Evolução do genoma em plantas: explorando dados genômicos e citogenéticos para compreender eventos de disploidia

Coordenador: Andrea Pedrosa Harand

Órgão financiador: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Bolsa

Vigência: 2022 - Atual

Descrição: Os genomas vegetais apresentam grande variação de tamanho e organização estrutural. Essas variações contribuem para a diversificação de plantas, mas pouco ainda se sabe sobre quais eventos e mecanismos específicos moldaram os genomas atuais de diferentes linhagens. Dentre as várias mudanças cromossômicas importantes do ponto de vista evolutivo, as disploidias são alterações numéricas envolvendo um ou poucos cromossomos sem perda significativa de material genético. Embora frequentemente associadas aos eventos de diploidização pós-poliploidização, disploidias são a causa da mudança no número cromossômico básico mesmo em grupos que não sofreram poliploidia recente. A ?fusão? e ?fissão? de cromossomos que ocorre durante eventos de disploidia implicam em perda, ganho, ou mudança nos centrômeros envolvidos. Nesse projeto, pretendemos aprofundar as análises cromossômicas que temos realizado em Phaseolus e gêneros relacionados (Leguminosae) e em Passiflora (Passifloraceae) de modo a esclarecer os principais eventos que moldaram seus genomas disploides. Para isso, ampliaremos as análises de oligo-FISH que implementamos recente no laboratório em Phaseolus e Vigna para outras espécies de Phaseolus e para o gênero irmão Macroptilum, e implementaremos essa mesma metodologia para o gênero Passiflora, de forma a complementar as análises de BAC-FISH já realizadas. Além disso, ampliaremos as análises genômicas que temos realizado a partir de sequenciamento de baixa cobertura, com foco principalmente na fração repetitiva dos genomas, para análises com sequenciamento de reads longos e genomas montados, de modo a caracterizar a organização de elementos repetitivos no contexto genômico, particularmente focando em regiões centromérica que podem ser caracterizadas com essa metodologia. Assim, pretendemos investigar os eventos de rearranjos estruturais relacionados a disploidias por genômica comparativa.

O papel das mudanças cromossômicas na evolução da família Leguminosae: uma abordagem filogenética, citomolecular e genômica

Coordenador: Andrea Pedrosa Harand

Órgão financiador: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Auxílio financeiro

Vigência: 2021 - Atual

Descrição: Leguminosae é a segunda família de angiospermas em importância econômica e a terceira mais diversa, com cerca de 20.000 espécies. Essa grande diversificação foi acompanhada de mudanças genômicas e cromossômicas, como a variação de sua fração repetitiva (repeats) levando a mudança no tamanho dos genomas, duplicação do genoma total (poliploidia) e mudança no número cromossômico por rearranjos estruturais (disploidia), algumas provavelmente adaptativas. Estudos filogenéticos recentes levaram a profundas mudanças na classificação da família em diferentes níveis, mas muitas das relações filogenéticas ainda não foram elucidadas, nem o impacto das mudanças cromossômicas para a diversificação de seus grupos. Nos últimos anos, a sistemática, a citogenética e mesmo a filogenia molecular vegetal têm sido revolucionadas pelos sequenciamentos genômicos de nova geração (NGS, do inglês next generation sequencing). Sendo assim, o presente projeto pretende investigar o impacto de mudanças cromossômicas e genômicas na diversificação e adaptação de leguminosas, tendo como objetivos principais: i) Investigar as relações filogenéticas de Cenostigma Tul., as catingueiras, com base em plastomas e na diversificação de seus repeats; ii) Elucidar a organização genômica dos repeats do pau-brasil (Paubrasilia echinata (Lam.) Gagnon, H.C.Lima & G.P.Lewis) e seu impacto para a interação genoma-ambiente; iii) Avaliar como a poliploidia afeta a distribuição geográfica das leguminosas na Caatinga; iv) Investigar como a displodia impacta a organização genômica e seus mecanismos causadores. Para isso, integraremos sequenciamentos NGS (Illumina e PacBio) para montagem de genomas nucleares e plastidiais, caracterização de repeats, análises filogenômicas e correlações com variáveis ambientais, contagens cromossômicas e citometria de fluxo para detecção de eventos de poliploidia e disploidia, e pintura e barcode cromossômicos por oligo-FISH para caracterização de rearranjos cromossômicos.

