Filogeografia e sistemática molecular de Schizolobium parahyba (Vell.) Blake (Guapuruvu) através do sequenciamento de regiões cloroplásticas e nucleares

Abstract

A Floresta Atlântica e a Floresta Amazônica estão entre as maiores e mais diversas florestas tropicais do mundo, com muitas de suas espécies apresentando distribuição disjunta. O estudo genético molecular dessas espécies é interessante, pois podem fornecer informações sobre o relacionamento histórico entre essas diferentes regiões geográficas. Entretanto, ainda poucos são os estudos sobre a distribuição da estrutura genética nestas áreas, principalmente para espécies vegetais. O estudo da diversidade genética em espécies arbóreas é de grande importância para a manutenção das fontes de germoplasma a serem usados em práticas de reflorestamento e para espécies com uma ampla distribuição geográfica que ocupam diferentes habitats que são componentes chaves na composição de diversos ecossistemas. O gênero Schizolobium (Caesapinioideae) apresenta ampla distribuição nos Neotrópicos e devido ao seu rápido crescimento é amplamente utilizado em programas de reflorestamento, além de apresentar importância econômica pela utilização da madeira. O presente estudo apresenta a primeira análise genética molecular do gênero Schizolobium, incluindo uma ampla amostragem de populações ao longo de sua distribuição geográfica. Um conjunto de 11 marcadores moleculares (cpDNA e ITS) foram usados para investigar a evolução, posição sistemática, estimar o tempo de divergência entre as duas variedades, verificar um possível evento de especiação, estudar os padrões biogeográficos entre as florestas Atlântica e Amazônica, além de investigar a estrutura filogeográfica em Schizolobium. Marcadores não-neutros também foram estudados na tentativa de serem usados para investigar a variação adaptativa relacionada ao estresse hídrico. Sequências parciais dos genes P5CS de quatro espécies arbóreas (Schizolobium parahyba, Ceiba pentandra, Bombacopsis quinata e Cedrela Odorata) foram clonadas, seqüenciadas e comparadas com sequências de outras espécies. A análise filogenética indicou que eventos de duplicação ocorreram várias vezes e em diferentes frequências ao longo da evolução das monocotiledôneas e dicotiledôneas. Apesar de ter sido detectada seleção positiva em diferentes regiões do genes P5CS, uma pequena quantidade de polimorfismo foi encontrado entre indivíduos de Schizolobium e não foram correlacionados com estresse hídrico. A monofilia do gênero Schizolobium foi bem suportada pelas análises de maxima parsimônia e Baysiana das regiões de cpDNA e de DNA nuclear. A idade do clado Schizolobium foi estimado em aproximadamente 15,6 milhões de anos (Mya) e as duas variedades divergiram a aproximadamente 3,1 Mya. Um elevado nível de divergência genética foi observado entre as populações de Schizolobium e os resultados indicam uma forte estruturação filogeográfica e um reduzido fluxo gênico entre elas. Além disso, nenhum haplótipo nuclear e de cpDNA foi compartilhado entre as duas variedades, evidenciando um isolamento entre elas. Foi observada similaridade nas sequências de cpDNA entre indivíduos de algumas populações da var. parahyba na Mata Atlântica (RJ3, ES, BA1, BA2 e BA3) com indivíduos das populações da var. amzonicum, indicando a possibilidade da existência de retenção de polimorfismo ancestral com pouco tempo para o acúmulo de divergência nestas regiões. Todos os dados moleculares produzidos sugerem a separação das duas variedades dentro do gênero Schizolobium, e que a sua atual divisão taxonômica necessita de revisão. Esses dados também fornecem importantes informações genéticas que podem ser aplicadas no campo da conservação e florestamento exploratório.

The Atlantic and the Amazon rain forests encompass the most diverse tropical forests in the world, with many species showing disjunct distribution. The molecular studies of widespread and disjunct species present particular interest, as they can provide information on the historical relationship between different geographical regions. However, there are few records about genetic structure in these areas mainly in plants species. Studies of genetic diversity of the tree species are very important to provide best practice policies for sourcing germplasm for reforestation within a range of degraded landscapes and for trees with a range of lifestyles that are key components of a diverse ecosystem composition. Schizolobium (Caesalpinioideae) is a widespread genus found in Neotropical forest, with a fast growing rate that make it extensively used in economically important reforestation programs that employ native trees. This study presents the first extensive molecular analysis within the genus Schizolobium, including a widespread sampling of populations from throughout their geographic distribution. A set of 11 molecular markers (cpDNA and nuclear) were used to address the evolution, systematic position, estimate the age of divergence between the two varieties, to study the biogeographic patterns between Atlantic and Amazonian rain forests and to investigate the phylogeographic structure of Schizolobium. Furthermore, non neutral markers were studied to attempt of access the adaptive variation in neotropical tree species. Partial sequences of P5CS genes from four Neotropical trees (Schizolobium parahyba, Ceiba pentandra, Bombacopsis quinata e Cedrela Odorata) were cloned and compared to those of other plant taxa. The molecular phylogenetic analysis indicated that P5CS duplication events have occurred several times following the emergence of flowering plants and at different frequencies throughout the evolution of monocots and dicots. Besides, positive selection was observed at different regions of P5CS paralogous genes, but a low polymorphism was found among individual of different areas and did not associate with water stress. The monophyletic nature of Schizolobium was well supported by both the Maximum Parsimony and Bayesian analyses of the cpDNA and nuclear regions. The Schizolobium crown node was estimated to have arisen 15.6 million years ago (Mya) and the two varieties has been diverged approximately 3.1 Mya. High levels of genetic divergence were found among the populations of Schizolobium and the results indicate a strong phylogeographic structure and a reduced gene flow between them. Besides, the cpDNA and nuclear haplotypes is not sharing between the two varieties, indicated a genetic isolation between them. The cpDNA sequence similarity of some populations from Atlantic forest (RJ3, ES, BA1, BA2 e BA3) with the var. amazonicum was observed and this may be due retention of ancestral polymorphisms with insufficient time for the accumulation of differences in these regions. The molecular data suggest the separation of the two varieties of genus Schizolobium, and current taxonomic status needs revision. These data also provides important genetic information for conservation.