Estudo de DNA Aponta para os humanos como causa da Extinção do periquito Carolina

subespécie (Conuropsis carolinensis carolinensis), foi a fonte do DNA para este estudo. (Crédito: Marc Durà. Imagem cortesia de Carles Lalueza-Fox / Instituto de Biologia Evolutiva)

Marc Durà / Instituto de Biologia Evolutiva

Este pequeno papagaio neotropical de corpo esguio era verde esmeralda com cabeça e pescoço amarelo vivo, rosto avermelhado alaranjado e bico cor de chifre pálido, e tinha uma cauda longa e pontiaguda. A subespécie que vivia no interior das porções centrais dos Estados Unidos podia ser visualmente distinguida do seu primo mais costeiro pela tonalidade azul que sufocava a sua plumagem verde.

O periquito da Carolina era ousado e gregário e era frequentemente avistado a voar em bandos exuberantes de centenas de indivíduos em florestas de planície, bordas de florestas e canebreaks que brotavam em torno de rios. Infelizmente, estes papagaios desordenados tornaram-se o foco das tendências destrutivas dos colonos europeus recém-chegados, que arrasaram o seu habitat para construir cidades e fazendas e os perseguiram impiedosamente em retaliação às colheitas de frutas e grãos, bem como para recolher as suas penas para decorar chapéus de senhora da moda, e que até atiraram do céu simplesmente pelo prazer perverso de matar algo selvagem e vivo e belo.

Tragicamente, apenas alguns poucos agricultores e naturalistas já prestaram atenção suficiente aos hábitos destes papagaios para saberem que estas aves eram excepcionalmente benéficas por causa do seu gosto pelo cocklebur, o estrumarium de Xanthium. O broto é uma planta muito difundida que produz um veneno que é especialmente tóxico para o fígado, mas os periquitos Carolina eram a única espécie conhecida a comer esta planta ou as suas sementes sem sofrer quaisquer efeitos nocivos. Esta dieta de coqueluche aparentemente tornou a carne do periquito Carolina venenosa, segundo Audubon.

Surprendentemente, apesar da destruição generalizada do seu habitat bem como do extenso abate destes papagaios, as pessoas ainda estão a discutir sobre o que finalmente levou o periquito Carolina à extinção. Será que foi devido à importação de abelhas invasoras que roubaram as cavidades dos ninhos de papagaios? Ou talvez alguma misteriosa doença de aves sem nome os tenha exterminado? Ou talvez o (modesto) comércio de animais de estimação tenha sido o culpado? Alguns anos atrás, algumas autoridades argumentaram recentemente que a extinção do periquito Carolina se devia a uma combinação destes, e talvez vários outros fatores (ref; leia mais aqui).

Mas um novo estudo baseado no DNA (ref) de uma equipe européia de cientistas parece ter finalmente descoberto a arma de fumaça na trágica história do periquito Carolina. Esta equipa sequenciou o genoma do periquito Carolina obtido a partir de um espécime que foi originalmente recolhido pelo naturalista catalão Marià Masferrer (1856-1923) e que está agora na posse dos seus descendentes numa colecção privada no município catalão de Espinelves. Após analisar o genoma deste papagaio, os pesquisadores concluíram que o periquito Carolina desapareceu repentina e abruptamente – o que é consistente com relatos de pessoas que fizeram da sua obsessão atirar nestas aves coloridas para fora da existência.

Primeiro sequenciou genomas inteiros do extinto periquito de Carolina e do periquito do sol ameaçado

Este projeto foi iniciado depois de Pere Renom, que era estudante de doutorado no Instituto de Biologia Evolutiva (IBE), um instituto conjunto da Universidade Pompeu Fabra e do Conselho Nacional de Investigação espanhol, e um repórter científico associado ao popular programa científico catalão, “Quèquicom”, descobriram que existe um exemplar do extinto periquito da Carolina, que se encontra numa colecção privada na Catalunha. Ele ficou convencido de que o processo de recuperação do DNA antigo desse espécime com o objetivo potencial de usar esse DNA para “de-extinção” faria com que a televisão pública se tornasse atraente. (Mr. Renom estava correcto: este episódio, “Desextinció: reviure una espècie”, recebeu recentemente o prémio Prisma espanhol como o melhor vídeo de divulgação científica de 2019. Mesmo que você não fale espanhol, definitivamente vale a pena assistir.)

“Renom me contactou perguntando se eu estaria interessado em tentar recuperar o DNA da amostra”, disse o paleogenetista Carles Lalueza-Fox, um cientista pesquisador do IBE e autoridade na recuperação e análise do DNA antigo.

