Mudar de reprodução sexual para partenogenética num tubarão-zebra

No total foram pontuados 14 loci específicos de tubarão-zebra. Nove destes loci demonstraram alelos únicos que não foram partilhados entre a mãe F1 e o suposto pai tubarão M1, pelo que foram informativos para avaliação parental da descendência (Tabela 1). Para estes nove loci, os descendentes da época de 2009 e 2013 (n = 1-3) foram presumidos como sendo de origem sexual de F1 × M1 e espera-se que demonstrem herança biparental. Estes indivíduos eram heterozigotos em todos os nove loci apresentando um alelo materno e um alelo paterno, de acordo com a hipótese de reprodução sexual. Os supostos descendentes partenogênicos de F1 (2015:n = 1-4, 2016:n = 1-3) eram homozigotos para um dos alelos maternos em cada locus. A única descendência de F2 (2016:5) era homozigotos em todos os alelos que estavam presentes no genótipo de F2. Como F2 é a filha sexualmente produzida de F1, os alelos de oito dos nove loci também combinavam com o genótipo de F1. No entanto, um locus (Sfa221) distinguiu a mãe desta descendência como F2. A descendência (2016:5) foi homozigotos para o alelo 242, que foi registrado de F2 (242, 248) e M1 (238, 242) mas não de F1 (246, 248) (Tabela 1).

Os outros cinco loci demonstraram todos um alelo partilhado entre F1 e M1. Embora não seja possível determinar a origem parental do alelo compartilhado quando presente no genótipo da descendência, todos os filhotes partenogenéticos eram homozigotos em cada um desses loci, cabendo a assinatura genética de partenogênese nos elasmobrânquios. Os descendentes produzidos sexualmente eram homozigotos para os alelos compartilhados pelos pais ou heterozigotos, adequando-se à assinatura genética da herança bi-parental (Tabela Suplementar).

Estes resultados suportam sem ambiguidade a hipótese de que os embriões produzidos dois anos após a remoção do tubarão macho eram de origem partenogenética e não devido ao armazenamento do esperma. Os descendentes de F2 também suportaram uma origem partenogenética, demonstrando que F2 começou a reproduzir-se assexualmente no seu segundo ano de maturidade. A elevada homozigocidade exibida em genótipos partenogenéticos (de F1 e F2) poderia ser a assinatura genética do automixis de fusão terminal, que é o mecanismo dominante de partenogênese facultativa proposto para animais vertebrados5,12,15. Neste mecanismo, a heterozigosidade está restrita às pontas dos cromossomos12, portanto, assinaturas genéticas de loci de microsatélites rastreados aleatoriamente tendem a demonstrar uma elevada homozigosidade. Mecanismos alternativos, incluindo duplicação cinegética19 e desenvolvimento espontâneo de um indivíduo haplóide a partir de um ovo não fertilizado20 resultam em homozigocidade completa21 e não podem ser descartados3. No entanto foi observada heterozigosidade num local para um tubarão-zebra partenogénico no aquário do Dubai, suportando o mecanismo de automixis de fusão terminal nesta espécie7. A análise da descendência de F1 nascida em 2009 e 2013 demonstra claramente a reprodução sexual onde a descendência possui pelo menos um alelo de M1 em cada locus. Isto confirma que F1 passou de reprodução sexual para partenogênese dentro de um período de dois anos.

Van der Kooi e Schwanten14 argumentaram que exemplos de partenogênese facultativa em vertebrados são prováveis de erros reprodutivos e, portanto, são indicativos de partenogênese acidental. Sob esse modelo, a reprodução assexuada é rara e esporádica entre espécies e não é uma estratégia adaptativa. Os nossos resultados sugerem o contrário. Em primeiro lugar, temos demonstrado uma transição relativamente rápida da reprodução sexual para a reprodução partenogenética em um animal individual que parece ser em resposta a uma mudança ambiental. A partenogénese não foi documentada a partir de um único indivíduo isolado, mas sim a partir de dois indivíduos dentro do sistema de aquário com histórias sexuais diferentes. Além disso, a partenogénese foi documentada nesta espécie a partir de indivíduos capturados em locais geograficamente distantes: o Oceano Pacífico ocidental (este estudo) e o Mar Vermelho7. Outras espécies de elasmobrânquios e cobras também têm demonstrado reprodução partenogenética em múltiplos indivíduos bem como através de anos sucessivos em cativeiro3,6,9,16,17,22. Além disso, a viabilidade de uma descendência partenogenética de vertebrados foi recentemente demonstrada em um tubarão bambu com uma descendência de segunda geração também sendo produzida através da partenogênese23,