Organização da cromatina, citotaxonomia e evolução cromossômica em plantas

Coordenador: Marcelo Guerra

Órgão financiador: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Auxílio financeiro

Vigência: 2021 - Atual

Descrição: A cromatina dos eucariotas tem sido dividida em regiões mais ricas em genes, e menos condensada em prófase (eucromatina) e regiões menos ricas em genes e mais condensadas (heterocromatina). Entretanto, a distinção entre eu- e heterocromatina não é tão clara, uma vez que têm sido identificados diferentes tipos de eucromatina e de heterocromatina. Nossos dados sugerem a existência de ao menos três tipos distintos de cromatina: eucromatina, heterocromatina e uma cromatina intermediária que observamos em diferentes espécies. Esses dados são relativos a padrões de bandas heterocromáticas, condensação cromossômica profásica, organização de núcleos interfásicos, marcas epigenéticas associadas a essas regiões e localização in situ de diversas sequências repetitivas. No presente projeto pretendemos comparar esses dados com espécies-modelo, como tomate, Arabidopsis, drosófila e humanos, sobre as quais se dispõe de mais informações citológicas, genômicas e epigenéticas. Uma melhor definição dessas três regiões possibilitará compreender as diferentes funções da cromatina em plantas. O estudo será complementado com a análise da distribuição das sequências repetitivas em espécies de gêneros selecionados (Araucaria, Nothoscordum, Tulbaghia, Oxalis e Genipa). Nesse projeto serão também concluídos os trabalhos relacionados à citotaxonomia e evolução cromossômica dos gêneros Nothoscordum, Habenaria, Oxalis e Anonna, usando parâmetros clássicos da citotaxonomia junto com a análise dos tipos de cromatina como um novo parâmetro citotaxonômico. Para isso, contamos com uma grande quantidade de amostras já coletadas, pré-tratadas, fixadas e estocadas em freezer ou em cultivo no jardim experimental do Departamento.

Evolução da assimetria em plantas

Coordenador: Marcelo Guerra

Órgão financiador: CNPq

Vigência: 2017 – atual

O estudo da evolução cromossômica em plantas se baseia classicamente na análise comparada dos cariótipos de espécies próximas, principalmente o número, tamanho e morfologia cromossômica. Um aspecto pouco compreendido dessas variações é a mudança da simetria cariotípica, sendo particularmente intrigante a ocorrência de cariótipos fortemente bimodais A origem dos cariótipos bimodais parece ser variável, havendo pelo menos 3 tipos em plantas: cariótipos formados por fusões cêntricas entre cromossomos acrocêntricos; presença de um ou poucos pares de cromossomos maiores que os demais, contendo um acúmulo de sequências repetitivas nos cromossomos maiores; origem desconhecida, podendo teoricamente estar relacionada a hibridizações inter-específicas envolvendo cariótipos com cromossomos de tamanhos diferentes ou repetidas translocações em tandem. Como se originam essas variações e qual o seu significado evolutivo é o tema central desse projeto. Para isso, estamos propondo quatro subprojetos em grupos de plantas selecionados por possuírem grande variação na simetria cariotípica, envolvendo supostamente cada um dos tipos de cariótipos bimodais: Alophia, Cuscuta e Oxalis e tribo Gilliesieae. Nos quatro grupos, serão investigados dois aspectos principais: a distribuição e amplificação das sequências repetitivas nos cromossomos de espécies com cariótipos simétricos e assimétricos e a conservação da assimetria cariotípica dentro de um contexto filogenético.

