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Capítulo 1
Introdução
Espécies ameaçadas geralmente declinam devido à perda de habitat, sobre-exploração, introdução de espécies e poluição. Além disso, em populações de tamanhos pequenos fatores estocásticos (demográficos, ambientais, genéticos e catastróficos) aumentam o seu risco de extinção. A genética da conservação é o uso da teoria e técnicas genéticas para reduzir os riscos de extinção em espécies ameaçadas.
Termos Biodiversidade, biorecursos, catástrofes, estocasticidade demográfica, ecoserviços, em perigo, estocasticidade ambiental, potencial evolutivo, vórtex de extinção, forense, diversidade genética, deriva genética, estocasticidade genética, endogamia, depressão endogâmica, expurgo, especiação, estocástico, ameaçado, vulnerável
Seleção de espécies ameaçadas: Sentido horário: panda (China), uma orquídea Australiana, cacatua de palmeira (Austrália), tuatara (Nova Zelândia), sapo flecha venenoso (América do Sul), peixe pulmonado (Austrália), pinheiro Wollemi (Austrália) e borboleta- de-cauda-de-andorinha da Córsega.
2 INTRODUÇÃO
A sexta “extinção”
Biodiversidade é a variedade de ecossistemas, espécies, populações dentro de espécies, e diversidade genética entre e dentro dessas popu- lações. A diversidade biológica do planeta está sendo rapidamente re- duzida como conseqüência direta e indireta das atividades humanas. Embora não conhecido, um grande número de espécies já foi extinto, enquanto muitas outras têm tamanhos populacionais reduzidos que as colocam em risco. Muitas espécies atualmente necessitam da inter- venção humana para assegurar sua sobrevivência. A escala do problema é enorme e tem sido chamada de a “sexta extinção”, uma vez que sua magnitude se compara as outras cinco ex- tinções em massa reveladas por registros geológicos. Extinção é uma parte natural do processo evolutivo, no qual as espécies tipicamente persistem por aproximadamente 5-10 milhões de anos. Quando as ex- tinções são balanceadas pela origem de novas espécies (especiação), a biodiversidade é mantida. Extinções em massa, tais como os cata- clismos cósmicos que eliminaram muito da flora e fauna no final do Cretáceo, a 65 milhões de anos atrás, são diferentes. Foram necessários muitos milhões de anos para a proliferação de mamíferos e plantas an- giospermas para substituir os dinossauros e as plantas gimnospermas existentes anteriormente. A sexta extinção é igualmente dramática. As espécies estão sendo perdidas em taxas que ultrapassam a origem de novas espécies e, diferente das extinções em massa anteriores, esta é principalmente devido às atividades humanas. A genética da conservação, assim como todas as disciplinas que compõem a biologia da conservação, é motivada pela necessidade de reduzir as taxas atuais de extinção e preservar a biodiversidade.
Por que preservar a biodiversidade?
Os humanos obtêm muitos benefícios diretos e indiretos do mundo vivo. Assim, temos interesse em conservar a biodiversidade pelos re- cursos que usamos, pelos ecoserviços que ela nos proporciona, pelo prazer que nos dá os organismos vivos, e por questões éticas. Os biorecursos incluem todos os nossos alimentos, muitas drogas farmacêuticas, fibras naturais, borracha, madeira, etc. Seu valor é de muitos bilhões de dólares anuais. Por exemplo, cerca de 25% de todas as prescrições farmacêuticas nos Estados Unidos contêm ingredientes ativos derivados de plantas. Além disso, o mundo natural contém mui- tos recursos novos potencialmente úteis. Formigas sintetizam novos antibióticos que estão sendo investigados para a medicina humana, a seda das aranhas é mais forte, proporcionalmente ao peso, do que o aço, e pode proporcionar a base para o desenvolvimento de fibras leves de alta elasticidade, etc. Ecoserviços são funções biológicas essenciais que beneficiam as pes- soas, cedidas sem nenhum custo pelos organismos vivos. Os exemplos incluem a produção do oxigênio pelas plantas, o controle do clima pelas florestas, o ciclo dos nutrientes, a purificação da água, o controle natural das pestes, e a polinização de plantas cultivadas. Em 1997,
A diversidade biológica do planeta está sendo rapidamente exaurida como conseqüência das ações humanas
Quatro justificativas para a manutenção da biodiversidade são: valor econômico dos biorecursos; ecoserviços; valor estético; e direitos de vida dos organismos
4 INTRODUÇÃO
São classificadas como ameaçadas 18 % das espécies animais vertebrados, 29 % de invertebrados e 49 % das espécies de plantas
As projeções indicam elevadas taxas de extinção no futuro próximo
Espécies ameaçadas são aquelas com alto risco de extinção imediata
1600
0,
0,
0,
0,
0,
1700 1800 1900 2000
Percentage of taxon becoming
extinct
Year
Birds
Mammals
Extensão da ameaça
A IUCN, a União para a Conservação Mundial, define como ameaçadas as espécies com um alto risco de extinção dentro de um curto perí- odo de tempo. Estas espécies ameaçadas são classificadas dentro das categorias criticamente em perigo, em perigo e vulneráveis. Em peixes, anfíbios, répteis, aves e mamíferos, a IUCN classificou 30%, 21%, 25%, 12% e 24% das espécies avaliadas, respectivamente, como ameaçadas. Das 4763 espécies de mamíferos, 3,8% estão criticamente em perigo, 7,1% em perigo e 13,0% vulneráveis, enquanto que os 76% restantes são considerados em baixo risco. A situação é similar em invertebrados com 29% das espécies avaliadas classificadas como ameaçadas. A situação em plantas é ainda mais alarmante. A IUCN classifi- cou 49% das plantas como ameaçadas, com 53% dos musgos, 23% das gimnospermas, 54% das dicotiledôneas e 26% das monocotiledôneas ameaçadas. Há considerável incerteza sobre esses dados, com exceção dos dados de mamíferos, aves e gimnospermas, uma vez que muitas espécies não foram avaliadas nos demais grupos. Estimativas para mi- croorganismos não estão disponíveis, já que o número de espécies para este grupo não é conhecido.
