Caracterização do genoma plastidial e desenvolvimento de marcadores microssatélites nucleares (nSSR) em Dyckia brevifolia Baker, uma bromélia ameaçada de extinção

Abstract

Dyckia brevifolia Baker é uma bromélia endêmica com adaptações a ambientes extremos. Atualmente pode ser encontrada em áreas disjuntas numa extensão de 80 km ao longo do Rio Itajaí-Açu, em Santa Catarina. Encontra-se ameaçada de extinção como resultado das atividades humanas que ocorrem na Bacia deste rio para construção de uma usina hidrelétrica. Assim, levando em consideração a importância ecológica e ornamental de D. brevifolia, o alarmante estado de conservação da espécie e a interferência humana no local de ocorrência das populações, fazem-se necessários o conhecimento do genoma e desenvolvimento de marcadores moleculares para posterior estudos relacionados à diversidade genética das populações existentes, a fim de buscar estratégias de conservação da espécie. Assim, duas perguntas nortearam essa pesquisa: (1) quão conservado é o genoma plastidial de D. brevifolia em comparação com outras bromélias? (2) Qual o nível de diversidade genética identificado pelos marcadores microssatélites em populações naturais? O sequenciamento do genoma parcial da espécie foi realizado por meio do sistema Oxford Nanopore MiniON e a montagem do plastoma realizada pelo software CLC Genomics. Para o desenvolvimento dos marcadores microssatélites nucleares foram selecionados in silico e com a validação na bancada, 9 marcadores SSR potencialmente polimórficos e informativos. A descrição do genoma plastidial completo de D. brevifolia, revelou a existência de semelhanças entre os plastomas de espécies da subfamília Pitcairnoideae, assim como Ananas. Os genes ndhE e rpl22 podem estar relacionados à adaptação do habitat e ao crescimento e reprodução das plantas sob pressão de seleção. A árvore filogenética construída fornece suporte para entender a relação de Dyckia com Puya. Este estudo surge com importantes recursos para o aprimoramento de análises filogenômicas baseadas em genomas cloroplastidiais do gênero Dyckia, sendo a primeira espécie do gênero a ter o genoma plastidial completo montado e sequenciado. Embora seja possível a otimização da amplificação dos marcadores desenvolvidos no presente estudo, os loci SSR foram capazes de amplificar o genoma de D. brevifolia, sendo úteis na análise de diversidade genética, conhecimento da variabilidade genética e conservação da espécie. As demes estudadas possuem diversidade genética baixa, mas similar à diversidade registrada em estudos anteriores com marcadores isoenzimáticos. Contudo, uma amostragem maior da espécie é necessária para determinar os fatores de diversidade genética das populações existentes. Em conclusão, os resultados deste estudo implicam em conhecimentos importantes nas áreas de genética, evolução e conservação de Dyckia brevifolia Baker. Os marcadores microssatélites e as sequências de cloroplastos que foram caracterizadas neste trabalho permitirão a realização de estudos que determinem o tamanho efetivo populacional, a diversidade genética existente e as relações filogenéticas entre populações e espécies do gênero Dyckia.

Abstract: Dyckia brevifolia Baker is an endemic bromeliad with adaptations to extreme environments. It can currently be found in separate areas extending 80 km along the Itajaí-Açu River, in Santa Catarina.It is threatened with extinction as a result of human activities taking place in the basin of this river to build a hydroelectric plant. Thus, taking into account the ecological and ornamental importance of D. brevifolia, the alarming state of conservation of the species and human interference in the place of occurrence of populations, knowledge of the genome and development of molecular markers for subsequent related studies are necessary. to the genetic diversity of existing populations, in order to seek conservation strategies for the species.Thus, two questions guide this research: (1) how conserved is the plastid genome of D. brevifolia compared to other bromeliads? (2) What is the level of genetic diversity identified by microsatellite markers in natural populations? The partial genome sequence of the species was carried out using the Oxford Nanopore MiniON system and the plastome assembly was carried out using the CLC Genomics software. For the development of nuclear microsatellite markers, they were selected in silico and with bench validation it was possible to prospect for 9 potentially polymorphic and informative SSR markers.The description of the complete plastid genome of D. brevifolia revealed the existence of similarities between the plastomes of species from the subfamily Pitcairnoideae, as well as Ananas. The ndhE and rpl22 genes may be related to habitat adaptation and plant growth and reproduction under selection pressure. The constructed phylogenetic tree provides support for understanding the relationship of Dyckia with Puya.This study provides important resources for improving phylogenomic analyzes based on chloroplast genomes of the genus Dyckia, being the first species of the genus to have a complete plastid genome. Although it is possible to optimize the amplification of the markers developed in the present study, the SSR loci were capable of amplifying the D. brevifolia genome, being useful in the analysis of genetic diversity, knowledge of genetic variability and conservation of the species.The studied demes have low genetic diversity, but similar to the diversity recorded in previous studies with isoenzymatic markers. However, a larger sample of the species is necessary to determine the genetic diversity factors of existing populations. In conclusion, the results of this study imply important knowledge in the areas of genetics, evolution and conservation of Dyckia brevifolia Baker. The microsatellite markers and chloroplast sequences that were characterized in this work will allow studies to be carried out to determine the effective population size, the existing genetic diversity and the phylogenetic relationships between populations and species of the genus Dyckia.