 

Projetos em colaboração

 

Desarrollo de herramientas genómicas para la domesticación de Paspalum dilatatum

Coordenador: Pablo Speranza, UDELAR, Montivideu, Uruguai

Vigência: 2015 – atual

La introducción de gramíneas perennes C4 en las pasturas permanentes puede tener impactos muy importantes en la estabilidad estacional de las mezclas y su resistencia a la invasión por malezas, además de aumentar su eficiencia de uso del nitrógeno y capacidad de secuestro de carbono. Estos efectos se espera que se intensifiquen en un escenario de cambio climático. Sin embargo, las especies tropicales difundidas en los mercados internacionales no se adaptan a zonas de transición como las nuestras debido a su baja tolerancia al frío. Paspalum dilatatum es una gramínea C4 con excelentes cualidades forrajeras pero tras varias décadas de esfuerzos en varios países, no se ha encontrado variabilidad para sus mayores limitantes como la baja producción de semilla y susceptibilidad a la infección por Claviceps. Además, no ha sido posible realizar mejoramiento convencional para esta especie debido a su nivel de ploidía impar y su reproducción asexual por apomixis. Dentro del complejo de especies emparentadas del género Paspalum, denominado grupo Dilatata, se encuentran 5 biotipos sexuales que comparten una misma fórmula genómica y en conjunto comprenden un amplio rango geográfico que incluye el Uruguay, Brasil, Chile, Paraguay y parte de Argentina. Estos biotipos si bien no ocurren en simpatría y presentan características morfológicas y fisiológicas muy diversas, pueden ser cruzados artificialmente con éxito para obtener híbridos fértiles en la mayoría de las combinaciones. En la actualidad, gracias a las tecnologías basadas en la secuenciación de nueva generación, su avance constante y sus costos decrecientes, es posible desarrollar herramientas de apoyo al mejoramiento en este tipo de especies. Este proyecto se plantea desarrollar las herramientas de análisis genómico para las especies tetraploides del grupo Dilatata que permitan aplicar al mejoramiento de estas especies las metodologías que se utilizan en los cultivos mayores. De esta manera, se puede acelerar en gran medida los procesos de largo plazo y aprovechar un conjunto de germoplasma de dimensiones inusuales. Una de las preguntas que es necesario responder para viabilizar este emprendimiento es cuál es el grado de colineraridad entre los genomas de estas especies e identificar las limitaciones citogenéticas a la utilización de todo el conjunto de germoplasma. Entre los pasos intermedios propuestos se encuentran la secuenciación de los genomas cloroplásticos completos de los cinco biotipos, la generación de marcadores que permitan construir mapas genéticos suficientemente densos, la identificación de secuencias repetitivas que diferencien los genomios de estas especies, la generación de un mapa citogenético, y la generación de un genoma de referencia utilizando una especie diploide emparentada. Simultáneamente se realizarán cruzamientos y generarán poblaciones de líneas recombinantes que serán caracterizadas. Al finalizar el proyecto se espera contar con la capacidad de realizar mapas genéticos que permitan identificar las regiones relacionadas a las características agronómicas de mayor interés. Debido a que la evidencia actual indica que este grupo de especies tuvo un origen único, el conjunto de herramientas desarrolladas permitirán además responder algunas preguntas básicas de importancia en la genómica actual como son los procesos de diferenciación citogenética a nivel estructural y de secuencias repetitivas y el proceso de diploidización que ha venido sufriendo este grupo de especies poliploides desde su origen a partir de la hibridación entre dos especies diploides.

 

Tecnologías de secuenciación genómica aplicadas a estudios evolutivos y filogenéticos en géneros considerados clave en biogeografía de plantas: Nothofagus y Podocarpus

Coordenador: Andrea C. Premoli, Universidad Nacional del Comahue-CRUB, Bariloche, Argentina

Vigência: 2016 – atual

El proyecto busca dilucidar las barreras que mantiene separadas las grandes masas boscosas de sudamérica (bosque templado, mata atlántica y yungas) testeadas a través de especies del género Podocarpus, y otras barreras menos evidentes pero igualmente antiguas como las detectada a los 43ºS en Nothofagus.