Projeção das taxas de extinção
Com o aumento contínuo das populações humanas e o impacto pre- visto sobre a vida selvagem, existe um consenso de que as taxas de extinção deverão acelerar marcadamente, por até mil vezes ou mais que a taxa ‘normal’ deduzida dos registros fósseis.
O que é uma espécie ameaçada?
A classificação da IUCN em criticamente em perigo, em perigo, vulne- rável e baixo risco reflete graus de risco de extinção. Elas são definidas em termos de taxas de declínio no tamanho populacional, restrições na área do habitat, o tamanho populacional atual e/ou a probabilidade de extinção prevista quantitativamente. Espécies criticamente em pe- rigo são aquelas que exibem qualquer uma das características descritas sob os itens A-E na Tabela 1.2, por exemplo, redução de ≥80% do tama- nho populacional nos últimos 10 anos ou três gerações, ou uma área
Fig. 1.1 Mudanças mundiais nas taxas de extinção ao longo do tempo em mamíferos e pássaros (depois de Smith et al .1995). As taxas de extinção geralmente têm aumentado em períodos de 50 anos sucessivos.
O QUE É UMA ESPÉCIE AMEAÇADA? 5
Listar uma espécie ou subespécie como em perigo fornece uma base científica para a proteção legal nacional e internacional e pode levar a ações corretivas para sua recuperação
Tabela 1.2 |^ Designações de espécies dentro das categorias criticamente em perigo, em perigo ou vulnerável
(IUCN, 2002). Uma espécie em conformidade com qualquer um dos critérios de A – E na coluna de ‘Criticamente em perigo’ é definida como dentro dessa categoria. Regras similares são aplicadas para as categorias ‘Em perigo’ e ‘Vulnerável’.
Critérios (qualquer um de A – E) Criticamente em perigo Em Perigo Vulnerável
A. Redução do tamanho populacional atual ou projetado
80% de declínio nos últimos 10 anos ou três gerações
B. Extensão de ocorrência ou área de ocupação
< 100 km^2 < 5.000 km^2 < 20.000 km^2
< 10 km^2 e dois dos itens seguintes: < 500 km^2 < 2.000 km^2 (1) severamente fragmentada ou ocorrência conhecida em um único local (2) declínio continuo e (3) flutuações extremas
≤ 5 locais ≤ 10 locais
C. Tamanho populacional e declínio contínuo estimado, ou população severamente fragmentada
< 250 indivíduos maduros < 2500 < 10.
D. Tamanho populacional estimado < 50 indivíduos maduros < 250 < 1. E. Análise quantitativa mostrando a probabilidade de extinção na natureza
Pelo menos 50% nos próximos 10 anos ou três gerações, ou o que for maior
20% em 20 anos, ou cinco gerações
10% em 100 anos
de ocupação ≤100 quilômetros quadrados, ou uma população estável de ≤250 adultos maduros, ou uma probabilidade de extinção de ≥50% nos próximos 10 anos ou três gerações, ou alguma combinação destes. Por exemplo, o rinoceronte de Java, classificado como criticamente em perigo, sobrevive com somente 65 indivíduos no Sudeste da Ásia e esse número continua em declínio. Da mesma forma, critérios que representam menor grau de amea- ça são utilizadas para classificar as espécies nas categorias “em perigo” ou “vulneráveis”. Espécies que não se encaixam em nenhum dos crité- rios da Tabela 1.2 são designadas como em baixo risco de extinção. Embora existam muitos outros sistemas para categorizar o grau de ameaça que são utilizados por alguns paises e estados em particular, a IUCN proporciona o único sistema internacional e é a base para a ela- boração da lista de espécies apresentada no Livro Vermelho das espécies ameaçadas da IUCN. No geral, usamos os critérios da IUCN em todo este livro.