Esta iniciativa lançou uma ‘Equipe dos Sonhos’ científica de especialistas em DNA antigo que colaboraram para estudar este papagaio icônico. Ao professor Lalueza-Fox juntou-se o biólogo evolucionista e paleogeneticista M. Thomas P. Gilbert, professor do prestigioso Centro de Geogenética da Universidade de Copenhaga, líder mundial na investigação do ADN antigo. O Professor Lalueza-Fox e o Professor Gilbert reuniram uma equipe de colaboradores para ajudar a recuperar e reconstruir o primeiro genoma completo do periquito extinto Carolina, analisar esses dados para investigar a história evolutiva da espécie e identificar a causa potencial da sua extinção.

Pere Renom (esquerda), e a geneticista Carles Lalueza-Fox (direita) preparam-se para recolher uma amostra de tecido de um periquito extinto de Carolina (Conuropsis carolinensis). Os “fatos espaciais” brancos ajudam a evitar a contaminação da amostra com ADN humano. (Crédito: Marc Durà. Imagem cortesia de Carles Lalueza-Fox / Instituto de Biologia Evolutiva)

Marc Durà / Instituto de Biologia Evolutiva

Porque o tecido mumificado é uma fonte pobre de ADN antigo, a equipa radiou a amostra de Espinelves para ver como era preparada e para identificar ossos de onde poderiam obter uma amostra utilizável. As radiografias revelaram que a amostra tinha muito poucos ossos – mas felizmente, ainda tinha o osso da perna esquerda (fémur). Eles usaram uma pequena broca óssea para coletar uma pequena amostra de tecido ósseo em pó do fêmur, e também coletaram uma pequena amostra de tecido de uma almofada de dedo do pé.

Ao mesmo tempo, o DNA genômico foi obtido de uma amostra de sangue de um periquito feminino de raça cativa, Aratinga solstialis, que é um parente genético próximo. Tinha sido previamente demonstrado que Carolina e os periquitos solares partilhavam um antepassado comum há cerca de 3 milhões de anos e ambas as espécies têm cerca de 1.000 genes cada uma. Assim, o periquito do sol e o periquito da Carolina são muito semelhantes, por isso o genoma do periquito do sol serviu como referência para o mapeamento computadorizado dos antigos fragmentos de DNA obtidos do espécime do periquito da Carolina Espinelves. No total, mais de 1.100 milhões de pares de bases – um pouco mais de um gigabyte – foram recuperados do espécime Espinelves e remontados.

como cones solares (Aratinga solstitialis), um parente próximo do extinto periquito de Carolina (Conuropsis carolinensis). (Crédito: Shankar S. / CC BY 2.0)

Shankar S. via uma licença Creative Commons

A evolução do periquito Carolina foi influenciada por eventos geográficos

Professor Lalueza-Fox, Professor Gilbert e seus colaboradores usaram porções do genoma nuclear do periquito Carolina remontado para estimar suas relações evolutivas com 17 espécies de papagaios existentes (Figura 1). Uma árvore genealógica estimada a partir de dados completos do genoma mitocondrial de um maior número de espécies de papagaios forneceu resultados semelhantes.

o periquito Carolina construído com BEAST2 baseado em 50 UCE loci nucleares de 18 espécies de papagaios e um passerine (em negrito; nomes comuns). (Pere Gelabert / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)

Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066

Análise do relógio molecular dos dados da sequência genómica nuclear sugere que a divisão Aratinga-Conuropsis ocorreu há cerca de 2,8 milhões de anos (mya) e os dados mtDNA estimaram esta divisão em cerca de 3,8 mya. Ambas as datas coincidem aproximadamente com o fechamento final estimado do Istmo do Panamá, que é amplamente aceito como tendo ocorrido 3 mya (ref). Assim, parece plausível que a dispersão dos antepassados do periquito da Carolina para a América do Norte tenha ocorrido após a união das massas terrestres da América do Norte e América do Sul.

Análise do ADN revela poucas evidências de consanguinidade

Análise genómica revelou que o periquito de Carolina experimentou um aumento no seu tamanho populacional durante o Pleistoceno Médio, seguido por flutuações populacionais que começaram durante o Último Período Glacial (que começou há cerca de 110.000 anos e terminou há cerca de 15.000 anos), e um declínio populacional subsequente que continuou até tempos recentes. Em contraste, o periquito solar ameaçado mostrou um declínio populacional mais forte e contínuo e um período mais longo de menor tamanho populacional efetivo do que o periquito de Carolina.

