Evolução cromossômica em espécies da ordem Suliformes

Abstract

The Suliformes order encompasses 61 species of waterbirds in the families Phalacrocoracidae, Anhingidae, Sulidae, and Fregatidae. Until now, only six species have their karyotype described, with five belonging to the Phalacrocoracidae family and one to the Sulidae family. Among these, five species have a diploid number lower than the putative ancestral avian karyotype (2n=80), with the only exception being Microcarbo niger (2n=86 and 90). Satellite DNAs (satDNA) are sequences repeated in tandem in the genome that are involved in the evolution of the genome organization. For this reason, the knowledge of satDNAs and their distribution on chromosomes can be a useful tool to comprehend the evolution of genome organization. This study aims to analyze the chromosomal evolution of the Suliformes order through the chromosomic characterization of Sula sula, S. leucogaster, S. dactylatra (Sulidae), Nannopterum brasilianum (Phalacrocoracidae) and Fregata magnificens (Fregatidae). The karyotype characteristics were described by conventional staining with Giemsa, C-banding, and fluorescence in situ hybridization (FISH) with 18s rDNA, telomeric sequences, and satDNA probes. The satDNAs were identified in the software RepeatExplorer after the whole genome sequence of males and females of S. leucogaster and N. brasilianum and followed by amplification of satDNAs and, finally, FISH on metaphasic chromosomes from all species. The diploid number for the S. dactylatra and S. leucogaster is 2n=76 for males, with Z1Z1Z2Z2 sex chromosomes and 2n=75 for females, with Z1Z2W sex chromosomes. S. sula also has 2n=76 for males. N. brasilianum has a diploid number of 2n=74, and F. magnificens has a diploid number of 2n=76. All species presented a diploid number lower than the putative ancestral avian karyotype. N. brasilianum showed four pairs of chromosomes with ribosomal clusters, while the other four species showed only one microchromosome pair with a ribosomal cluster. As the putative avian ancestral karyotype has one ribosomal cluster, these results indicate the occurrence of amplifications and transpositions in N. brasilianum. The telomeric sequence showed different hybridization signals in the five species studied, in general, they were concomitant with constitutive heterochromatin. In relation to the satellitome, five satDNAs were identified in S. leucogaster and eight in N. brasilianum. The distribution of the satellitome was generally present in the same region as the constitutive heterochromatin, with exceptions in N. brasilianum. Furthermore, the hybridization signal from SleSat04 was visible only on the W chromosome of S. leucogaster and from NbrSat07 only in the W chromosome of N. brasilianum. In addition, SleSat01 showed signs in the centromere of all autosomes but no signals for the Z1, Z2, and W chromosomes in S. leucogaster. Also, SleSat03 showed signals for all microchromosomes of S. dactylatra but none for the Z2 chromosome. For the genus Sula, a multiple sex chromosome system is reported. The absence of heterochromatin and satDNAs in Z1 and Z2 indicates a possible origin by the fission of the ancestral Z chromosome. In conclusion, the data obtained in this research highlights events in the evolution of the Suliformes order. Moreover, the resemblance of the sex chromosomes is similar between the families.

A ordem Suliformes engloba 61 espécies de aves aquáticas nas famílias Phalacrocoracidae, Anhingidae, Sulidae e Fregatidae. Até o momento, apenas 6 espécies tiveram seus cariótipos descritos, sendo cinco pertencentes à família Phalacrocoracidae e uma à família Sulidae. Entre essas, cinco espécies apresentam um número diploide inferior ao provável cariótipo ancestral das aves (2n=80), com a única exceção sendo Microcarbo niger (2n=86 e 90). DNAs satélite (satDNA) são sequências repetidas in tandem no genoma e envolvidas na evolução genôma. Por este motivo, o conhecimento sobre o satDNA e a sua localização é uma ferramenta útil para a compreensão da evolução e organização do genoma. Este estudo visa analisar a evolução cromossômica da ordem Suliformes por meio da caracterização cromossômica das espécies Sula sula, S. leucogaster, S. dactylatra (Sulidae), Nannopterum brasilianum (Phalacrocoracidae) e Fregata magnificens (Fregatidae). A descrição das características do cariótipo foi realizada por coloração convencional com Giemsa, bandeamento C e hibridização in situ por fluorescência (FISH) com sondas de 18s rDNA, sequências teloméricas e de satDNAs. Os satDNAs foram identificados no software RepeatExplorer após o sequenciamento do genoma completo de machos e fêmeas de S. leucogaster e N. brasilianum. Seguido pela amplificação de satDNAs e, finalmente, FISH em cromossomos metafásicos de todas as espécies. O número diploide para S. dactylatra e S. leucogaster é 2n=76 para machos, com cromossomos sexuais Z1Z1Z2Z2, e 2n=75 para fêmeas, com cromossomos sexuais Z1Z2W. S. sula também apresenta 2n=76 para machos. N. brasilianum tem um número diploide de 2n=74, e F. magnificens tem um número diploide de 2n=76. Todas espécies apresentaram um número diploide inferior ao provável cariótipo ancestral das aves. N. brasilianum exibiu quatro pares de cromossomos com cluster ribossomal, enquanto que as outras espécies apresentaram somente um par de microcromossomos com cluster ribossomal. Como o provável cariótipo ancestral possui um par de microcromossomos com cluster ribossomal, esses resultados indicam a ocorrência de eventos de transposição e amplificação em N. brasilianum. As sequências teloméricas exibiram sinais de hibridização diferentes nas cinco espécies estudadas, no geral, foi concomitante com blocos de heterocromatina constitutiva. Em relação ao satelitoma, cinco satDNAs foram identificados em S. leucogaster e oito em N. brasilianum. A distribuição do satelitoma esteve geralmente presente em regiõesricas em heterocromatina constitutiva, com exceções em N. brasilianum. Além disso, os sinais de hibridização de SleSat04 foi visível apenas no cromossomo W de S. leucogaster, e NbrSat07 apenas no cromossomo W de N. brasilianum. Ainda, os sinais de SleSat01 estiveram presentes no centrômero de todos os autossomos, mas nenhum sinal foi visualizado nos cromossomos Z1, Z2 e W em S. leucogaster. Também, SleSat03 apresentou sinais para todos os microcromossomos de S. dactylatra, mas nenhum para o cromossomo Z2. Para o gênero Sula, é relatado um sistema de cromossomos sexuais múltiplos. A ausência de heterocromatina e satDNAs em Z1 e Z2 indica uma possível origem pela fissão do cromossomo Z ancestral. Em conclusão, os dados obtidos nesta pesquisa destacam eventos na evolução da ordem Suliformes.