Genomic evolution of the neotropical species group Drosophila saltans (Diptera: Drosophilidae)

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Data

2024-12-04

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Universidade Estadual Paulista (Unesp)

Resumo

A região neotropical é conhecida por sua biodiversidade, impulsionada pela vasta gama de ambientes que promoveram a diversificação de espécies. Muitos estudos têm como objetivo descobrir os fatores que contribuem para gerar e manter a biodiversidade, mas há uma notável escassez de pesquisas focadas na evolução de espécies neotropicais. Esta tese se concentra no grupo saltans de Drosophila, que apresenta 23 espécies descritas, classificadas em cinco subgrupos, sendo eles: saltans, sturtevanti, parasaltans, cordata e elliptica. A classificação foi proposta principalmente com base em caracteres da genitália masculina e foi confirmada várias vezes usando outros marcadores, mas as relações entre e dentro de cada subgrupo permanecem incertas. De fato, as espécies do grupo saltans exibem níveis variados de isolamento reprodutivo e um padrão distinto de uso de códons em comparação com outras espécies do subgênero Sophophora. Essas características representam um desafio na decifração da evolução do grupo saltans. Para abordar essa questão, dois aspectos foram focados, as relações filogenéticas dentro do grupo usando dados genômicos e o impacto do viés de uso de códons na inferência filogenética. Na primeira parte, as relações filogenéticas foram reconstruídas usando dados genômicos recém-gerados para 16 espécies. A análise, embora tenha revelado um padrão consistente de relações entre os subgrupos, descobriu alguns conflitos menores entre os autossomos e o cromossomo X, bem como entre os genomas nuclear e mitocondrial. Para quantificar o nível de incongruências genômicas dentro desses grupos, um novo teste chamado 2A2B foi produzido e aplicado. O teste revelou altas taxas de reticulação dentro do grupo saltans e com 3 pontos de maior reticulação, sendo eles dentro dos subgrupos sturtevanti e saltans, bem como no ramo saltans-cordata-elliptica, contudo não foi encontrada evidências de reticulação em todos os subgrupos, caso do subgrupo elliptica. Os padrões de reticulação mostraram correlações exponenciais com taxas de especiação e sobreposição de faixas geográficas ancestrais. A última parte da tese explorou possíveis mudanças nos padrões de uso de códons na família Drosophilidae. Para essa análise, os padrões de uso de códons em 3285 genes de cópia única em 174 genomas foram investigados, com foco no clado saltans-willistoni, vez que analises com poucos genes e um único genoma sugeriam mudança no uso de códons neste clado. A mudança no uso de códons foi confirmada, o que não foi observado em seu clado irmão, Lordiphosa. Notavelmente, ao utilizar o primeiro, segundo ou terceiro nucleotídeo de cada códon em análises filogenéticas, alterações significativas na posição dos ramos foram principalmente evidentes no subgrupo saltans. Em conjunto, esses resultados esclarecem significativamente as relações filogenéticas entre as espécies do grupo saltans e identificaram possíveis fatores históricos e moleculares que influenciaram a diversificação de um clado neotropical importante, mas em grande parte pouco estudado. Essas descobertas aprimoram nossa compreensão de como a biodiversidade evolui na região neotropical e introduzem um novo modelo para avaliar a base genética da especiação tropical.
The neotropical region is known for its biodiversity, driven by the diversity of environments that have promoted the evolution of a wide range of species. Many studies aim to discover the factors contributing to generating and sustaining biodiversity, but there is a notable scarcity of research focused on the specific genomic evolution of the neotropical region. This thesis focuses on the Drosophila saltans species group, which includes 23 described species, classified into five subgroups, namely: saltans, sturtevanti, parasaltans, cordata, and elliptica. The classification was primarily based on male genitalia characters and has been confirmed multiple times using other markers, but the relationships within and between each subgroup remain uncertain. In fact, species in the saltans group exhibit varying levels of reproductive isolation and a distinct codon usage pattern compared to other species in the subgenus Sophophora. These features pose a challenge in deciphering the evolution of the saltans group. To address this issue, two aspects were focused on: the phylogenetic relationships within the group using genomic data and the impact of codon usage bias on phylogenetic inference. In the first part, phylogenetic relationships were reconstructed using newly generated genomic data for 16 species. The analysis, while revealing a consistent pattern of relationships among the subgroups, identified some minor conflicts between autosomes and the X chromosome, as well as between nuclear and mitochondrial genomes. To quantify the level of genomic incongruence within these groups, a new test called 2A2B was developed and applied. The test revealed high rates of reticulation within the saltans group, with three major reticulation points, namely within the sturtevanti and saltans subgroups, as well as along the saltans-cordata-elliptica branch. However, no evidence of reticulation was found within all subgroups, as was the case with the elliptica