Importância da listagem
O reconhecimento da ameaça é a base para a proteção legal das espécies. Muitos países possuem, por exemplo, Leis de Espécies Ame- açadas que proporcionam uma proteção legal a elas e estabelecem a formulação de planos de recuperação. Adicionalmente, espécies amea- çadas são protegidas do comércio por países que assinaram a Conven- ção sobre o Comércio Internacional de Espécies Ameaçadas (CITES).
O QUE É GENÉTICA DA CONSERVAÇÃO? 7
Pantera da Flórida
O que é genética da conservação?
Genética da conservação é o uso da teoria e técnicas genéticas para reduzir o risco de extinção das espécies ameaçadas. Seu objetivo em longo prazo é preservar espécies como entidades dinâmicas capazes de lidar com mudanças ambientais. A genética da conservação é derivada da genética evolutiva e da teoria da genética quantitativa que forma a base da seleção de plantas e animais domésticos. Entretanto, estas teorias geralmente concentram-se sobre grandes populações onde a constituição genética das populações é governada por fatores deter- minísticos (coeficientes de seleção, etc.). A genética da conservação é agora uma disciplina a parte que focaliza as conseqüências que sur- gem da redução de uma população, uma vez grande e exogâmica, para pequenas unidades onde fatores estocásticos e efeitos da endogamia são extremamente importantes. O campo da genética da conservação também inclui o uso das aná- lises genéticas moleculares para elucidar aspectos da biologia da espé- cie relevantes para o seu manejo e conservação.
Os principais temas incluem:
- Os efeitos deletérios da endogamia sobre a reprodução e sobrevivên- cia (depressão endogâmica)
- Perda da diversidade genética e a habilidade de evoluir em resposta a mudanças ambientais (perda do potencial evolutivo)
- Fragmentação das populações e redução do fluxo gênico
- Maior importância dos processos estocásticos (deriva genética), em relação à seleção natural, como o principal processo evolutivo
- Acumulação e perda (expurgo) de mutações deletérias
- Manejo genético de pequenas populações em cativeiro e os efeitos adversos da adaptação ao ambiente do cativeiro sobre o sucesso da reintrodução
- Resolução de incertezas taxonômicas
- Definição de unidades de manejo dentro dos limites das espécies
- Uso de análises genéticas moleculares em questões forenses e elu- cidação de aspectos da biologia das espécies importantes para a conservação Alguns exemplos são dados abaixo.
Redução do risco de extinção pela minimização da endogamia e da perda da diversidade genética Muitas populações pequenas e ameaçadas são endogâmicas e têm re- duzido níveis de diversidade genética. Por exemplo, a ameaçada pan- tera da Flórida sofre de problemas genéticos como evidenciado pela baixa diversidade genética e defeitos relacionados à endogamia (pouco esperma e anormalidades físicas). Para aliviar esses efeitos, indivíduos de sua subespécie mais relacionada do Texas têm sido introduzidos nesta população. Populações de cativeiro de muitas espécies ameaça- das (por exemplo, mico-leão-dourado) são manejadas para minimizar a perda da diversidade genética e endogamia.
8 INTRODUÇÃO
Pinheiro Wollemi
Pica-pau Picoides borealis
Verme-de-veludo
Identificação de espécies ou populações em risco devido a redução da diversidade genética Os leões asiáticos existem na natureza somente em uma pequena popu- lação na Floresta Gir na Índia e apresentam baixos níveis de diversida- de genética. Conseqüentemente, eles têm uma habilidade para evoluir severamente comprometida, bem como são susceptíveis a riscos demo- gráficos e ambientais. O pinheiro Wollemi, uma espécie Australiana recentemente descoberta e conhecida anteriormente somente por re- gistros fósseis, não contém diversidade genética em centenas de locos entre os indivíduos. Seu risco de extinção é extremo. É susceptível a um fungo comum ( die-back ), e todos os indivíduos que foram testados foram similarmente susceptíveis. Em conseqüência, instituiu-se um programa que envolve manter o local de sua ocorrência em segredo, o estabelecimento de quarentena, e a propagação de plantas em outras localidades.
Resolução da estrutura de populações fragmentadas A informação sobre a extensão do fluxo gênico entre as populações é critica para determinar se a espécie requer ajuda humana para trans- locação de indivíduos de forma a prevenir a endogamia e a perda da diversidade genética. Populações naturais do pica-pau Picoides borealis ( red-cockaded ) são fragmentadas, causando diferenciação genética entre elas e reduzindo a diversidade genética nas populações pequenas. Con- seqüentemente parte do manejo dessa espécie envolve a introdução (translocação) de indivíduos nas pequenas populações para minimizar os riscos de endogamia e de perda da diversidade genética.
