From genes to ecosystems: a synthesis of amphibian biodiversity research in Brazil / De genes a ecossistemas: uma síntese da pesquisa em biodiversidade de anfíbios no Brasil

Abstract Here, we summarize examples of significant advances in amphibian research supported by the São Paulo Research Foundation (FAPESP), focusing on recent discoveries in the fields of community ecology, habitat change, infection diseases, and multipurpose DNA sequencing. We demonstrated that FAPESP has been fundamental not only by directly funding research projects and scholarships, but also through its science training policy, fostering international collaborations with world-class research institutions, improving and consolidating new lines of research that often depended on a synergetic combination of different knowledge and complex tools. We emphasized that future studies will continue to focus on basic questions, such as description of new species, as well as taxonomic and systematic corrections. Furthermore, we also expect that there will be a strong integration among different disciplines using novel bioinformatics tools and modeling approaches, such as machine learning. These new approaches will be critical to further develop our understanding of foundational questions of amphibian life-history trait variation, disease transmission, community assembly, biogeography, and population forecasts under different global change scenarios such as agricultural expansion, agrochemical use, habitat loss, and climate change.

Resumo No presente estudo apresentamos exemplos de avanços significativos nas pesquisas com anfíbios financiadas pela Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP), focando em descobertas recentes nos campos de ecologia de comunidades, modificação do habitat, doenças infecciosas e o sequenciamento de DNA com múltiplos propósitos. Demonstramos que a FAPESP tem sido fundamental não somente pelo financiamento direto de projetos de pesquisa e bolsas de estudo, mas também através de sua política de formação científica, fomentando colaborações internacionais com instituições de pesquisa de excelência mundial, melhorando e consolidando novas linhas de pesquisa que frequentemente dependem da combinação sinérgica entre diferentes linhas de conhecimento e ferramentas complexas. Enfatizamos que futuros estudos continuem com foco em questões básicas, como a descrição de novas espécies, bem como correções taxonômicas e sistemáticas. Além disso, esperamos uma forte integração entre diferentes disciplinas usando novas ferramentas de bioinformática e abordagens de modelagem, como o aprendizado de máquina. Essas novas abordagens serão críticas para desenvolver ainda mais nossa compreensão a respeito de questões fundamentais sobre as características da história de vida dos anfíbios, transmissão de doenças, estrutura de comunidades, biogeografia e previsões populacionais em diferentes cenários de mudanças globais, como a expansão da agricultura, uso de agrotóxicos, perda de habitat e mudanças climáticas.

Phylogeny of the Trichogramma endosymbiont Wolbachia, an alpha-proteobacteria (Rickettsiae) / Filogenia do endosimbionte Wolbachia em Trichogramma, an alpha-proteobacteria (Rickettsiae)

Abstract Wolbachia (Hertig) endosymbionts are extensively studied in a wide range of organisms and are known to be transmitted through the egg cytoplasm to the offsping. Wolbachia may cause several types of reproductive modifications in arthropods. In Trichogramma species, parthenogenesis-inducing Wolbachia bacteria allow females wasps to produce daughters from unfertilized eggs and these bacteria are present in at least 9% of all Trichogramma species. Phylogenetic studies have led to the subdivision of the Wolbachia clade in five supergroups (A, B, C, D and E) and Wolbachia from Trichogramma belong to supergroup B. Here, using the wsp gene, four groups of Wolbachia that infect Trichogramma species were distinguished and the addition of a new group "Ato" was suggested due to the addition of Wolbachia from Trichogramma atopovirilia (Oatman and Platner). Specific primers were designed and tested for the "Ato" group. Seventy-five percent of all evaluated Wolbachia strains from Trichogramma fell within "Sib" group.