 

Evolução cromossômica em plantas: relacionando alterações estruturais, numéricas e de DNA

Coordenador: Andrea Pedrosa Harand

Órgão financiador: Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - Bolsa

Vigência: 2018 - 2022

Descrição: As plantas apresentam uma enorme variação no tamanho do genoma e número de cromossomos. Muitas dessas mudanças em plantas resultam de eventos de poliploidia, mas variações em nível diploide estão associadas a mudanças na fração repetitiva do genoma e alterações estruturais que podem ou não alterar o número de cromossomos, nesse último caso, chamadas de disploidia. As causas e impactos das disploidias e relação entre essas mudanças estruturais e as sequências de DNA repetitivo, geralmente abundantes em plantas, ainda são pouco conhecidos. Nesse projeto pretendemos aprofundar as análises cromossômicas que temos desenvolvido em Phaseolus e gêneros relacionados (Leguminosae) e em Passiflora (Passifloraceae) de modo a esclarecer os principais eventos de evolução cariotípica presentes nesses grupos. Pretendemos investigar possíveis relações entre alterações numéricas, estruturais e mudanças na fração repetitiva desses genomas, utilizando abordagens que temos empregado em diversos trabalhos, como BAC-FISH, ferramentas que temos implementado nos últimos anos, como a análise in silico de sequências repetidas a partir de NGS de baixa cobertura, assim como implementar novas técnicas ainda não disponíveis no país, como a pintura cromossômica com oligo-FISH.

Evolution and structure of holocentric chromosomes in plants

Cordenador: Andrea Pedrosa Harand

Órgão financiador: Deutscher Akademischer Austauschdienst / CAPES - Centro Anhanguera de Promoção e Educação Social

Vigência: 2018 - 2022

Descrição: Cromossomos holocêntricos diferem dos monocêntricos por não apresentarem centrômero localizado, mas sim a ligação das fibras do fuso em praticamente toda a extensão do cromossomo (holocentrômero) durante as divisões celulares. Esse tipo cromossômico evoluiu independentemente inúmeras vezes em diversas linhagens de plantas e animais e se acredita que confira uma vantagem adaptativa, por permitir a segregação de fragmentos cromossômicos gerados por quebras na dupla fita de DNA, mantendo a viabilidade celular. Estudos sobre o centrômero são muito importantes no contexto médico, pois erros na segregação dos cromossomos geram alterações numéricas, resultando em várias síndromes, assim como instabilidade genômica que pode resultar em câncer. Do ponto de vista aplicado, o entendimento da estrutura e função dos centrômeros são utilizados na geração de cromossomos artificiais, que servem como vetores de transformação genética. No entanto, a maioria dos estudos são concentrados em monocêntricos. Nossos grupos de pesquisa têm trabalhado com cromossomos holocêntricos de Cyperaceae (Brasil) e Juncaceae (Alemanha). Até então, acreditava-se que todos os holocentrômeros não apresentavam sequências de DNA repetitivo específicas, mas demonstramos que Rhynchospora pubera, uma ciperácea, apresenta uma família de DNA satélite centromérica, assim como um retrotransposon de distribuição preferencial nos holocentrômeros. Também demonstramos pela primeira vez que a meiose de plantas com holocêntricos é invertida na ordem de segregação dos cromossomos homólogos e das cromátides irmãs, com estas últimas segregando na meiose I e os homólogos na meiose II. Mostramos ainda que há uma grande plasticidade na estrutura centromérica entre a mitose e meiose e entre diferentes espécies. Na presente proposta, pretendemos expandir a análise para outras linhagens, de divergência mais basal, do clado ?Cyperid? (que inclui as famílias Cyperaceae, Juncaceae e Thurniaceae), investigando a estrutura centromérica num contexto evolutivo. Assim, pretendemos continuar a contribuir para o entendimento da estrutura centromérica em eucariotos e para a formação de recursos humanos de qualidade nos níveis de mestrado, doutorado e pós-doutorado, bem como para o alto nível e internacionalização dos nossos Programas de Pós-Graduação..

Avançando na genômica do grupo Caesalpinia (Leguminosae): citogenômica comparativa nos Neotrópicos

Coordenador: Gustavo Souza

Órgão financiador: CNPq

Vigência: 2018 – 2021

O presente projeto tem como objetivos principais: i) identificar padrões de distribuição de heterocromatina numa amostragem ampla do grupo Caesalpinia por meio da análise de dupla coloração CMA e DAPI e hibridização in situ fluorescente FISH para o DNAr 35S e 5S; ii) investigar em mais detalhes, por meio de uma estratégia citogenômica comparativa, a composição da fração repetitiva do genoma de Arquita trichocarpa, Caesalpinia pulcherrima, Erythrostemon hughesii e Guilandina bonduc, buscando identificar o(s) componente(s) das suas heterocromatinas; e iii) propor uma hipótese filogenética baseada na abundância e homologia de sequencias repetitivas, baseada no método proposto por Dodsworth et al. (2015)