Resolução de incertezas taxonômicas O status taxonômico de muitos invertebrados e plantas inferiores é freqüentemente desconhecido. Assim, uma espécie aparentemente de baixo risco e amplamente distribuída pode, na realidade, compor um complexo de espécies distintas, algumas raras ou ameaçadas. Na Aus- trália, espécies de tarântulas são aparentemente amplamente distri- buídas na floresta tropical do norte e são coletadas por comerciantes. Entretanto, especialistas podem identificar, mesmo entre os espécimes comercializados em lojas especializadas, espécies ainda não descritas, algumas das quais podem ser nativas de regiões restritas. Estudos si- milares têm mostrado que a Austrália é a casa de mais de 100 espécies de vermes-de-veludo ( Peripatus ) distribuídas localmente, ao contrário das sete espécies morfológicas de ampla distribuição previamente reconhecidas. Até mesmo a tuatara, réptil único da Nova Zelândia, é composto de duas espécies ao invés de apenas uma. Da mesma forma, os marcadores genéticos podem revelar que po- pulações que pensamos estarem ameaçadas pertencem, de fato, a es- pécies comuns, atraindo recursos e proteção não merecidos. Análises com marcadores moleculares têm demonstrado que o roedor colonial ameaçado do grupo Geomys ( pocket gopher ) da Geórgia, USA é indistin- guível de uma espécie relacionada mais comum naquela região.
10 INTRODUÇÃO
Baleia-jubarte
Escolha das melhores populações para reintrodução Populações de ilhas são consideradas uma fonte genética valiosa para restabelecimento de populações do continente, particularmente na Austrália e Nova Zelândia. Entretanto, análises genéticas moleculares revelaram que a população do wallaby-de-pata-preta de rochedos da Ilha Barrow, Austrália (uma fonte potencial de indivíduos para rein- trodução no continente) apresenta variação genética extremamente baixa e reduzida taxa reprodutiva (devido a endogamia). Algumas populações do continente, numericamente menores e mais ameaça- das, são geneticamente mais saudáveis e são, dessa forma, fontes mais apropriadas de animais para reintroduções em outras localidades do continente. Alternativamente, o agrupamento de várias populações de diferentes ilhas poderia proporcionar uma população geneticamente saudável e adequada para propósitos de reintrodução.
Análise forense Os métodos de genética molecular são amplamente aplicados para pro- ver evidências forenses em casos de litígios. Estas incluem a detecção de caça e coletas ilegais. A venda de carne de baleias ameaçadas para consumo tem sido detectada através da análise de amostras no Japão e Coréia do Sul. Seqüências de DNA mitocondrial mostraram que cerca de 9 % da carne de baleia vendida provêm de espécies protegidas, ao invés de serem de baleias-minke caçadas legalmente. Métodos têm sido desenvolvidos para identificar a espécie de origem usando pequenas quantidades de DNA isolado de nadadeiras de tubarões, e trabalhos estão em andamento para identificar a presença de ossos de tigres nos remédios asiáticos.
Entendimento da biologia das espécies Muitos aspectos da biologia das espécies podem ser determinados usando análises genéticas moleculares. Por exemplo, padrões de cruza- mento e sistemas de reprodução são freqüentemente difíceis de serem determinados em espécies ameaçadas. Estudos usando marcadores ge- néticos provaram que fêmeas da tartaruga marinha cabeçuda cruzam com vários machos. O sistema de reprodução em muitas plantas tem sido estabelecido usando-se análises genéticas. A sexagem de aves é freqüentemente difícil, resultando em vários casos onde duas aves do mesmo sexo foram colocadas juntas para acasalar. Métodos de genética molecular estão agora disponíveis para a sexagem de aves sem recorrer a cirurgias. A paternidade pode ser determinada em muitas espécies, incluindo chipanzés. Os ursos marrons ameaçados dos Pirineus são noturnos, reservados e perigosos. Métodos baseados na análise do DNA de pêlos e fezes têm sido desenvolvidos para realizar o censo desses ani- mais. Indivíduos podem ser sexados e individualmente identificados. Conhecer os padrões de migração e dispersão é freqüentemente crítico para assegurar a sobrevivência das espécies. Estes são difíceis de serem diretamente determinados, mas podem ser inferidos usando-se análises genéticas. Cada um desses aspectos será explicado nos capítulos que se seguem.
