Molecular systematics for flat mites of the genus Brevipalpus Donnadieu (Acari: Tenuipalpidae) : using mitochondrial and nuclear molecular markers

Dissertação (mestrado)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Biológicas, Programa de Pós-Graduação em Zoologia, 2014.O gênero Brevipalpus Donnadieu destaca-se como um dos mais importantes na família Tenuipalpidae. Esses ácaros fitófagos podem causar danos a seus hospedeiros, sejam diretos, pela alimentação em folhas, ramos e frutos, sejam indiretos, devido à transmissão de vírus. A taxonomia dos ácaros Brevipalpus, especialmente das espécies de importância econômica, tem representado um desafio para os acarologistas; numerosas sinonímias têm sido estabelecidas e a ocorrência de espécies crípticas tem sido confirmada. A acurada identificação desses ácaros é fundamental para compreensão do papel de cada espécie na transmissão dos fitovírus, para a determinação dos hospedeiros de cada espécie, e para a definição de medidas de prevenção e controle. Estudos morfológicos com a utilização de diferentes técnicas de microscopia têm possibilitado um imenso avanço na taxonomia do grupo. Em uma abordagem integrativa, além dos estudos morfológicos é fundamental dispor de ferramentas adicionais para a construção de uma sistemática consistente dos grupos de organismos. Até o momento apenas um fragmento, da região Citocromo Oxidase I (COI) do DNA mitocondrial foi explorado na sistemática de Brevipalpus. A utilização de um maior número de marcadores moleculares, independentes, é importante para a consistência dos estudos. O presente trabalho teve como objetivos contribuir para o avanço da sistemática molecular de ácaros Brevipalpus, através da avaliação e otimização de protocolos de extração e amplificação de DNA; comparação de filogenias obtidas a partir de sequências de quatro regiões do genoma, incluindo marcadores mitocondriais - dois fragmentos da região COI -, e nucleares - regiões “Internal Transcriber Spacer II” (ITS2) e subunidade D1-D3 do gene 28S; apresentação de faixas de distâncias genéticas intra e interespecíficas; e avaliação de caracteres morfológicos em um contexto filogenético. Foram obtidas 25 amostras de Brevipalpus, de cinco países - Argentina, Brasil, Chile, Espanha, e Israel -, de 22 plantas hospedeiras. Foram avaliados dois protocolos de extração de DNA em relação ao rendimento da concentração de DNA, de sua qualidade e eficiência para amplificação, sendo um parcialmente destrutivo e um não destrutivo. Apesar do rendimento da concentração de DNA dos dois protocolos ser similar, observou-se maior eficiência de amplificação com o DNA obtido através do método parcialmente destrutivo. Para cada um dos quatro pares de primers foram testadas Reações de Polimerase em Cadeia (PCR) com variações nas concentrações de componentes da reação (MgCl2, BSA, DNTP e primers), assim como nas condições das reações (temperaturas de amplificação, número e tempo dos ciclos). As reações de PCR foram alteradas para possibilitar a amplificação do DNA com apenas 2μL de DNA molde, permitindo a amplificação dos quatro marcadores com DNA de um único espécime. Para as análises filogenéticas, além das sequências obtidas durante o desenvolvimento desse estudo, foram incluídas, nos datasets das análises filogenéticas, sequências de Brevipalpus recuperadas do GenBank. O fragmento da região COI amplificado com os primers DNR e DNF foi de 373 pares de base (pb) e o alinhamento final foi composto por 190 sequências de Brevipalpus (92 obtidas nesse estudo, 98 recuperadas do GenBank), as quais foram classificadas em 89 haplótipos, agrupados em 18 linhagens. O fragmento da região COI amplificado com os primers LCO e HCO foi de 650pb e o alinhamento final foi composto por 64 sequências (todas obtidas nesse estudo), as quais foram classificadas em 31 haplótipos, agrupados em 12 linhagens. O fragmento da região ITS2 foi de 500pb e o alinhamento final foi composto por 109 sequências (108 obtidas nesse estudo, uma recuperada do GenBank), as quais foram classificadas em 43 genótipos, agrupados em 14 linhagens. O fragmento da região D1-D3 foi de 900pb e o alinhamento final foi composto por 74 sequências (todas obtidas nesse estudo), as quais foram classificadas em 28 genótipos, agrupados em 11 linhagens. De forma geral, as topologias das árvores filogenéticas obtidas a partir de sequências das quatro regiões do genoma foram congruentes. Apesar de não ter sido possível obter sequências dos quatro fragmentos para todos os espécimes foi possível fazer a correspondência entre os clados das diferentes árvores a partir das infomações sobre as amostras e/ou espécimes sequenciados. Entretanto, entre as árvores dos diferentes marcadores, foram observadas algumas incongruências na divisão de linhagens dentro dos grupos phoenicis e obovatus. A principal diferença na topologia das ávores filogenéticas, foi a posição do clado do grupo cuneatus. O status taxonômico de algumas populações, que provavelmente consituem novos táxons para a ciência, foi aclarado. Os resultados das análises filogenéticas indicaram a necessidade da condução de estudos mais detalhados para esclarecer a posição taxonômica de linhagens próximas a B. yothersi, B. incognitus e B. phoenicis tipo 1, para as quais não houve consenso entre as filogenias das diferentes regiões. O valor filogenético de alguns dos caracteres morfológicos que