Teoria e Prática de Sistemática Filogenética

Princípios da sistemática filogenética e pensamento filogenético (tree thinking), reconstrução filogenética, interpretação de árvores filogenéticas e uso de filogenias.

Local: O curso será virtual em função da pandemia do covid-19. Material disponibilizado neste site, enquanto as atividades e as discussões serão feitas através de um Google Classroom, cujo ID será enviado por email aos inscritos.
Data: 18 a 29 de Maio de 2020
Horário: Serão realizadas apresentações e discussões em tempo real via Google Classroom entre 8:30 e 11
Professores:

• Alberto Vicentini - alberto.vicentini@posgrad.inpa.gov.br ou vicentini.beto@gmail.com
• Charles Clements - charlesr.clement@yahoo.com.br

Durantes a disciplina estudaremos o livro Tree Thinking de Baum & Smith 2013 um capítulo por dia, incluindo exercícios para conceitos e prática. A dinâmica será da seguinte forma:

1. Todos os dias no período da manhã, iniciando às 8:30, teremos uma discussão em grupo via Mural do Google Classroom, divido da seguinte forma:
   1. A cada dia discutiremos 1 capítulo e às vezes também um artigo.
   2. Um aluno inscrito ficará responsável por apresentar e explicar os principais conceitos do capítulo do dia. Isso pode acontecer das seguintes formas: a) prepara uma pequena apresentação e compartilha o PDF e explica ele durante a reunião (máximo 30 minutos); b) prepara uma pequena apresentação e faz um pequeno vídeo (máximo 30 minutos), compartilha ele no início da reunião. Vídeo é preferível.
   3. Segue uma discussão coletiva, perguntas e respostas via chat, incluindo o tema abordado também no artigo, quando for o caso.
   4. Para a preparação da sua apresentação as figuras do livro estão disponibilizadas no Google Classroom. Você também encontra outros recursos nos links indicados abaixo.
   5. Cada capítulo tem um Quiz para testar os conhecimentos aprendidos - estes serão corrigidos coletivamente durante a reunião diária após a discussão teórica.
   6. Portanto, todos os alunos devem ler e fazer o Quiz do capítulo e do artigo PREVIAMENTE à sua discussão. O dia de preparar a apresentação será mais pesado que os demais.

• Aula introdutória de Charles Clements, "Evolução e Domesticação" seguido de discussão. Esta aula será via Skype.
  • Para a discussão você deve ler previamente o Capítulo I - Variação Sob Domesticação da Origem das Espécies de C. Darwin, disponível em português aqui.
• Correção do Teste de Conhecimento

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PARTE I - INTERPRETANDO FILOGENIAS

• Discussão Capítulo II - Tree Thinking and Its Importance in the Development of Evolutionary Biology de Baum & Smith 2013 e correção do Quiz

• Discussão e correção do Quiz do Capítulo III - What a Phylogenetic Tree Represents de Baum & Smith 2013 e do artigo (Omland et al., 2008)

• http://www.wwnorton.com/college/biology/evolution/animations.aspx - ver animação sobre árvore filogenética
• (Crisp and Cook, 2005)
• (Gontier, 2011)
• (Nee et al., 2005)
• (Ohara, 1997)

• Discussão e correção do Quiz Capítulo IV - Trait Evolution de Baum & Smith 2013 e do artigo de (Quentin C. B. Cronk, 2001).

• (Mario C. C. Pinna, 1991)
• (Russell D. Fernald, 2004)
• (BRIAN K. HALL, 2003)
• (Heard et al., 2014)

• Discussão e correção do Quiz Capítulo IV - Relatedness and Taxonomy de Baum & Smith 2013 e do artigo de (Michel Laurin, 2008)

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• (Kevin de Queiroz, 2006)
• (Max C. Langer, 2001)
• (Stevens, 1997)
• (Stevens, 1997)

• Discussão e correção do Quiz Capítulo 6 - Gene Trees and Species Trees de Baum & Smith 2013 e sobre o artigo de (Schley et al., 2020).