Um desafio para entender a natureza adaptativa da partenogênese facultativa em elasmobrânquios e outros vertebrados é identificar as condições sob as quais ela ocorre. A hereditariedade na partenogênese facultativa foi demonstrada para aves de capoeira e Drosophila spp. (ver revisão ref. 24). Contudo, a reprodução sexual parece ser a forma dominante de reprodução para espécies que demonstram partenogênese facultativa8,15 e, portanto, parece que as pistas internas ou externas podem levar ao início da partenogênese nestas espécies. Estudos em aves de capoeira constataram que as infecções virais aumentaram a prevalência de partenogênese em diferentes espécies, mas que não houve efeitos significativos dos tipos de ração, níveis de luz, hormônios sexuais ou proximidade a conspecíficos. Verificou-se que o aumento da temperatura iniciou o início da partenogénese em bichos-da-seda e aumentou a sua prevalência em Drosophila parthenogenata (ver revisão ref. 24). Neste estudo, a F1 foi mantida no mesmo aquário durante todo o tempo minimizando quaisquer alterações no seu ambiente externo. O principal gatilho para a mudança da reprodução sexual para a partenogénese em F1 parece ser, portanto, a remoção do companheiro. Da mesma forma, a rápida transição entre estratégias reprodutivas pelo raio águia também seguiu a remoção da companheira, apoiando a hipótese de que a partenogénese é uma vantagem reprodutiva em condições de isolamento de potenciais companheiros12. Contudo, esta táctica não parece ser omnipresente entre vertebrados com padrões contrastantes observados em cobras. Uma jibóia feminina demonstrou uma mudança de reprodução sexual para assexual, reproduzindo-se partenogeneticamente na presença de conspecíficos masculinos e não durante os dois anos intermitentes em que foi alojada em isolamento16,25. Embora a maioria dos exemplos de partenogênese para cobras tenha ocorrido quando as fêmeas foram isoladas dos companheiros, a partenogênese também foi documentada a partir de dois pitões reais cativos e um pitão de sangue após a cópula com os conspecíficos masculinos3,17. Entretanto, a fertilidade dessas serpentes masculinas não foi confirmada. Até hoje, exemplos de partenogênese em elasmobrânquios em cativeiro foram relatados apenas de fêmeas isoladas de machos. Para melhor compreender o efeito da ausência ou presença de machos no início da partenogénese, são também necessários mais estudos sobre as assinaturas genéticas dos descendentes produzidos a partir de indivíduos coesos machos e fêmeas.

Não é possível descartar potenciais pistas entre a mãe e a filha tubarão desencadeando o início da partenogénese. Contudo a fêmea tubarão-zebra no aquário do Dubai não foi alojada com outro tubarão-zebra em nenhum momento antes da maturação e início da reprodução partenogenética7 , dando assim mais apoio à ausência de um companheiro do que à presença de outra fêmea como condutor.

Densidades críticas foram propostas como condutor para o início da reprodução partenogenética dentro de uma espécie26. Neste cenário as populações podem crescer a níveis críticos através da partenogénese para aumentar as oportunidades de sucesso do acasalamento a jusante. No entanto, dado que a maioria dos exemplos de partenogénese em vertebrados de ambientes cativos envolve fêmeas mantidas em isolamento ou com poucos conspecíficos, não é possível determinar qual seria o limiar, se é que ele existe de todo. Os poucos exemplos de partenogênese de vertebrados selvagens demonstraram relações sexuais gerais próximas da unidade8,15, mas isso não leva em conta a potencial segregação espacial durante períodos críticos de acasalamento. Estudos empíricos em condições cativas poderiam ser realizados para determinar níveis críticos em densidades mais altas.