subgroup. Reticulation patterns showed exponential correlations with speciation rates and overlapping ancestral geographical ranges. The last part of the thesis explored possible changes in codon usage patterns in the Drosophilidae family. For this analysis, codon usage patterns in 3285 single-copy genes across 174 genomes were investigated, with a focus on the saltans-willistoni clade, as earlier analyses with a limited number of genes and a single genome suggested codon usage change in this clade. Codon usage change was confirmed, which was not observed in its sister clade, Lordiphosa. Notably, when using the first, second, or third nucleotide of each codon in phylogenetic analyses, significant branch position changes were mainly evident in the saltans subgroup. Together, these results resolved the phylogenetic relationships among species in the saltans group and identified possible historical and molecular factors influencing the diversification of an important yet largely understudied neotropical clade. These findings enhance our understanding of how biodiversity evolves in the neotropical region and introduce a new model for evaluating the genetic basis of tropical speciation.
La région néotropicale est connue pour sa biodiversité, stimulée par la diversité des environnements qui ont favorisé l'évolution d'un large éventail d'espèces. De nombreuses études visent à découvrir les facteurs contribuant à la génération et à la préservation de la biodiversité, mais il existe une notable pénurie de recherches axées sur l'évolution génomique spécifique de la région néotropicale. Cette thèse se concentre sur le groupe d'espèces Drosophila saltans, qui comprend 23 espèces décrites, classées en cinq sous-groupes, à savoir : saltans, sturtevanti, parasaltans, cordata et elliptica. La classification repose principalement sur des caractères des organes génitaux mâles et a été confirmée à plusieurs reprises à l'aide d'autres marqueurs, mais les relations au sein de chaque sous-groupe et entre eux demeurent incertaines. En fait, les espèces du groupe saltans présentent des niveaux variables d'isolement reproductif et un motif distinct d'utilisation des codons par rapport à d'autres espèces du sous-genre Sophophora. Ces caractéristiques posent un défi dans le déchiffrement de l'évolution du groupe saltans. Pour résoudre cette question, deux aspects ont été privilégiés : les relations phylogénétiques au sein du groupe à l'aide de données génomiques et l'impact du biais d'utilisation des codons sur l'inférence phylogénétique. Dans la première partie, les relations phylogénétiques ont été reconstruites à l'aide de données génomiques nouvellement générées pour 16 espèces. L'analyse, tout en révélant un schéma cohérent des relations entre les sous-groupes, a identifié quelques conflits mineurs entre les autosomes et le chromosome X, ainsi qu'entre les génomes nucléaires et mitochondriaux. Pour quantifier le niveau d'incongruence génomique au sein de ces groupes, un nouveau test appelé 2A2B a été développé et appliqué. Le test a révélé des taux élevés de réticulation au sein du groupe saltans, avec trois points majeurs de réticulation, notamment au sein des sous-groupes sturtevanti et saltans, ainsi que le branche saltans-cordata-elliptica. Cependant, aucune preuve de réticulation n'a été trouvée dans tous les sous-groupes, comme c'était le cas avec le sous-groupe elliptica. Les modèles de réticulation ont montré des corrélations exponentielles avec les taux de spéciation et les plages géographiques ancestrales qui se chevauchent. La dernière partie de la thèse a exploré d'éventuels changements dans les modèles d'utilisation des codons dans la famille Drosophilidae. Pour cette analyse, les modèles d'utilisation des codons dans 3285 gènes uniques sur 174 génomes ont été examinés, en mettant l'accent sur le clade saltans-willistoni, car des analyses antérieures avec un nombre limité de gènes et un seul génome suggéraient un changement d'utilisation des codons dans ce clade. Le changement d'utilisation des codons a été confirmé, ce qui n'a pas été observé dans son clade sœur, Lordiphosa. Notamment, en utilisant le premier, le deuxième ou le troisième nucléotide de chaque codon dans les analyses phylogénétiques, des changements significatifs de position des branches étaient principalement évidents dans le sous-groupe saltans. Dans l'ensemble, ces résultats ont permis de résoudre les relations phylogénétiques entre les espèces du groupe saltans et d'identifier d'éventuels facteurs historiques et moléculaires ayant influencé la diversification d'un clade néotropical important mais largement méconnu. Ces découvertes renforcent notre compréhension de l'évolution de la biodiversité dans la région néotropicale et introduisent un nouveau modèle pour évaluer la base génétique de la spéciation tropicale.

Descrição

Palavras-chave

Discordância filogenômica, Biogeografia histórica, Conflitos citonucleares, Viés na utilização de códons, Evolução de genomas, Incomplete lineage sorting, Phylogenomic discordance, Historical biogeography, Cyto-nuclear conflicts, Codon usage bias, Genome evolution

Como citar

PREDIGER, Carolina. Genomic evolution of the neotropical species group Drosophila saltans (Diptera: Drosophilidae). (Doutorado em Biociências). 2023. 115 p. - Universidade Estadual Paulista (Unesp), Instituto de Biociências Letras e Ciências Exatas (Ibilce), São José do Rio Preto; University Paris -Saclay, Paris 2023.