Resumo Endosimbiontes do gênero Wolbachia (Hertig) são extensivamente estudados em uma ampla gama de organismos e são conhecidos por serem transmitidos via citoplasma do ovo hospedeiro para seu descendente. Wolbachia pode causar vários tipos de alterações reprodutivas nos artrópodes. Nas espécies de Trichogramma, a reprodução partenogenética induzida por Wolbachia, possibilita as fêmeas dos parasitoides a produção de fêmeas a partir de ovos não fertilizados e estas bactérias estão presentes em pelo menos 9% de todas as espécies de Trichogramma. Estudos filogenéticos têm levado a subdivisão do clado Wolbachia em cinco supergrupos (A, B, C, D and E). Wolbachia em Trichogramma pertence ao supergrupo B. Com o gene wsp foi possível se distinguir quatro grupos de Wolbachia que infectam Trichogramma e adicionar um novo grupo (Ato) devido a inclusão de Wolbachia detectada em Trichogramma atopovirilia (Oatman and Platner, 1983). Primers específicos foram construídos e testados para o grupo "Ato". Setenta e cinco por cento de todas as linhagens de Wolbachia que infectam Trichogramma se enquadraram dentro do grupo "Sib".

Phylogeny of the Trichogramma endosymbiont Wolbachia, an alpha-proteobacteria (Rickettsiae)

Abstract Wolbachia (Hertig) endosymbionts are extensively studied in a wide range of organisms and are known to be transmitted through the egg cytoplasm to the offsping. Wolbachia may cause several types of reproductive modifications in arthropods. In Trichogramma species, parthenogenesis-inducing Wolbachia bacteria allow females wasps to produce daughters from unfertilized eggs and these bacteria are present in at least 9% of all Trichogramma species. Phylogenetic studies have led to the subdivision of the Wolbachia clade in five supergroups (A, B, C, D and E) and Wolbachia from Trichogramma belong to supergroup B. Here, using the wsp gene, four groups of Wolbachia that infect Trichogramma species were distinguished and the addition of a new group Ato was suggested due to the addition of Wolbachia from Trichogramma atopovirilia (Oatman and Platner). Specific primers were designed and tested for the Ato group. Seventy-five percent of all evaluated Wolbachia strains from Trichogramma fell within Sib group.

Resumo Endosimbiontes do gênero Wolbachia (Hertig) são extensivamente estudados em uma ampla gama de organismos e são conhecidos por serem transmitidos via citoplasma do ovo hospedeiro para seu descendente. Wolbachia pode causar vários tipos de alterações reprodutivas nos artrópodes. Nas espécies de Trichogramma, a reprodução partenogenética induzida por Wolbachia, possibilita as fêmeas dos parasitoides a produção de fêmeas a partir de ovos não fertilizados e estas bactérias estão presentes em pelo menos 9% de todas as espécies de Trichogramma. Estudos filogenéticos têm levado a subdivisão do clado Wolbachia em cinco supergrupos (A, B, C, D and E). Wolbachia em Trichogramma pertence ao supergrupo B. Com o gene wsp foi possível se distinguir quatro grupos de Wolbachia que infectam Trichogramma e adicionar um novo grupo (Ato) devido a inclusão de Wolbachia detectada em Trichogramma atopovirilia (Oatman and Platner, 1983). Primers específicos foram construídos e testados para o grupo Ato. Setenta e cinco por cento de todas as linhagens de Wolbachia que infectam Trichogramma se enquadraram dentro do grupo Sib.

Occurrence of Cryptosporidium spp. and Giardia spp. in a public water-treatment system, Paraná, Southern Brazil / Ocorrência de Cryptosporidium spp. e Giardia spp. em uma estação pública de tratamento de água, Paraná, Sul do Brasil

The purpose of this study was to investigate the occurrence of Cryptosporidium spp. and Giardia spp. in a public water-treatment system. Samples of raw and treated water were collected and concentrated using the membrane filtration technique. Direct Immunofluorescence Test was performed on the samples. DNA extraction using a commercial kit was performed and the DNA extracted was submitted to a nested-PCR reaction (n-PCR) and sequencing. In the immunofluorescence, 2/24 (8.33%) samples of raw water were positive for Giardia spp.. In n-PCR and sequencing, 2/24 (8.33%) samples of raw water were positive for Giardia spp., and 2/24 (8.33%) samples were positive for Cryptosporidium spp.. The sequencing showed Cryptosporidium parvum and Giardia duodenalis DNA. In raw water, there was moderate correlation among turbidity, color and Cryptosporidium spp. and between turbidity and Giardia spp.. The presence of these protozoans in the water indicates the need for monitoring for water-treatment companies.

