (one in D. ananassae, one in D. pseudoobscura, one in D. persimilis, one in D. mojavensis and one in D. willistoni), with a copy number ranging from two to seven. Three species have putatively active elements. The evolutionary analysis of these elements suggests that they have envolved through vertical transmission associated with some events of stochastic loss in the analysed species. / Elementos transponíveis (TEs) são regiões do DNA que podem se mover dentro e entre genomas, causando grande impacto na evolução dos organismos. A Superfamília Tc1-Mariner se destaca por ser, provavelmente, a superfamília de transposons de DNA com maior distribuição na natureza, sendo ubíqua em eucariotos. Em parte desse trabalho, caracterizamos elementos da família mariner em drosofilideos Neotropicais para os quais obtivemos amplificação com primers degenerados. Os primers foram construídos na região do domínio catalítico da transposase de mariner o que permite amplificar uma ampla gama de sequências relacionadas à mariner. Um total de 23 espécies apresentou sequências relacionadas à mariner pertencentes a três subfamílias (mellifera, mauritiana e irritans). Esses elementos apresentaram uma distribuição descontínua e incongruências com a filogenia das espécies hospedeiras, o que sugere eventos de transmissão horizontal entre drosofilideos e, até mesmo entre drosofilideos e espécies de outra família, superfamília e ordem. Além disso, algumas sequências apresentaram um quadro aberto de leitura, os motivos catalíticos conservados e uma forte seleção purificadora atuando, o que sugere que esses elementos sejam provenientes de elementos ativos. Em outra parte do trabalho, caracterizamos as sequências relacionadas ao elemento Paris (pertencentes à família Tc1), com buscas nos doze genomas de Drosophila disponíveis. Nessas buscas,foram encontrados cinco novos elementos relacionados à Paris (um em D. ananassae, um em D. pseudoobscura, um em D. persimilis, um em D. mojavensis e um em D. willistoni), com um número de cópias variando de dois a sete. Três espécies apresentaram elementos potencialmente ativos. A análise evolutiva desses elementos sugere que estão sendo mantidos por transmissão vertical, com alguns eventos de perda estocástica nas espécies analisadas.

Unraveling soil microbial ecology is essential for improving sustainable agricultural productivity. Community-based studies revolutionized this field in the last decades, but much is yet to be disclosed. This thesis proposed an approach to increase the resolution of such studies by combining 16S rDNA high-throughput sequencing and population genomics, aiming to further explore the differences pointed by community analyses, as well as to overcome the limitations of using operational taxonomic units (OTUs) as ecological entities, and to introduce the evolutionary thinking in microbial ecology. Our main goal was to understand the features that make bacteria able to colonize sugarcane rhizosphere or live saprophytically in bulk soil. Rhizosphere and bulk soil are contrasting habitats for microbial life as they are highly distinct in its physical, chemical and consequently biological characteristics. Our results indicated that sugarcane shapes the rhizosphere microbiome and metabolism of D-galacturonic acid is a key function for colonizing this niche. Among the taxa prevailing in the rhizosphere, Pseudomonas genus was targeted for a more detailed study considering its known attributes for plant growth promotion. Seventy-six fluorescent Pseudomonas spp. were isolated and submitted to whole genome sequencing (WGS). A comparative genomic analysis was performed between populations from rhizosphere and bulk soil. Phylogenetic analyses classified the isolates in the P. fluorescens (57) or P. putida (19) groups. Twelve putative new species and two new proposed P. fluorescens subgroups were found in the prospected tropical soil. Comparative genomics revealed that phosphatases or xylose-utilization genes were significantly enriched in the rhizosphere and bulk soil populations of the P. fluorescens group, respectively. D-galactonate catabolism was higher in the rhizosphere population of the P. putida group based on both genotypic and phenotypic results. Growth in D-xylose was further explored using genetic modified strains and confirmed that this sugar is more used by members of the bulk soil than the rhizosphere population of the P. fluorescens group, a pattern also observed in the bulk soil microbiome. In summary, these findings constitute a step forward in understanding the ecology of rhizosphere and bulk soil bacteria, by overcoming some limitations of community-based analyses and showing genomic differences between bacterial populations of these habitats. / Desvendar a ecologia microbiana do solo é essencial para aumentar a produtividade agrícola sustentável. Estudos baseados em comunidades revolucionaram esse campo nas últimas décadas, mas ainda há muito a ser revelado. Esta tese propôs uma abordagem para aumentar a resolução desses estudos, combinando sequenciamento em larga escala de rDNA 16S e genômica populacional, com o objetivo de explorar mais a fundo as diferenças apontadas por análises de comunidades, assim como superar as limitações do uso de unidades taxonômicas operacionais (UTOs) como entidades ecológicas e introduzir o pensamento evolutivo na ecologia microbiana. Nossa principal meta foi entender as características que tornam as bactérias hábeis em colonizar a rizosfera de cana-de-açúcar ou viver no solo saprofiticamente. Rizosfera e solo são hábitats contrastantes para a vida microbiana, já que são altamente distintos em suas características físicas, químicas e, consequentemente, biológicas. Nossos resultados indicaram que a cana-de-açúcar modifica o microbioma da rizosfera e o metabolismo do ácido D-galacturônico é uma função chave para colonizar este nicho. Dentre os táxons que prevalecem na rizosfera, o gênero Pseudomonas foi escolhido para um estudo mais detalhado, considerando os seus atributos de promoção de crescimento de plantas. Setenta e seis Pseudomonas spp. fluorescentes foram isoladas e submetidas ao sequenciamento do genoma. Uma análise de genômica comparativa foi realizada entre as populações obtidas do solo e rizosfera. As análises filogenéticas classificaram os isolados nos grupos P. fluorescens (57) ou P. putida (19). Doze prováveis novas espécies e dois novos subgrupos propostos de P. fluorescens foram encontrados no solo tropical prospectado. A genômica comparativa revelou que genes de fosfatases e de uso de xilose foram significativamente enriquecidos nas populações da rizosfera e solo do grupo P. fluorescens, respectivamente. O catabolismo do ácido D-galactônico foi maior na população da rizosfera do grupo P. putida, baseado tanto em resultados genotípicos quanto fenotípicos. O crescimento em D-xilose foi mais explorado usando linhagens geneticamente modificadas e confirmou que este açúcar é mais utilizado por membros da população do solo do que da rizosfera no grupo P. fluorescens, um padrão também observado no microbioma do solo. Em resumo, essas descobertas constituem um passo adiante no entendimento da ecologia bacteriana do solo e rizosfera, por superar algumas limitações de análises de comunidades e mostrar diferenças genômicas entre populações bacterianas destes hábitats.

