Population genomics of jaguars (Panthera onca) : comparative assessment of diversity on different genomic and spatio-temporal scales

Abstract

A onça-pintada é o maior predador dos Neotrópicos e uma espécie icônica em muitas culturas nativas americanas. É o único representante existente do gênero Panthera no hemisfério ocidental, e é alvo de considerável atenção por parte das comunidades científica e de conservação, devido ao seu status ameaçado em toda a sua extensão continental. Devido à perda de habitat e à perseguição humana direta, ela já perdeu mais da metade de sua área histórica, e algumas de suas populações remanescentes estão isoladas e criticamente ameaçadas de extinção. A onça-pintada tem sido foco de vários estudos genéticos e foi o primeiro grande mamífero Neotropical a ter seu genoma sequenciado. No entanto, muitas questões permanecem pendentes quanto à sua diversidade genética, estrutura populacional e história evolutiva. Por exemplo, nenhum estudo genético investigou a diversidade ou estrutura das populações de onça-pintada em toda a região amazônica, um importante reduto para as espécies e uma linha de base importante na qual outros biomas podem ser comparados. Além disso, como os estudos genéticos da onça-pintada transitam para abordagens genômicas, uma questão importante é avaliar o desempenho de diferentes métodos, como estratégias alternativas para gerar e sequenciar bibliotecas de representação reduzida. Tais comparações ainda são raras na literatura, e os conjuntos de dados de onça-pintada oferecem uma oportunidade útil para tal avaliação. Finalmente, à medida que o Projeto Genoma Jaguar avança e começa a incluir estudos genômicos populacionais, é relevante avaliar o potencial de sequências de genomas completos geradas para múltiplos indivíduos para investigar a demografia histórica de diferentes populações e seu poder de informar os esforços de conservação em favor da população desta espécie. Esta dissertação aborda esses três tópicos, cada um dos quais constitui o foco de um manuscrito científico. No primeiro estudo, empreguei 11 loci microssatélites para caracterizar a variabilidade genética e a estrutura populacional de onças-pintadas na Amazônia, e então realizei análises integradas incorporando dados previamente publicados para os mesmos marcadores coletados nos biomas Mata Atlântica e Pantanal. Todos os índices de diversidade genética foram consistentemente maiores para a população amazônica. Nenhuma subdivisão genética foi detectada na Amazônia, indicando conectividade em grande escala em uma área amostrada que abrange mais de três mil quilômetros. Observamos que a Mata Atlântica como um todo ainda mantém níveis consideráveis de diversidade genética, mas isso é atualmente particionado entre fragmentos cada vez mais isolados e sujeitos a fortes perturbações antrópicas. O segundo estudo relata a coleta de dados de genotipagem-por-seqüenciamento (GBS) de 20 onçaspintadas representando cinco diferentes biomas, e para os quais dados do seqüenciamento de exoma completo (WES) já haviam sido coletados pelo nosso grupo. Realizamos análises múltiplas de ambos os conjuntos de dados genômicos, estimando a diversidade genética e os índices de diferenciação populacional, e avaliando o impacto de diferentes configurações de parâmetros nessas comparações. Observamos que mudanças na parametrização levaram a diferenças mensuráveis nas estatísticas sumarias de cada população de onça-pintada, tanto entre abordagens quanto entre lotes analíticos distintos dentro de cada abordagem, especialmente para GBS. A diversidade foi consistentemente maior para as populações da Amazônia e do Pantanal, com a Caatinga exibindo a menor diversidade e maior diferenciação de outras regiões. Nossos resultados mostram que alguns parâmetros influenciam as estimativas de diversidade e diferenciação de maneiras que podem não ser totalmente previsíveis, destacando a importância de um cuidadoso ajuste fino dos parâmetros para a obtenção de estimativas robustas e imparciais da diversidade genômica. O terceiro manuscrito descreve a geração de oito novos genomas completos de onça pintada e suas análises em conjunto com outros três genomas representando diferentes regiões geográficas. Esses 11 genomas foram analisados pelo método pareado seqüencial Markoviano (PSMC) e também caracterizados em termos de segmentos de homozigosidade (ROH) para investigar fases mais recentes de sua história demográfica. Nossos resultados do PSMC foram muito consistentes entre os indivíduos e indicaram que as populações de onça-pintada sofreram pronunciados ciclos de flutuações demográficas nos últimos 1-2 milhões de anos. Além disso, o indivíduo do Arizona destacou-se em mostrar um declínio mais acentuado nos últimos 30.000 anos, provavelmente como resultado de uma história recente de eventos de fundadores no limite da área de distribuição da espécie. Quanto às análises de ROH, encontramos uma carga relativamente modesta de homozigosidade na maioria das populações de onça-pintada. No entanto, representantes das populações do Arizona e da Mata Atlântica mostraram sinais de gargalos de garrafa recentes e, no último caso, endogamia. Esses resultados demonstram o potencial de conjuntos de dados genômicos para investigar a história demográfica da onça-pintada em detalhes sem precedentes, e abrem novos caminhos para esforços genéticos de conservação visando essa espécie. No geral, os três estudos contidos nesta dissertação ilustram o uso de diferentes tipos de marcadores (a partir de microssatélites até sequências de genomas completos) e análises dirigidas a diferentes escalas espaciais e temporais, para caracterizar a história evolutiva de um carnívoro emblemática. Esperamos que esses estudos contribuam para melhorar nossa compreensão da biologia e evolução da onça-pintada e forneçam informações úteis para serem incorporadas aos esforços de conservação em seu nome.