O objetivo deste estudo foi investigar a ocorrência de Cryptosporidium spp. e Giardia spp. em um sistema público de tratamento de água. Amostras de água bruta e tratada foram coletadas e concentradas, utilizando-se a técnica de filtração em membranas. Foi realizada a técnica de Imunofluorescência Direta nas amostras. A extração de DNA foi realizada, utilizando-se um kit comercial, e o DNA extraído foi submetido a uma reação de nested-PCR (n-PCR). Na imunofluorescência, 2/24 (8,33%) amostras de água bruta foram positivas para Giardiaspp.. Na n-PCR, 2/24 (8,33%) amostras de água bruta foram positivas para Giardia spp., e 2/24 (8,33%) amostras foram positivas para Cryptosporidium spp.. O sequenciamento demonstrou DNA de Cryptosporidium parvum e de Giardia duodenalis. Na água bruta, houve correlação moderada entre turbidez, cor e Cryptosporidium spp. e entre a turbidez e Giardia spp.. A presença desses protozoários na água indica a necessidade de monitoramento pelas empresas de tratamento de água.

Padronização da análise de mutações no gene TP53 em carcinomas de células escamosas de boca em material parafinado / Standardization of TP53 gene mutations analysis on oral squamous cell carcinoma from paraffin-embedded tissues

Introduction: The tumor protein p53 gene (TP53) is a constant target of investigation in cancer pathogenesis. Analysis by immunohistochemistry provides limited data about p53 in oral carcinogenesis, and TP53 sequencing can contribute to this analysis. However, obtaining high-quality and contamination-free deoxyribonucleic acid (DNA) for a proper amplification can be a difficult task when using paraffin-embedded tissues. Objective: Standardize DNA extraction, polymerase chain reaction (PCR) amplification and DNA sequencing techniques for TP53 mutation analysis. Material and methods: Thirty-nine cases of oral squamous cell carcinoma (OSCC) were selected from the Pathology Division of Instituto Nacional de Câncer (Inca). The DNA extraction method used was the QIAamp® DNA minikit® system. After DNA quantification by spectrophotometry, 250 ng of genetic material obtained from TP53 gene were amplified by PCR for exon 2 and by nested PCR for exon 6. Out of the total sample, 11 cases were selected for exon 2 sequencing. Results: The DNA samples presented mean concentration of 119.74 ± 88.86 ng/µl (28.9-556.4) and purity of 1.69 ± 0.18 (1-1.9). Thirty-three (84.6%) samples were amplified for exon 2, and all samples for exon 6 (39/100%). Readable sequencing data were obtained in 10 (90.9%) cases. Conclusion: Optimization of conditions for TP53 sequencing was obtained, and this will facilitate the analysis of mutations in paraffin-embedded tissues, allowing molecular retrospective studies...

Introdução: O gene TP53 (proteína tumoral p53) é alvo constante de investigação na patogênese do câncer. A imuno-histoquímica fornece dados limitados na análise de p53 no processo da carcinogênese bucal e o sequenciamento de TP53 pode contribuir nessa investigação. Contudo, a obtenção de ácido desoxirribonucleico (DNA) com qualidade para amplificação e livre de contaminação pode constituir uma tarefa difícil na utilização de material parafinado. Objetivo: Padronizar as técnicas de extração de DNA, amplificação por reação em cadeia da polimerase (PCR) e sequenciamento para a análise de mutações em TP53. Material e métodos: Foram selecionados 39 casos de carcinomas de células escamosas bucal da Divisão de Patologia do Instituto Nacional de Câncer (Inca). O DNA foi extraído utilizando o sistema comercial QIAamp® DNA minikit®. Após quantificação do DNA por espectrofotometria, 250 ng de amostra foram amplificados pela técnica de PCR para o éxon 2 e por nested PCR para o éxon 6 do gene TP53. Da amostra total, 11 casos foram selecionados para a padronização da reação de sequenciamento do éxon 2. Resultados: As amostras de DNA apresentaram concentração média de 119,74 ng/µl ± 88,86 (28,9-556,4 ng/µl) e pureza de 1,69 ± 0,18 (1-1,9). Do total das amostras analisadas, 33 (84,6%) foram amplificadas para o éxon 2, e todas (39/100%), para o éxon 6. No sequenciamento do éxon 2 obtiveram-se sequências passíveis de leitura em 10 (90,9%) casos. Conclusão: A otimização das condições para o sequenciamento de TP53 foi obtida, o que facilitará a análise de mutações em tecidos parafinados, permitindo...