Contribuições da citogenética na sistemática, filogenia e melhoramento de Leguminosae (Fabaceae) do Nordeste brasileiro

Coordenador: Gustavo Souza

Órgão financiador: FACEPE

Vigência: 2015 – 2018

O presente projeto visa ampliar o conhecimento sobre a citogenética de Leguminosae distribuídas no Nordeste do Brasil. Para tal, foram elencados três subprojetos buscando gerar conhecimentos cito-moleculares que subsidiem o conhecimento da biodiversidade local, conservação, relações evolutivas e melhoramento genético nesse importante grupo de plantas. Esses subprojetos buscam analisar representantes dos gêneros Caesalpinia (Caesalpinoideae), Moldenhawera (Caesalpinoideae) e Sthylosanthes (Papilionoideae).

 

Origem das disjunções Sul-Americanas de Podocarpus L'HÉR. EX PERS. (Podocarpaceae): Filogeografia de P. sellowii e e filogenia do gênero com ênfase nas espécies brasileiras

Coordenadora: Andrea Pedrosa Harand

Órgão financiador: FACEPE

Vigência: 2015 – 2018

A América do Sul é uma das regiões mais biodiversas e com história geológica mais dinâmica do planeta. Nos últimos anos, estudos biogeográficos e filogeográficos têm buscado compreender os padrões de distribuição e as relações evolutivas entre as linhagens de grupos Neotropicais. Podocapus se destaca por ser o mais representativo e um dos poucos gêneros dentre as gimnospermas a apresentar espécies nativas do Brasil. Dessa forma, o presente estudo visa aprofundar o entendimento da história demográfica de linhagens de Podocarpus na região Neotropical, avaliando o grau de estruturação genética e o impacto dos eventos paleoclimáticos sobre a evolução dessas linhagens. Para isso, serão sequenciadas regiões nucleares e plastidiais para reconstrução filogenética com datação molecular e calibração baseada em fósseis, adicionando à filogenia do gênero uma maior representatividade de espécies brasileiras. Além disso, será realizada uma análise filogeográfica de Podocarpus sellowii, a espécie mais amplamente distribuída no Brasil, contribuindo para o entendimento das relações históricas entre as regiões disjuntas de sua ocorrência, particularmente na Floresta Atlântica brasileira.

Evolução cariotípica em vegetais de pequeno genoma utilizando ferramentas citogenômicas

Coordenadora: Andrea Pedrosa Harand

Órgão financiador: CNPq

Vigência: 2014 – 2018

A citogenômica surgiu recentemente pela união da citogenética molecular e da genômica estrutural e tem permitido avanços em diversas áreas. Em plantas, essa abordagem é especialmente útil para a caracterização de espécies de genoma pequeno. Isso porque, por um lado, mais informações genômicas estão disponíveis e, por outro lado, esses grupos são pobremente caracterizados através da citogenética clássica. O presente projeto pretende, portanto, aprofundar os estudos dos gêneros Citrus (Rutaceae), Phaseolus (Fabaceae) e Rhynchospora (Cyperaceae). Além da importância econômica de espécies dos dois primeiros gêneros, para os três existem ferramentas genômicas disponíveis ou em desenvolvimento e suas espécies apresentam particularidades cariotípicas bem distintas em relação à distribuição da heterocromatina, à organização do centrômero e às possíveis alterações cromossômicas envolvidas na sua evolução. Desse modo, esses grupos servirão de modelo para o estudo da evolução cariotípica de espécies vegetais de pequeno genoma.