LEITURAS SUGERIDAS 11
LEITURAS SUGERIDAS
Frankham, R., J. D. Ballou & D. A. Briscoe. 2002. Introduction to Conservation Genetics. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Comprehensive textbook of conservation genetics. Chapter 1 has an extended treatment of these topics, plus references. IUCN. 2002. Red List of Threatened Species. Website with full details of the international recognized IUCN categorization system for designating threatened species, plus up-to-date summaries of the proportions of species threatened in different major groups and categorization lists for animals and links to a plant database. Leakey, R. & R. Lewin. 1995. The Sixth Extinction: Biodiversity and its Survival. Phoenix, London. Account of the biodiversity crisis written for a general audience. Meffe, G. K. & C. R. Carroll. 1997. Principles of Conservation Biology , 2nd edn. Sinauer, Sunderland, MA. Basic textbook in conservation biology, with a reasonable coverage of genetic issues. Primack, R. B. 2002. Essentials of Conservation Biology , 3rd edn. Sinauer, Sunderland, MA. Basic textbook in conservation biology with a good, but limited coverage of genetic issues.
IMPORTÂNCIA DA DIVERSIDADE GENÉTICA 13
Importância da diversidade genética
A IUCN, a primeira organização internacional para a conservação, reconhece a necessidade de conservar a diversidade genética como uma das três prioridades globais de conservação. Existem dois aspec- tos principais e relacionados. Primeiro, a mudança ambiental é um processo contínuo e a diversidade genética é necessária para as popu- lações evoluírem e se adaptarem a tais mudanças. Segundo, a perda da diversidade genética está geralmente associada com a endogamia e a redução geral na reprodução e sobrevivência ( valor adaptativo ). Programas de reprodução em cativeiro e manejo da vida silvestre geralmente reconhecem a importância de minimizar a perda da diver- sidade genética e a endogamia. As ações de manejo para populações em cativeiro incluem a consulta à pedigrees para o estabelecimento de casais para a reprodução ou para a escolha de indivíduos para reintro- dução na natureza. Os níveis de diversidade genética são analisados e monitorados nas populações selvagens de espécies em perigo, e o fluxo gênico entre populações selvagens isoladas pode ser aumentado. Este capítulo discute a base dos dois principais aspectos relaciona- dos à diversidade genética, defi ne o que ela é, descreve métodos para medi-la e faz uma revisão das evidências de sua amplitude nas espécies que estão ou não em perigo.
O que é a diversidade genética?
A diversidade genética é manifestada por diferenças em muitos carac- teres, incluindo a cor dos olhos, da pele e do cabelo nos humanos, cor e padrões de bandamento das conchas dos caracóis, cor das flores nas plantas, e diferenças nas proteínas, enzimas e seqüências de DNA de quase todos os organismos. Os genes são seqüências de nucleotídeos em uma região particular (loco) de uma molécula de DNA. A diversidade genética representa se- qüências ligeiramente diferentes. Por sua vez, variantes da seqüência do DNA podem ser expressas em diferenças na seqüência de aminoá- cidos da proteína codificada pelo loco. Tal variação na proteína pode ocasionar diferenças em funções bioquímicas, morfológicas ou com- portamentais que causam diferenças nas taxas reprodutivas, de sobre- vivência ou no comportamento dos indivíduos. A terminologia usada para descrever a diversidade genética é defi- nida na Tabela 2.1. A diversidade genética é geralmente descrita usan- do polimorfismo , heterozigosidade média, e diversidade alélica. Por exemplo, a análise eletroforética de aloenzimas (ver adiante) em leões Africanos revelou que seis dos 26 locos que codificam proteínas (23%) eram variáveis (polimórficos), 7,1% dos locos, em média, eram hetero- zigotos, e que existia uma média de 1,27 alelos por loco (diversidade alélica). Estes níveis de diversidade genética são típicos de variação eletroforética para mamíferos não ameaçados. Ao contrário, leões Asi- áticos em perigo têm pouca diversidade genética.
A diversidade genética é o material bruto sobre a qual a seleção natural atua para permitir a adaptação e evolução dos organismos e a sua adequação às mudanças ambientais. A perda da diversidade genética reduz o potencial evolutivo e está também associado com a redução do sucesso reprodutivo.
Diversidade genética é a variedade de alelos e genótipos presentes no grupo sob estudo (populações, espécies ou grupos de espécies)
Leão Asiático
14 DIVERSIDADE GENÉTICA
Medindo a diversidade genética
Técnicas moleculares tais como eletroforese de aloenzimas ou genoti- pagem de microssatélites (ver abaixo) medem a diversidade genética em locos individuais.
A composição genética de uma população é geralmente descrita em termos de freqüências dos alelos, número de alelos e heterozigosidade
Tabela 2.1 |^ Terminologia usada para descrever a diversidade genética.