Professor Lalueza-Fox, Professor Gilbert e seus colaboradores então traçaram o perfil da heterozigosidade geral em todo o genoma e a distribuição de longos períodos de homozigosidade (RoHs) tanto para o periquito de Carolina quanto para o periquito solar. Estas medidas fornecem vislumbres sobre a natureza das histórias demográficas destes papagaios. A heterozigosidade é uma medida da diversidade genética geral, enquanto que os RoHs ocorrem quando fragmentos cromossômicos idênticos são herdados de um ancestral comum recente. A heterozigosidade significativamente reduzida é típica de populações que têm sido pequenas e isoladas por longos períodos, enquanto RoHs elevadas são geralmente observadas em populações consanguíneas (ref.). Assim, reduções em ambas as medidas podem ser observadas nos genomas das espécies ameaçadas.

diferentes ordens taxonômicas, exceto para Conuropsis carolinensis e Aratinga solstialis, que são ambos Psittaciformes. As amostras são coloridas pelo estado de conservação da UICN. (Crédito: Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)

Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066

Professor Lalueza-Fox, Professor Gilbert e seus colaboradores descobriram que o periquito extinto Carolina tinha tanta diversidade genética quanto muitas aves vivas hoje que são classificadas pela UICN como “menos preocupantes” (Figura 3). Em comparação, o periquito em extinção tinha um nível muito inferior de heterozigosidade – o que poderia resultar de ser uma ave criada em cativeiro. (O periquito foi criado em cativeiro por avicultores espanhóis durante muitos anos)

O periquito Carolina Espinelves tinha 188 RoHs, nove dos quais com mais de 1.000.000 de pêlos-base (1Mb) de comprimento – embora em comparação, o periquito criado em cativeiro tinha 611 RoHs e 85 desses tinham mais de 1Mb. Dito isto, um periquito RoH da Carolina foi particularmente marcante porque era mais longo que 7.15 Mb, sugerindo que pode ter havido consanguinidade recente nos antepassados do espécime Espinelves (embora existam outras razões para um RoH longo também). Por esta razão, é possível que o periquito Carolina Espinelves tenha sido criado em cativeiro.

Os periquitos Carolina foram adaptados para comerem explosões venenosas de pilosidade

Eu sei que é isto que todos vocês têm estado sentados na borda dos vossos assentos à espera: a resposta à questão de como o periquito Carolina podia comer explosões venenosas de pilosidade sem cair morto.

Embora Carolina parakeets consumisse uma variedade de frutos e sementes, bem como algumas flores e botões, aparentemente tinha um gosto por cockleburs. Por exemplo, uma coleção de 99 observações de alimentação de periquitos de Carolina mostrou que a maior ingestão de plantas observada (N = 17) foi a erupção de coqueluche (ref).

Cockleburs contém um diterpeno glicosídeo altamente tóxico, carboxiatractilosídeo ou ‘CAT’, que inibe especificamente qualquer um dos quatro transportadores mitocondriais, ADP/ATP translocase (ANT1, ANT2, ANT3, e ANT4; codificados por SLC25A4, SLC25A5, SLC25A6, e SLC25A31, respectivamente), que desempenham um papel fundamental na produção de energia celular. Para determinar se algum ou todos os quatro transportadores mitocondriais tiveram alterações moleculares que impediram a ligação do CAT e assim inibiram a sua ligação, o Professor Lalueza-Fox, o Professor Gilbert e os seus colaboradores exploraram estes genes comparando as suas sequências com as dos mesmos genes de outras espécies (ortologs) (Figura 4).

Representação mitocondrial da membrana externa e interna (zoom in para B). (B) Desenho animado da estrutura cristalográfica da proteína ANT bovina (localização aproximada da inibição por CAT bloqueando o fluxo de ATP e ADP + Pi). (C) Estrutura tridimensional modelada da SLC25A4 em Conuropsis com posições variáveis da SLC25A4 em amarelo e SLC25A5 em laranja claro (ambas as estruturas proteicas modeladas são bastante semelhantes – assim apenas uma foi representada para simplificação). A região vermelha da proteína corresponde à bolsa. (D) Vista interna da estrutura modelada em 3D da SLC25A4 em Conuropsis (posições rotuladas como em C). (E) Representação sequencial dos aminoácidos em torno da posição A122V da SLC25A4 em Conuropsis (comparação bottom-down: humano; vaca; rato; opossum; C. carolinensis; A. solstialis; galinha; anoles; pitão; tartaruga verde; e crocodilo) e indicação dos locais de bolso (em vermelho) no segmento de proteína representado. (Crédito: Pere Gelabert et al. doi:10.1016/j.cub.2019.10.066)

