Evolução genômica e caracterização dos DNAs repetitivos: diversidade e organização em cariótipos conservados de mariposas Noctuidae

Noctuidae é uma das famílias de mariposas mais diversas e inclui importantes pragas agrícolas altamente polífagas, responsáveis por perdas econômicas no mundo todo. Apesar de sua grande relevância, as características genômicas básicas do grupo permanecem pouco conhecidas. Neste estudo, caracterizamos a organização cromossômica e genômica dos DNAs repetitivos em oito espécies de noctuídeos (Acyclania tenebrosa, Agrotis ipsilon, Anticarsia gemmatalis, Chrysodeixis includens, Helicoverpa armigera, Helicoverpa zea, Rachiplusia nu e Spodoptera frugiperda) por meio de uma abordagem integrada de sequenciamento genômico de baixa cobertura, análises bioinformáticas e citogenética. Todas as espécies apresentaram cariótipo conservado (2n = 62). A heterocromatina esteve ausente na maioria das espécies, exceto em A. tenebrosa e A. ipsilon, onde foi observada como blocos dispersos em toda extensão cromossômica e nas regiões terminais, respectivamente. O mapeamento de DNA ribossomal (DNAr) 18S por FISH revelou um bivalente com um cluster intersticial na maioria das espécies, enquanto H. armigera e H. zea apresentaram um cluster terminal. Em A. tenebrosa, foram identificados três bivalentes com sinais terminais. As análises comparativas do repetoma evidenciaram ampla variação na diversidade e abundância de DNA repetitivos. As espécies C. includens, H. armigera, H. zea, R. nu e S. frugiperda apresentaram entre 7 e 12 famílias de DNAs satélites (DNAsat), representando de 0,41 a 1,68% de seus genomas. Anticarisa gemmatalis apresentou três famílias (0,04%), enquanto A. ipsilon apresentou 18 famílias (2,34%). Acyclania tenebrosa apresentou o maior conteúdo de DNAsat (14%), distribuído em seis famílias. Os elementos transponíveis (TEs) constituíram a fração mais abundante do DNA repetitivo, representando entre 10,96 e 32,31% dos genomas, exceto em A. tenebrosa, na qual representaram aproximadamente 54%. Os LINEs foram a classe mais abundante na maioria das espécies, enquanto em A. gemmatalis predominou a classe Helitron. O mapeamento cromossômico dos DNAs repetitivos revelou sinais dispersos, agrupamentos localizados ou ausência de sinais, evidenciando diferenças em sua organização. Nossos resultados demonstram que, apesar da conservação do cariótipo em Noctuidae, os DNAs repetitivos apresentam notável diversidade interespecífica e constituem um componente dinâmico de seus genomas, ampliando o conhecimento sobre a organização genômica e a evolução cromossômica em Lepidoptera.

Resumo (espanhol)

Noctuidae es una de las familias de polillas más diversas e incluye importantes plagas agrícolas altamente polífagas, responsables de pérdidas económicas a nivel mundial. A pesar de su gran relevancia, las características genómicas básicas del grupo siguen siendo poco conocidas. En este estudio, caracterizamos la organización cromosómica y genómica de los ADN repetitivos en ocho especies de noctuidos (Acyclania tenebrosa, Agrotis ipsilon, Anticarsia gemmatalis, Chrysodeixis includens, Helicoverpa armigera, Helicoverpa zea, Rachiplusia nu y Spodoptera frugiperda) mediante un enfoque integrado de secuenciación genómica de baja cobertura, análisis bioinformáticos y citogenética. Todas las especies presentaron un cariotipo conservado (2n = 62). La heterocromatina estuvo ausente en la mayoría de las especies, excepto en A. tenebrosa y A. ipsilon, donde se observó como bloques dispersos a lo largo de toda la extensión cromosómica y en las regiones terminales, respectivamente. El mapeo del ADN ribosomal (ADNr) 18S mediante FISH reveló un bivalente con un clúster intersticial en la mayoría de las especies, mientras que H. armigera y H. zea presentaron un clúster terminal. En A. tenebrosa, se identificaron tres bivalentes con señales terminales. Los análisis comparativos del repetoma evidenciaron una amplia variación en la diversidad y abundancia de ADN repetitivo. Las especies C. includens, H. armigera, H. zea, R. nu y S. frugiperda presentaron entre 7 y 12 familias de ADN satélite (ADNsat), que representaron entre 0,41 y 1,68% de sus genomas. Anticarsia gemmatalis presentó tres familias (0,04%), mientras que A. ipsilon presentó 18 familias (2,34%). Acyclania tenebrosa presentó el mayor contenido de ADNsat (14%), distribuido en seis familias. Los elementos transponibles (TEs) constituyeron la fracción más abundante del ADN repetitivo, representando entre 10,96 y 32,31% de los genomas, excepto en A. tenebrosa, donde representaron aproximadamente el 54%. Los LINEs fueron la clase más abundante en la mayoría de las especies, mientras que en A. gemmatalis predominó la clase Helitron. El mapeo cromosómico de los ADN repetitivos reveló señales dispersas, agrupamientos localizados o ausencia de señales, evidenciando diferencias en su organización. Nuestros resultados demuestran que, a pesar de la conservación del cariotipo en Noctuidae, los ADN repetitivos presentan una notable diversidad interespecífica y constituyen un componente dinámico de sus genomas, ampliando el conocimiento sobre la organización genómica y la evolución cromosómica en Lepidoptera.

Resumo (inglês)

Noctuidae is one of the most diverse moth families and includes important highly polyphagous agricultural pests responsible for economic losses worldwide. Despite its great relevance, the basic genomic characteristics of the group remain poorly understood. In this study, we characterized the chromosomal and genomic organization of repetitive DNAs in eight noctuid species (Acyclania tenebrosa, Agrotis ipsilon, Anticarsia gemmatalis, Chrysodeixis includens, Helicoverpa armigera, Helicoverpa zea, Rachiplusia nu, and Spodoptera frugiperda) using an integrated approach combining low-coverage genomic sequencing, bioinformatic analyses, and cytogenetics. All species presented a conserved karyotype (2n = 62). Heterochromatin was absent in most species, except in A. tenebrosa and A. ipsilon, where it was observed as dispersed blocks throughout the chromosomes and in terminal regions, respectively. FISH mapping of 18S ribosomal DNA (rDNA) revealed one bivalent with an interstitial cluster in most species, whereas H. armigera and H. zea presented a terminal cluster. In A. tenebrosa, three bivalents with terminal signals were identified. Comparative repeatome analyses revealed wide variation in the diversity and abundance of repetitive DNA. The species C. includens, H. armigera, H. zea, R. nu, and S. frugiperda presented between 7 and 12 satellite DNA (satDNA) families, representing 0.41–1.68% of their genomes. Anticarsia gemmatalis presented three families (0.04%), whereas A. ipsilon presented 18 families (2.34%). Acyclania tenebrosa showed the highest satDNA content (14%), distributed across six families. Transposable elements (TEs) constituted the most abundant fraction of repetitive DNA, representing 10.96–32.31% of the genomes, except in A. tenebrosa, where they represented approximately 54%. LINEs were the most abundant class in most species, whereas the Helitron class predominated in A. gemmatalis. Chromosomal mapping of repetitive DNAs revealed dispersed signals, localized clusters, or absence of signals, highlighting differences in their organization. Our results demonstrate that, despite karyotype conservation in Noctuidae, repetitive DNAs exhibit remarkable interspecific diversity and constitute a dynamic component of their genomes, expanding our knowledge of genomic organization and chromosomal evolution in Lepidoptera.