Loco (plural locos) A região em um cromossomo na qual um gene em particular está localizado. A seqüência nucleotídica em um loco pode codificar para uma estrutura ou função particular, por exemplo, o segmento do DNA codificando para a enzima álcool desidrogenase é um loco separado daqueles que codificam para as hemoglobinas. Locos moleculares tais como microssatélites (ver abaixo), são simplesmente segmentos de DNA que podem ter produtos não funcionais. Alelos Variantes diferentes da seqüência nucleotídica em um mesmo loco (gene) em cromossomos homólogos, e.g. A 1 , A 2 , A 3 , A 4 , etc. Genótipo A combinação de alelos presente em um loco em um individuo, por exemplo, A 1 A 1 , A 1 A 2 , ou A 2 A 2. Genótipos são heterozigotos (A 1 A 2 ) ou homozigotos (A 1 A 1 ou A 2 A 2 ). Genoma O material genético completo de uma espécie, ou indivíduo; a seqüência nucleotídica inteira do DNA, incluindo todos os locos e todos os cromossomos. Homozigoto Um indivíduo com duas cópias do mesmo alelo em um loco, por exemplo, A 1 A 1. Heterozigoto Um indivíduo com dois alelos diferentes em um loco, por exemplo, A 1 A 2. Freqüência alélica A freqüência relativa de um alelo particular em uma população (freqüentemente referido como freqüência gênica). Por exemplo, se uma população de uma espécie diplóide tem 8 indivíduos A 1 A 1 e 2 indivíduos A 1 A 2 , então existem 18 copias do alelo A 1 e 2 do alelo A 2. Assim, o alelo A 1 tem uma freqüência de 0,9 e o alelo A 2 uma freqüência de 0,1. Polimórfi co A presença em uma espécie de dois ou mais alelos em um loco, por exemplo, A 1 e A 2. Locos polimórficos são geralmente definidos como tendo o alelo mais freqüente em uma freqüência menor que 0,99 ou menor que 0, (para minimizar problemas com diferentes tamanhos amostrais). Monomórfico Um loco é monomórfico numa população se este possui somente um alelo, por exemplo, A 1. Todos os indivíduos são homozigotos para o mesmo alelo. Ausência de diversidade genética. Proporção de locos polimórficos ( P ) Número de locos polimórficos / número total de locos amostrados. Por exemplo, se 3 de 10 locos amostrados são polimórficos e 7 são monomórficos,
P
Heterozigosidade média ( H ) Soma das proporções de heterozigotos em todos os locos / número total de locos amostrados. Por exemplo, se as proporções de heterozigotos em 10 locos em uma população são 0,2, 0,4, 0,1, 0, 0, 0, 0, 0, 0 e 0, então
H
Em geral, são empregadas as heterozigosidades esperadas (ver abaixo), considerando que estas são menos sensíveis ao tamanho amostral do que a heterozigosidade observada. Em populações com acasalamento ao acaso, as heterozigosidades observada e esperada são usualmente similares. Diversidade alélica ( A ) Média do número de alelos por loco. Por exemplo, se o número de alelos em 10 locos são 2, 3, 2, 1, 1, 1, 1, 1, 1 e 1, então
A
16 DIVERSIDADE GENÉTICA
A medida da diversidade genética em um loco é expressa como hete- rozigosidade. A heterozigosidade observada ( Ho ) é simplesmente a pro- porção dos indivíduos amostrados que são heterozigotos. Por exemplo, a freqüência de heterozigotos no loco da proteína da clara do ovo no pato-eider é 24/67 = 0,36 (Tabela 2.2). Em geral, quando comparamos a amplitude da diversidade genética entre populações ou espécies usa- mos a heterozigosidade média (Tabela 2.1).
Diversidade Alélica
O número médio de alelos por loco (diversidade alélica) também é usado para caracterizar o nível de diversidade genética. Por exemplo, existem dois alelos no loco determinando diferenças na proteína da clara do ovo nos patos-eider e três alelos num loco de microssatélite em tendilhões-de-Laysan, descrito abaixo no Exemplo 2.2. Quando mais de um loco é estudado, a diversidade alélica ( A ) é a média do número de alelos de todos os locos (Tabela 2.1). Por exemplo, o leão Africano tem um total de 33 alelos em 26 locos de aloenzimas amostrados, então A = 33/26 = 1,27. Examinemos agora os fatores que influenciam as freqüências dos alelos e genótipos em uma população, e a relação entre as freqüências alélicas e genótipicas sob o pressuposto de união aleatória dos gametas (equivalente ao cruzamento ao acaso).