Detection of genetic diversity of Anaplasma marginale isolates in Minas Gerais, Brazil / Detecção de diversidade genética de isolados Anaplasma marginale em Minas Gerais, Brasil

Bovine anaplasmosis, caused by the tick-borne rickettsiaAnaplasma marginale, is endemic in tropical and subtropical regions of the world and results in economic losses in the cattle industry. Major surface proteins (MSPs) have been used as markers for the genetic characterization of A. marginale strains and demonstrate that many isolates may occur in a given geographic area. However, in Brazil, little is known about the genetic diversity of A. marginale isolates within individual herds. This study was designed to examine the genetic variation among A. marginale infecting calves in a farm in the south of Minas Gerais State, Brazil. Blood samples collected from 100 calves were used to prepare Giemsastained smears that were microscopically examined for the presence of A. marginale. From each blood sample, DNA was extracted and analyzed by a polymerase chain reaction (PCR), followed by sequencing to determine diversity among the isolates. Examination of blood smears showed that 48% of the calves were infected with A. marginale, while the real-time PCR detected 70.2% positivity. Congenital infections were found in four calves. The microsatellite and tandem repeat analyses showed high genetic diversity among the isolates.

A anaplasmose bovina, causada pela rickettsia Anaplasma marginale e transmitida por carrapatos, é endêmica em regiões tropicais e subtropicais no mundo e causa grandes perdas econômicas na indústria de bovinos. Proteínas principais de superfície (MSPs) foram usados como marcadores para a caracterização genética de amostras de A. marginale, demonstrando que diferentes isolados podem ocorrer numa certa região geográfica. Porém, no Brasil pouco se sabe sobre a variedade genética de isolados de A. marginale em rebanhos individuais. Este estudo teve como objetivo investigar a ocorrência de variação genética entre bezerros infectados com A. marginale numa fazenda do sul de Minas Gerais, Brasil. Amostras de sangue coletadas de 100 bezerros foram utilizadas para o preparo de esfregaços sanguíneos, corados pelo Giemsa, para detecção da infecção por A. marginale. Amostras de DNA extraídas de cada amostra foram analisadas através de PCR seguido de sequenciamento. O exame dos esfregaços demonstrou que 48% dos bezerros estavam infectados com A. marginale, enquanto que o PCR detectou 70,2% de positividade. Infecção congênita foi detectada em quatro bezerros. As análises de microsatélites e 'tandem repeats' comprovaram uma grande diversidade genética entre os isolados.

Polimorfismos de nucleotídeos únicos em 15 códons do gene da proteína priônica em um rebanho Suffolk afetado com scrapie no Brasil / Single nucleotide polymorphisms at 15 codons of the prion protein gene from a scrapie-affected herd of Suffolk sheep in Brazil

Scrapie is a transmissible spongiform encephalopathy of sheeps and goats, associated with the deposition of a isoform of the prion protein (PrPsc). This isoform presents an altered conformation that leads to aggregation in the host's central nervous and lymphoreticular systems. Predisposition to the prion agent infection can be influenced by specific genotypes related to mutations in amino acids of the PrPsc gene. The most characterized mutations occur at codons 136, 154 and 171, with genotypes VRQ being the most susceptible and ARR the most resistant. In this study we have analyzed polymorphisms in 15 different codons of the PrPsc gene in sheeps from a Suffolk herd from Brazil affected by an outbreak of classical scrapie. Amplicons from the PrPsc gene, encompassing the most relevant altered codons in the protein, were sequenced in order to determine each animal's genotype. We have found polymorphisms at 3 of the 15 analyzed codons (136, 143 and 171). The most variable codon was 171, where all described alleles were identified. A rare polymorphism was found at the 143 codon in 4 percent of the samples analyzed, which has been described as increasing scrapie resistance in otherwise susceptible animals. No other polymorphisms were detected in the remaining 12 analyzed codons, all of them corresponding to the wild-type prion protein. Regarding the risk degree of developing scrapie, most of the animals (96 percent) had genotypes corresponding to risk groups 1 to 3 (very low to moderate), with only 4 percent in the higher risks group. Our data is discussed in relation to preventive measures involving genotyping and positive selection to control the disease.