Citogenômica comparativa em vegetais de pequeno genoma

Vigência: 2013 - 2016

Descrição: A citogenômica surgiu recentemente pela união da citogenética molecular e da genômica estrutural e tem propiciado avanços em diversas áreas, desde a caracterização básica de genomas até o tratamento diferenciado de pacientes de cancer. A partir de uma análise conjunta cito-molecular e in silico de sequências de DNA selecionadas a partir das informações de um genoma completo ou parcialmente sequenciado é possível caracterizar genomas e disponibilizar marcadores para análises comparadas em espécies próximas, para as quais ferramentas genômicas ainda não estão disponíveis. Em plantas, essa abordagem é especialmente útil para a caracterização de espécies de genoma pequeno. Isso porque, por um lado, mais informações genômicas estão disponíveis e, por outro lado, esses grupos são pobremente caracterizados através da citogenética clássica. O presente projeto pretende portanto aprofundar os estudos dos gêneros Citrus, Phaseolus e Rhynchospora utilizando essa abordagem. Para esses gêneros existem ferramentas genômicas disponíveis e suas espécies apresentam particularidades cariotípicas em relação à distribuição da heterocromatina, da organização do centrômero e às alterações cromossômicas propostas. Desse modo, esses grupos servirão de modelo para o estudo da evolução cariotípica de espécies vegetais de pequeno genoma..

 

Análises filogenéticas e cariotípicas de espécies vegetais do Nordeste brasileiro

Vigência: 2013 - 2015

Descrição: A sistemática vegetal ganhou novo impulso com o uso da filogenia molecular, baseada principalmente na comparação de sequências de DNA. Essas análises expandiram a compreensão das relações entre as angiospermas, quer seja em análises de hierarquias taxonômicas maiores ou menores. Ao longo dos últimos anos, o grupo de pesquisa de Citogenética Vegetal da UFPE vem gerando dados interessantes sobre a variação estrutural cromossômica e as relações citotaxonômicas de espécies do nordeste brasileiro. Entretanto, a falta de uma filogenia molecular para muitos desses grupos impossibilita uma interpretação mais clara da variabilidade cariotípica e do papel das mudanças cromossômicas na sua evolução. Este projeto visa usar a filogenética molecular para dar subsídios à sistemática de alguns grupos taxonomicamente complexos do nordeste brasileiro, bem como usar as informações geradas pelas filogenias para integrá-los a dados cromossômicos e estudar mais detalhadamente sua evolução cariotípica. Nesse caso, pretendemos complementar a análise de grupos cariotipicamente bem estudados e acrescentar uma abordagem de filogenia molecular. Para tal, foram selecionados três grupos, o gênero Caesalpinia (Leguminosae), a tribo Gilliesieae (Amaryllidaceae) e o gênero Rhynchospora (Cyperaceae)..

 

Relações evolutivas e citofilogenia do gênero Nothoscordum (Amaryllidaceae)

Descrição: Ao longo dos últimos anos uma série de trabalhos desenvolvidos no Laboratório de Citogenética e Evolução Vegetal-UFPE trouxeram novas interpretações sobre as relações evolutivas, taxonomia e citogenética de representantes sul-americanos da subfamília Allioideae (Amaryllidaceae). Embora a motivação inicial dessas análises tenha sido citogenética (se tratam dos maiores cromossomos da flora sul-americana), recentemente a inclusão de métodos moleculares permitiu um avanço na área de citofilogenia (combinação de citogenética e cladística através de métodos filogenéticos comparativos). Os avanços dessas publicações recentes permitiram uma melhor circunscrição genérica, interpretação da evolução cariotípica e estabelecimento de filogenias moleculares para boa parte dos gêneros, entretanto ainda falta concluir a análise molecular do principal gênero do grupo: Nothoscordum. Trata-se do maior gênero sul-americano de Allioideae (~ 25 spp.), com distribuição geográfica mais ampla, maior diversidade cromossômica e com a taxonomia mais complexa. Assim, este projeto visa completar uma filogenia molecular preliminar (baseada inicialmente com sequencias nucleares ITS) através do sequenciamento de três loci plastidiais (trnL-trnF, psbA-trnH e rbcL). Posteriormente as topologias resultantes serão utilizadas para interpretar a evolução cariotípica (citofilogenia) através de dados cito-moleculares já obtidos para seus representantes. Adicionalmente, as análises moleculares visam contribuir para uma melhor delimitação taxonômica do gênero. O presente projeto, portanto, visa a conclusão de uma importante análise que vem sendo desenvolvida ao longo de vários anos numa parceria entre a UFPE e a Universidad de la República, Montevidéu, Uruguai..