Equilíbrio de Hardy-Weinberg
Vamos iniciar com o caso mais simples – o de uma população gran- de onde o cruzamento é ao acaso e não existe mutação, migração ou seleção. Neste caso, a freqüência dos alelos e genótipos atinge um equilíbrio depois de apenas uma geração. O equilíbrio é chamado de equilíbrio de Hardy-Weinberg , em homenagem a seus propositores. Embora simples, o equilíbrio de Hardy-Weinberg é crucial na genéti- ca da conservação e genética evolutiva. Ele proporciona a base para detectar desvios do acasalamento ao acaso, para testar a ocorrência de seleção, modelar os efeitos da endogamia e seleção, e estimar as freqüências alélicas em locos que mostram dominância. Este caso simples pode ser apresentado como um modelo matemá- tico que mostra as relações entre as freqüências dos alelos e genóti- pos. Assuma que estamos trabalhando com um loco com dois alelos A 1 e A 2 com freqüências relativas de p e q ( p + q = 1) numa população grande onde os cruzamentos ocorrem ao acaso. Imagine organismos marinhos hermafroditas (no qual cada indivíduo libera esperma e ovos) espalhando seus gametas na água, de maneira que espermatozói- des e ovos unem-se ao acaso (Tabela 2.3). Uma vez que a freqüência do alelo A 1 na população é p , a freqüência dos espermatozóides ou ovos carregando este alelo também é p. A probabilidade de um espermato- zóide carregando A 1 unir-se com um ovo carregando o mesmo alelo e produzir um zigoto A 1 A 1 é, portanto, p x p = p^2 , e a probabilidade de um espermatozóide A 2 fertilizar um ovo A 2 , para produzir um zigoto A 2 A 2 é, da mesma forma, q x q = q^2. Zigotos heterozigotos podem ser produzidos de duas formas, não interessando qual gameta contribui
A heterozigosidade é a medida mais comumente utilizada para caracterizar a diversidade genética para um loco
A diversidade alélica também é usada para caracterizar a diversidade genética
Em populações grandes onde a reprodução ocorre ao acaso, as freqüências alélicas e genotípicas em um loco autossômico atingem o equilíbrio após uma geração quando não existe a atuação de nenhuma força (ausência de mutação, migração ou seleção)
EQUILÍBRIO DE HARDY-WEINBERG 17
com qual alelo, e sua freqüência esperada é, portanto, 2 x p x q = 2 pq. Conseqüentemente, as freqüências genotípicas esperadas para os zi- gotos A 1 A 1 , A 1 A 2 e A 2 A 2 , são p^2 , 2 pq e q^2 , respectivamente. Estas são as freqüências genotípicas do equilíbrio de Hardy-Weinberg.
Tabela 2.3 |^ Freqüências genotípicas resultante da união ao acaso de
gametas para um loco autossômico.
Ovo A 1 A 2 p q A 1 p p^2 pq Espermatozóide A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 q pq q^2 A 2 A 1 A 2 A 2
As freqüências genotípicas resultante na progênie são A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 p^2 2pq q^2 Estas são as freqüências genotípicas do equilíbrio de Hardy-Weinberg. Note que as freqüências genotípicas somam um, isto é, p^2 + 2 pq + q^2 = (p + q) 2 = 1_._
Se as freqüências dos alelos A 1 e A 2 são 0,9 e 0,1, então as freqüências genotípicas no equilíbrio de Hardy-Weinberg são: A 1 A 1 A 1 A 2 A 2 A 2 Total 0,9^2 2 x 0,9 x 0,1 0,1^2 1, 0,81 0,18 0,01 1,
As freqüências dos dois alelos não mudaram, indicando que as fre- qüências alélicas estão em equilíbrio. Conseqüentemente, as freqüên- cias alélicas e genotípicas estão em equilíbrio depois de uma geração de cruzamento ao acaso e se mantêm assim perpetuamente na ausên- cia de outros fatores. O equilíbrio de Hardy-Weinberg é esperado para todos os locos, exceto para aqueles localizados nos cromossomos sexuais. Esses locos ligados ao sexo possuem diferentes doses de locos em machos e fêmeas e tem um equilíbrio de Hardy-Weinberg que difere daquele de outros locos não ligados ao sexo (locos autossômicos). A relação entre as freqüências alélicas e genotípicas de acordo com o equilíbrio de Hardy-Weinberg é mostrada na Fig. 2.1. A figura ilustra dois pontos. Primeiro, as freqüências dos heterozigotos não podem ser maiores do que 0,5 (50%) para um loco com dois alelos. Isso ocorre quando ambos os alelos tem freqüências de 0,5. Segundo, quando um alelo é raro, a maioria de suas cópias está em heterozigose, enquanto que quando este alelo está em alta freqüência muitos deles estão em homozigose.