Scrapie é uma encefalopatia espongiforme transmissível de ovinos e caprinos, associado a deposição da isoforma da proteína priônica (PrPsc). Essa isoforma apresenta uma alteração conformacional que leva ao acúmulo da proteína no sistema nervoso central e linforeticular do hospedeiro. A predisposição a infecção pelo agente priônico pode ser influenciado por genótipos específicos relacionados a mutações na sequência de aminoácidos do gene PrPsc. As principais mutações caracterizadas ocorrem nos códons 136, 154 e 171, sendo o genótipo VRQ o mais suscetível e o genótipo ARR o mais resistente. Nesse estudo nós analisamos os polimorfismos de 15 códons diferentes da gene PrPsc em ovinos de um rebanho da raça Suffolk no Brasil afetado com scrapie clássico. Os amplicons do gene da PrPsc, que contem os códons mais frequentemente encontrados foram sequenciados para determinar o genótipo de cada animal. Nós encontramos 3 polimorfismos do 15 códons analisados (136, 143 e 171). O códon que mais teve variações foi o códon 171, onde todos os alelos foram identificados. Um polimorfismo raro foi encontrado no códon 143, em 4 por cento das amostras analisadas, o qual tem sido descrito por aumentar a resistência a scrapie em animais suscetíveis. Nenhum outro polimorfismo foi detectado nos 12 códons restantes, todos então, correspondendo à proteína priônica selvagem. De acordo com a grau de risco a desenvolver scrapie, a maioria dos animais (96 por cento) tiveram genótipo correspondentes aos grupos de risco 1 a 3 (muito baixo a moderado), e somente 4 por cento no grupo de risco alto. Nossos dados discutem a relação das medidas de prevenção envolvendo a genotipagem e a seleção positiva para o controle da doença.

Identificação diferencial de Rhodococcus equi e Dietzia maris em bubalinos / Differential identification of Rhodococcus equi and Dietzia maris in buffaloes

Foram analisados 24 isolados bacterianos oriundos de leite e pele de búfalas (Bubalus bubalis), os quais foram previamente identificados como Rhodococcus equi com o auxílio de fenotipia concisa. Testes fenotípicos complementares e ferramentas moleculares foram utilizados com o objetivo de caracterizar esses isolados, bem como diferenciá-los de outros microrganismos intimamente relacionados. Observaram-se três fenótipos distintos, porém a identificação dos isolados foi inconclusiva. Apenas um dos isolados foi comprovado como sendo R. equi com a realização da PCR espécie-específica, sequenciamento e análise dos fragmentos de DNA. Os demais isolados só foram identificados pelo sequenciamento de fragmento do gene que codifica a região 16S do rRNA universal de bactérias, indicando tratar-se de Dietzia maris. O perfil de susceptibilidade aos antimicrobianos revelou maior resistência dos isolados de D. maris para oxacilina (96 por cento) e rifampicina (87 por cento). O isolado de R. equi apresentou resistência à amicacina, oxacilina, penicilina, rifampicina e tetraciclina. Alerta-se para o risco da incorreta identificação dos isolados baseados em testes fenotípicos concisos e para a necessidade de utilização de testes complementares para diferenciação entre R. equi e D. maris.

Twenty-four bacterial isolates from milk and skin of buffalo females (Bubalus bubalis), which previously had been identified as Rhodococcus equi by using a restricted number of phenotypical tests for bacterial characterization, were analyzed. The goal of this study was to perform the characterization of these isolates, as well as the differentiation of other microorganisms closely related by using additional phenotypical tests and molecular tools. Based on the phenotypical results, three different biotypes were obtained. However, the identification of the isolates was inconclusive. Only one of the isolates was confirmed as R. equi by the PCR specifically for this species, as well DNA sequencing and DNA fragment analysis. All the other isolates only could be precisely identified after the DNA sequencing, and they were characterized as Dietzia maris. The sensitivity profile to antimicrobials demonstrated the highest resistance of D. maris to oxacillin and rifampin, 96 percent and 87 percent, respectively. R. equi isolate, presented resistance to amikacin, oxacillin, penicillin, rifampin, and tetracycline. Thus, it is important to alert for the risk of the incorrect identification of the bacterial isolates by using diagnostic analysis based on phenotypical tests in order to differentiate R. equi and D. maris, besides the necessity to use complementary tests for differentiation of these microorganisms.