Pere Gelabert et al. / doi:10.1016/j.cub.2019.10.066

Professor Lalueza-Fox, Professor Gilbert e seus colaboradores descobriram que dois dos quatro genes transportadores mitocondriais do periquito da Carolina têm duas mudanças de aminoácidos em relação aos mesmos genes no periquito do sol. Estes dois locais provavelmente influenciam a funcionalidade de ambas as proteínas. Portanto, parece que estas mutações conferiram um mecanismo único para lidar com o CAT tóxico presente na dieta do periquito da Carolina.

A arma fumegante

Dois anos depois, o antigo DNA ‘Dream Team’ anunciou que, como resultado da sequência e análise de todo o genoma de dois papagaios neotropicais intimamente relacionados, eles tinham descoberto a arma fumegante na tragédia da extinção do periquito de Carolina.

Primeiro, com base na sua análise do genoma do periquito Carolina, eles encontraram um nível de diversidade genética comparável a outras populações existentes de aves que não estão em perigo de extinção. Isto indica que estes papagaios icônicos experimentaram um “processo de extinção abrupta que não deixou marcas no genoma do periquito”.

“Não estamos apontando para uma causa específica”, o professor Lalueza-Fox advertiu em e-mail, “mas para o fato de que não há sinais de declínio demográfico a longo prazo em seu genoma; muitas espécies ameaçadas experimentam reduções populacionais durante milhares ou mesmo dezenas de milhares de anos e isto pode ser visto a nível genômico em sua diversidade”.

“na verdade não temos apenas um genoma em nossas células, mas dois, um de cada progenitor, e eles não são idênticos; quanto maior a população, mais provável que as duas cópias cromossômicas sejam diferentes”, o professor Lalueza-Fox elaborou em e-mail.

“Podemos usar a genômica para testar a dinâmica de outros processos de extinção e inferir se eles são inteiramente causados por humanos, porque declínios demográficos de longo prazo deixam sinais específicos nos genomas da espécie”, explicou a professora Lalueza-Fox em e-mail. “A falta de sinais de populações pequenas durante um longo período de tempo indica que sua extinção foi um processo abrupto e isso torna mais provável que tenha sido mediada por humanos”

Outros argumentos para o que pode ter causado a extinção do periquito da Carolina, particularmente doenças das aves, exigirão uma triagem metagenômica de pelo menos vários espécimes adicionais para responder a essa pergunta. Mas os testes preliminares do genoma do periquito Espinelves Carolina não revelaram uma presença significativa de vírus de aves. Assim, a idéia de que as doenças das aves eliminaram o periquito de Carolina foi abatida e gravemente ferida.

Como um bônus adicional, Professor Lalueza-Fox, Professor Gilbert e seus colaboradores também encontraram evidências moleculares que sugerem como o periquito de Carolina poderia comer explosões mortais de galos com impunidade. Neste ponto, a última evidência para esta descoberta pode ser fornecida por testes funcionais das duas variantes genéticas detectadas nos genes SLC25A4 e SLC25A5 mitocondrial usando linhas de células aviárias. Mas esses estudos ainda não estão sendo planejados.

“Espécies extintas ainda têm muitas lições para nos ensinar sobre suas fascinantes histórias evolutivas e adaptações específicas”, concluiu o professor Lalueza-Fox em e-mail. “Agora que existem projetos ambiciosos dirigidos a sequenciar os genomas do mundo vivo, penso que é uma espécie de dever moral restaurar esta informação à árvore genética emergente da vida.”

Source:

Pere Gelabert, Marcela Sandoval-Velasco, Aitor Serres, Marc de Manuel, Pere Renom, Ashot Margaryan, Josefin Stiller, Toni de-Dios, Qi Fang, Shaohong Feng, Santi Mañosa, George Pacheco, Manuel Ferrando-Bernal, Guolin Shi, Fei Hao, Xianqing Chen, Bent Petersen, Remi-André Olsen, Arcadi Navarro, Yuan Deng, Love Dalén, Tomàs Marquès-Bonet, Guojie Zhang, Agostinho Antunes, M. Thomas P. Gilbert e Carles Lalueza-Fox (2020). Evolutionary History, Genomic Adaptation to Toxic Diet, and Extinction of the Carolina Parakeet, Current Biology, publicado online em 11 de dezembro de 2019 antes da impressão | doi:10.1016/j.cub.2019.10.066

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