A função evolutiva da partenogênese facultativa pode tornar-se mais clara quando os mecanismos são compreendidos através de uma gama de taxa, mas no momento ela permanece discutível. A maioria dos vertebrados partenogênicos obrigatórios surge da hibridação entre espécies estreitamente relacionadas, resultando em elevada heterozigosidade individual em relação aos genótipos parentais11,27,28. Isto é considerado adaptativo para a colonização de novas áreas onde a alta diversidade genética pode fornecer as ferramentas genéticas necessárias para a adaptação a novas condições29. Embora a maioria das linhagens partenogenéticas obrigatórias sejam de curta duração e, portanto, consideradas de maior importância ecológica do que evolutiva11, podem ter vantagens evolutivas adaptativas a longo prazo, onde o retrocruzamento com espécies sexuais permite a expansão filogenética e geográfica dos gêneros27. Em contrapartida, a partenogénese facultativa resulta numa grande redução da diversidade genética e presumivelmente numa menor vantagem adaptativa ao lidar com as novas condições ambientais. A acumulação de mutações deletérias (catraca de Muller30) resulta em linhagens de curta duração, a menos que haja capacidade de reprodução sexual. A competência reprodutiva sexual da prole partenogênica ainda não foi demonstrada em vertebrados, embora tenha sido registrada de outros organismos (por exemplo, Drosophila31).

Um ponto interessante de diferença na partenogênese facultativa entre elasmobrânquios e outras espécies de vertebrados é a conseqüência do mecanismo genético para determinação sexual. A análise citogenética de um subconjunto de espécies de elasmobrânquios demonstrou heterogeneidade XY masculina e XX homogeneidade feminina semelhante à dos mamíferos32. Isto contrasta com aves e muitos répteis, o que demonstra a heterogeneidade das fêmeas ZW com a homogeneidade dos machos ZZ. A exceção é a linhagem basal de cobras que pode produzir descendentes viáveis de fêmeas WW25; entretanto veja Booth & Schuett3 onde é sugerido que cobras basais incluindo os Pythons e Boas podem realmente possuir cromossomos sexuais XX/XY em oposição ao sistema comumente aceito ZZ/ZW. A partenogênese facultativa pode ser particularmente vantajosa para espécies com homogeneidade de machos ZZ, pois leva à produção de machos, que são potenciais futuros companheiros. Nos elasmobrânquios, no entanto, todos os descendentes viáveis observados produzidos por partenogênese facultativa são fêmeas6,7,9,

P>Partenogêneseacultativa levando a descendência fêmea pode então ter a vantagem adaptativa de um mecanismo de “retenção”, através da manutenção de linhagens fêmeas até que os potenciais machos companheiros se tornem novamente disponíveis após a imigração. Em particular, os elasmobrânquios são considerados como tendo linhagens antigas com muitas espécies que se estendem milhões de anos atrás nos registros fósseis33. A análise genética da população de várias espécies de elasmobrânquios revelou assinaturas de gargalos populacionais associados a períodos de glaciação34,35. A partenogênese facultativa pode ter auxiliado populações a sobreviverem através desses períodos de isolamento. Para abordar estas ideias é importante identificar mais exemplos de partenogénese facultativa da natureza. Embora os mecanismos exatos que desencadeiam a partenogênese facultativa permaneçam atualmente um mistério, a flexibilidade reprodutiva que ela potencialmente proporciona aos vertebrados pode ser subestimada para a sobrevivência e evolução das espécies. O exame de populações isoladas contemporâneas, bem como estudos empíricos com indivíduos cativos, ajudará a investigar os mecanismos, funções e prevalência da partenogênese facultativa em espécies de vertebrados.