Association of the heart fatty acid-binding protein gene with quality of carcass and meat traits in pigs / Associação entre o gene da proteína de ligação de ácidos graxos - coração com características de carcaça e qualidade da carne em suínos

The heart fatty acid-binding protein (HFABP) gene was sequenced in parental animals of a F2 crossing of boars of the Brazilian native Piau breed with commercial sows (Landrace x Large White Pietrain). Primers used for PCR were designed to amplify four exons of the gene. The PCR products were sequenced and compared with the GenBank sequences. Differences between the generated sequences and the GenBank sequences were observed for both genetic groups. A total of 246 F2 animals were genotyped using the Hinf I restriction enzyme. Two genotypes were identified, 198 being animals HH and 48 Hh. The Hinf I SNP was significantly associated with weights of loin (bone-in) (P<0.05), jowl (P<0.05), sirloin (P<0.10), and kidneys (P<0.01). These results showed the potential of the H-FABP gene in marker-assisted selection programs for carcass traits in pigs.

O gene da proteína de ligação de ácidos graxos - coração foi seqüenciado em animais parentais de um cruzamento F2 entre varrões da raça nativa brasileira Piau e fêmeas comerciais (Landrace x Large White x Pietrain). Os primers utilizados na reação em cadeia da polimerase foram desenhados para amplificarem os quatro éxons do gene. Os fragmentos amplificados foram seqüenciados e comparados com a seqüência do gene depositada no GenBank. Foram observadas divergências entre as seqüências geradas e as do GenBank para ambos os grupos genéticos. Foram genotipados 246 animais F2 utilizando-se a enzima Hinf I. Dois genótipos foram identificados, sendo 198 animais HH e 48 animais Hh. O polimorfismo apresentou efeito sobre o peso total do carré (P<0,05), o peso da papada (P<0,05), o peso do filezinho (P<0,10) e o peso dos rins (P<0,01). Os resultados indicam que o gene da H-FABP apresenta potencial para aplicação em programas de seleção assistida por marcadores moleculares em suínos.

Análise filogenética do gene da miogenina / Phylogenetic analysis of the myogenin gene

Estudou-se a filogenia do gene da miogenina, um membro da família MyoD, reguladora da miogênese, que ocorre durante o desenvolvimento embrionário, e sua história evolutiva em espécies domésticas que apresentem seqüências de DNA depositadas no Genbank, comparando-se o índice de substituição de nucleotídeos não-sinônimos pelo índice de substituição sinônima. Valores maiores do que um (1) indicaram que o gene sofreu mudanças que tornaram o organismo mais adaptado ao ambiente. As árvores filogenéticas foram obtidas por máxima verossimilhança, e os índices de substituição sinônima e não-sinônima foram analisadas pelo método de parcimônia. Os resultados indicaram que, provavelmente, o gene sofreu evolução adaptativa no grupo Ruminantia, Bos taurus e Ovis aries, depois que essas espécies divergiram do ancestral comum. Para as outras espécies analisadas, o gene parece ter evoluído de modo conservativo.

The myogenin gene, a member of the MyoD gene family, is a regulator of the myogenesis that takes place during the embryonic development. The objective of this study was to perform a phylogenic analysis of the myogenin gene to study its evolutionary history in the domestic species that have the sequencing data deposited in the Genbank. One common method to detect a gene evolution is made by comparing the ratio of nonsynonymous nucleotide substitution by the ratio of synonymous substitutions. Values greater than one (1) means that the gene has gone through changes that made the organism more adapted to the environment. The phylogenetic trees were obtained by maximum likelihood and the synonymous and nonsynonymous substitution rates were analyzed by the parsimony method. The results point out that probably the gene suffered an adaptive evolution in the Ruminantia group, Bos Taurus and Ovis aries, after these species diverged from their common ancestral. In the other species, the gene seems to be evolved in a conservative way.