Unraveling soil microbial ecology is essential for improving sustainable agricultural productivity. Community-based studies revolutionized this field in the last decades, but much is yet to be disclosed. This thesis proposed an approach to increase the resolution of such studies by combining 16S rDNA high-throughput sequencing and population genomics, aiming to further explore the differences pointed by community analyses, as well as to overcome the limitations of using operational taxonomic units (OTUs) as ecological entities, and to introduce the evolutionary thinking in microbial ecology. Our main goal was to understand the features that make bacteria able to colonize sugarcane rhizosphere or live saprophytically in bulk soil. Rhizosphere and bulk soil are contrasting habitats for microbial life as they are highly distinct in its physical, chemical and consequently biological characteristics. Our results indicated that sugarcane shapes the rhizosphere microbiome and metabolism of D-galacturonic acid is a key function for colonizing this niche. Among the taxa prevailing in the rhizosphere, Pseudomonas genus was targeted for a more detailed study considering its known attributes for plant growth promotion. Seventy-six fluorescent Pseudomonas spp. were isolated and submitted to whole genome sequencing (WGS). A comparative genomic analysis was performed between populations from rhizosphere and bulk soil. Phylogenetic analyses classified the isolates in the P. fluorescens (57) or P. putida (19) groups. Twelve putative new species and two new proposed P. fluorescens subgroups were found in the prospected tropical soil. Comparative genomics revealed that phosphatases or xylose-utilization genes were significantly enriched in the rhizosphere and bulk soil populations of the P. fluorescens group, respectively. D-galactonate catabolism was higher in the rhizosphere population of the P. putida group based on both genotypic and phenotypic results. Growth in D-xylose was further explored using genetic modified strains and confirmed that this sugar is more used by members of the bulk soil than the rhizosphere population of the P. fluorescens group, a pattern also observed in the bulk soil microbiome. In summary, these findings constitute a step forward in understanding the ecology of rhizosphere and bulk soil bacteria, by overcoming some limitations of community-based analyses and showing genomic differences between bacterial populations of these habitats. / Desvendar a ecologia microbiana do solo é essencial para aumentar a produtividade agrícola sustentável. Estudos baseados em comunidades revolucionaram esse campo nas últimas décadas, mas ainda há muito a ser revelado. Esta tese propôs uma abordagem para aumentar a resolução desses estudos, combinando sequenciamento em larga escala de rDNA 16S e genômica populacional, com o objetivo de explorar mais a fundo as diferenças apontadas por análises de comunidades, assim como superar as limitações do uso de unidades taxonômicas operacionais (UTOs) como entidades ecológicas e introduzir o pensamento evolutivo na ecologia microbiana. Nossa principal meta foi entender as características que tornam as bactérias hábeis em colonizar a rizosfera de cana-de-açúcar ou viver no solo saprofiticamente. Rizosfera e solo são hábitats contrastantes para a vida microbiana, já que são altamente distintos em suas características físicas, químicas e, consequentemente, biológicas. Nossos resultados indicaram que a cana-de-açúcar modifica o microbioma da rizosfera e o metabolismo do ácido D-galacturônico é uma função chave para colonizar este nicho. Dentre os táxons que prevalecem na rizosfera, o gênero Pseudomonas foi escolhido para um estudo mais detalhado, considerando os seus atributos de promoção de crescimento de plantas. Setenta e seis Pseudomonas spp. fluorescentes foram isoladas e submetidas ao sequenciamento do genoma. Uma análise de genômica comparativa foi realizada entre as populações obtidas do solo e rizosfera. As análises filogenéticas classificaram os isolados nos grupos P. fluorescens (57) ou P. putida (19). Doze prováveis novas espécies e dois novos subgrupos propostos de P. fluorescens foram encontrados no solo tropical prospectado. A genômica comparativa revelou que genes de fosfatases e de uso de xilose foram significativamente enriquecidos nas populações da rizosfera e solo do grupo P. fluorescens, respectivamente. O catabolismo do ácido D-galactônico foi maior na população da rizosfera do grupo P. putida, baseado tanto em resultados genotípicos quanto fenotípicos. O crescimento em D-xilose foi mais explorado usando linhagens geneticamente modificadas e confirmou que este açúcar é mais utilizado por membros da população do solo do que da rizosfera no grupo P. fluorescens, um padrão também observado no microbioma do solo. Em resumo, essas descobertas constituem um passo adiante no entendimento da ecologia bacteriana do solo e rizosfera, por superar algumas limitações de análises de comunidades e mostrar diferenças genômicas entre populações bacterianas destes hábitats.