Fig. 2.1 Relação entre freqüências genotípicas e alélicas numa população em equilíbrio de Hardy-Weinberg
0,
0,
0,
0,
0,
1,
0,25 0,50 0,75 1,
Genotype frequency
Frequency of A 1
A 1 A 2
A 2 A 2 A 1 A 1
EQUILÍBRIO DE HARDY-WEINBERG 19
loco com dois alelos com freqüências p e q , a heterozigosidade espera- da é He = 2 pq (também chamada de diversidade gênica ). Quando exis- tem mais que dois alelos, é mais simples calcular a heterozigosidade esperada como sendo um menos a soma do quadrado das freqüências dos alelos:
e –^ ∑
alelos 2
=
= 1 (^) i i
H p (^) (2.2)
onde p i é a freqüência do alelo i. Geralmente prefere-se descrever a He ao invés da heterozigosidade observada. O Exemplo 2.2 ilustra os cálculos da heterozigosidade esperada para um loco de microssatélite nos tendilhões-de-Laysan. A heterozigo- sidade esperada, baseada nas freqüências alélicas desse loco, é 0,663.
Para determinar o potencial evolutivo de uma espécie, é necessário estimar a amplitude da diversidade genética considerando todos os locos no genoma. É improvável que a informação sobre um único loco de uma espécie represente precisamente a diversidade genética para todos os locos. Por exemplo, os mamíferos possuem ao redor de 35. locos funcionais. Conseqüentemente, as medidas de diversidade ge- nética ( Ho , He ) são provenientes da média de muitos locos amostrados aleatoriamente. Por exemplo, como descrito acima, a heterozigosidade média detectada usando eletroforese de proteínas para 26 locos nos leões Africanos é 7,1%.
Estimativa da freqüência de um alelo recessivo
Usando o método de contagem de alelo descrito acima, não é possível determinar a freqüência de um alelo que mostre dominância num loco, uma vez que os homozigotos (AA) não podem ser fenotipicamen- te distinguidos dos heterozigotos (Aa). Entretanto, o equilíbrio de Har- dy-Weinberg proporciona um meio de estimar as freqüências de tais alelos. Homozigotos recessivos (aa) são fenotipicamente distinguíveis e têm, para um loco em equilíbrio de Hardy-Weinberg, uma freqüência esperada de q^2. Assim, a freqüência do alelo recessivo pode ser estima- da como a raiz quadrada dessa freqüência. Por exemplo, a freqüên- cia do nanismo associado à distrofia de cartilagem dos ossos longos no condor da Califórnia, uma espécie em perigo de extinção, é 0,03,
Exemplo 2.2 Cálculo da heterozigosidade esperada para um loco de microssatélite no ameaçado tendilhão-de-Laysan (Tarr et al.
As freqüências alélicas para três alelos são 0,364, 0,352 e 0,284, respectivamente. Conseqüentemente, a heterozigosidade esperada em equilíbrio de Hardy-Weinberg é He = 1 – (0,364^2 + 0,352^2 + 0,284^2 ) = 1 – (0,1325 + 0,1239 + 0,0807) = 0, Nesse loco, as heterozigosidades observada e esperada de 0,659 e 0, são muito similares.
A heterozigosidade esperada de Hardy-Weinberg é usualmente utilizada quando descrevemos a diversidade genética, uma vez que ela é menos sensível a amostragem do que a heterozigosidade observada
A heterozigosidade média sobre vários locos é usada para caracterizar a diversidade genética numa espécie
O equilíbrio de Hardy- Weinberg proporciona um modo para estimar as freqüências dos alelos recessivos em populações com reprodução ao acaso
20 DIVERSIDADE GENÉTICA
então o alelo recessivo que causa esta condição tem uma freqüência estimada de √0,03 = 0,17. Esta é uma freqüência surpreendentemente alta para um alelo recess ivo letal, mas não é incomum em outras po- pulações derivadas de muito poucos indivíduos fundadores, incluindo populações de outras espécies em perigo. Uma vez que existem vários pressupostos na base deste método de estimativa de q (acasalamento ao acaso, ausência de seleção ou migra- ção), esse nunca deve ser usado para locos onde todos os genótipos podem ser distinguidos.
Extensão da diversidade genética
Populações grandes de espécies exogâmicas geralmente contêm uma grande quantidade de diversidade genética. Esta é manifestada nas variações morfológicas, comportamentais e fisiológicas em muitas populações. Esta variação é composta tanto de variações sem base ge- nética, resultante da influência ambiental sobre os indivíduos, como por variações com base genética devidas às diferenças nos alelos e na heterozigosidade em muitos locos. Um exemplo desta grande quan- tidade de diversidade genética inerente a uma espécie é a variedade de raças de cachorros que têm sido produzidas a partir do genoma do lobo (Fig. 2.2). Com exceção de umas poucas mutações, a variedade de raças de cachorros reflete a amplitude da diversidade genética que estava presente nos lobos ancestrais.
Populações grandes de espécies naturalmente exogâmicas geralmente têm alta diversidade genética
Fig. 2.2 Diversidade de raças de cachorros. Todas derivam do lobo cinza.