têm sido utilizados para a taxonomia de Brevipalpus foi discutido com a finalidade de subsidiar a revisão da classificação de grupos. As informações geradas representam um ponto de partida para a construção de uma classificação taxonômica consistente para os ácaros Brevipalpus, baseada nas relações filogenéticas entre os táxons. ___________________________________________________________________________________ ABSTRACTThe genus Brevipalpus is one of the most important in the Tenuipalpidae family. These phytophagous mites can cause damage to their host plants either directly, by feeding on leaves, stems and fruits or indirectly, by transmitting plant virus. Brevipalpus mite taxonomy, particularly of economically important species, represents a challenge for acarologists; numerous synonyms have been established and the occurrence of cryptic species has been confirmed. The accurate identification of these mites is essential to understand the role of each species in the transmission of plant viruses, for listing host plants of each species, and for defining prevention and control strategies. Morphological studies applying different microscopy techniques have enabled a considerable advance in the taxonomy of the group. In an integrative approach, besides the morphological studies is essential to have additional tools for building a consistent systematics for groups of organisms. So far, only one fragment of the Cytochrome Oxidase I (COI) region, of the mitochondrial DNA had been explored in Brevipalpus systematics. Employing a higher number of independent molecular markers is important to give consistency for the studies. The present study aimed to contribute for the advance of Brevipalpus mite molecular systematics by evaluating and optimizing DNA extraction and amplification protocols; comparing phylogenies obtained from sequences of four different genome regions, including mitochondrial– two fragments of the COI region -, and nuclear markers – regions Internal Transcriber Spacer II (ITS2) and the subunit D1-D3 of the gene 28S; presenting intra and interspecific genetic distances; and evaluating the morphological traits in a phylogenetic context. For the study 25 samples of Brevipalpus were obtained, from five countries – Argentina, Brazil, Chile, Spain and Israel, from 22 host plants. Two protocols of DNA extraction were evaluated considering DNA concentration, quality and efficiency for amplification, being one partially destructive and the other one non destructive. Although the DNA concentration for both protocols has been similar, the partially destructive method was more efficient for DNA amplification. For each of the four pairs of primers Polymerase Chain Reactions (PCR) were tested with variations on the components of reaction (MgCl2, BSA, DNTP and primers) as well as in the reactions conditions (amplification temperatures, number and duration of cycles). Reactions were adjusted to make possible DNA amplification from 2μL of DNA, thus allowing amplification of the four markers from DNA of one specimen. For the phylogenetic analyses, in addition to the sequences obtained in this study, Brevipalpus sequences retrieved from Genbank were included in the datasets. The length of the amplified fragment of the COI region using primers DNF & DNR was 373 base pairs (bp) and the final alignment included 190 sequences (92 obtained in this study, 98 retrieved from Genbank), which were classified in 89 haplotypes, clustered in 18 lineages. The length of the amplified fragment of the COI region using primers LCO & HCO was 650bp and the final alignment included 64 sequences (all obtained in this study), which were classified in 31 haplotypes, clustered in 12 lineages. The length of the amplified fragment of the ITS2 region was 500bp and the final alignment included 109 sequences (108 obtained in this study, one retrieved from Genbank), which were classified in 43 genotypes, clustered in 14 lineages. The length of the amplified fragment of the subunit D1-D3 of the gene 28S was 900bp and the final alignment included 74 sequences (all obtained in this study), which were classified in 28 genotypes, clustered in 11 lineages. In general topologies of phylogenetic trees obtained from sequences of the four genome regions were congruent. Although it wasn’t possible to obtain sequences of the four fragments for all the specimens, it was possible to match clades trees from information of the sequenced samples and/or specimens. However, incongruences in the division of lineages within groups phoenicis and obovatus were observed between trees built from different markers. The main difference between the phylogenetic trees topologies, was the position of the cuneatus group. Taxonomic status of some populations, which probably constitute new taxa, was clarified. Results of phylogenetic analyses showed the need to conduct further studies to clarify the taxonomic position of lineages close to B. yothersi, B. incognitus and B. phoenicis tipo 1, to which were observed incongruencies between phylogenies. The phylogenetic value of some morphological characters used for Brevipalpus taxonomy was discussed to support the revision of groups classification. Information provided represents a starting point for the development of a consistent taxonomic classification of the Brevipalpus mites, based on the phylogenetic relations between groups and taxa