• (Flagel et al., 2009)
• (Wendel et al., 2015)
• (van Heerwaarden et al., 2011)
• (Szollosi et al., 2014)
• (Gogarten et al., 2005)
• (Jakob et al., 2006)

PARTE II - INFERÊNCIA FILOGENÉTICA

• Discussão e correção do Quiz Capítulo 7 - Phylogenetic Inference with Parsimony de Baum & Smith 2013.

• Passo 01 - Tutorial e links para repositórios e dados - como baixar dados da internet para um grupo de interesse (modere no tamanho, quanto maior o numero de individuos, mais complicado serão as análises e os figuras a serem geradas). Caso não queira (ou consiga) realizar a sua própria busca, use o arquivo fasta disponibilizado neste tutorial para os demais exercícios.
• Passo 02 - Inferência de Homologia Primária - gere pelo menos duas versões de alinhamento para o dado que irá usar no exercício, mudando os parâmetros (estratégia de busca, penalidades para indels (gap penalties), etc). Recomendo usar o MAFFT, que é online, e mudar bastante algum parâmetro e gerar duas ou mais versões de alinhamento para ver o efeito dessa inferência inicial nas análises filogenéticas.
• Passo 03 -Inferência por Parcimônia - pode fazer online no CIPRES que tem o Paup instalado, ou baixar uma versão teste para o seu computador. Faça uma análise para cada alinhamento realizado e compare os resultados à luz do parâmetro que escolheu mudar.

• (Bergsten, 2005)
• (Morrison, 2015)

• Discussão e correção do Quiz Capítulo 8 - Phylogenetic Inference with Distance Maximum Likelihood and Bayesian Methods de Baum & Smith 2013.
• Discussão e correção do Quiz Capítulo 9 - Statistical Tests of Phylogenetic Hypotheses de Baum & Smith 2013.

• Prática de Máxima Verosimilhança - use as suas matrizes alinhadas na etapa anterior para ter as versões de ML das suas análises. Uma análise e figura para cada matriz. Em que elas diferem entre si e entre a árvore de MP realizada na etapa anterior? Qual foi o efeito da mudança nos parâmetros que você fez?

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• Discussão e correção do Quiz Capítulo 10 - Using Trees to Study Character Evolution de Baum & Smith 2013.

• Discussão e correção do Quiz Capítulo 11 - Using Trees to Study Space, Time and Evolutionary Diversification de Baum & Smith 2013.

O projeto final da disciplina pode ser uma das seguintes opções:

Você deve escolher uma das opções abaixo e escrever um pequeno ensaio. O texto precisa ter a estrutura lógica de um artigo, mas não precisa dividi-lo em seções, apenas começo (introdução), meio (discussão) e fim (conclusão) num texto corrido. Máximo de 2 páginas espaço simples (referências citadas em uma página extra), página A4, margens 2.5cm, fonte 12pt. Em formato PDF.

1. Delimitação e conceito de espécies - você deve revisar 1 ou mais artigos relacionados que tratam da delimitação de espécies na prática. Esses artigos devem usar dados de múltiplos genes, que é a melhor prática atual e por isso tratar da inferência da "história das populações" a partir da história de várias "gene trees". É importante que você revise esses artigos com base nos problemas e metodologias apresentados no livro, particularmente a coalescência profunda e a introgressão (reticulação) e como os autores trabalham isso na prática. Também, é importante que você discuta como os autores decidem dar nome às espécies (defini-las), se usam 1 único critério que faz com que todas as espécies sejam nomeadas da mesma forma, ou se usam múltiplos critérios e neste caso, qual a objetividade do processo e como isso afeta o conceito de espécies empregado (aqui a contradição entre "population thinking", e a taxonomia tradicional vs. phylocode).
2. Evolução de caracteres - escolher 2 ou mais artigos recentes (>= 2015) que façam a reconstrução de caracteres ancestrais para construir uma narrativa histórica da evolução de caráter e/ou como isso afeta o processo de diversificação de linhagens. Pode ser um estudo com caráter geográfico e/ou ecológico, ou co-evolutivo também. Tendo em vista o que você viu durante a disciplina, contraste as metodologias empregadas e como os autores interpretam a história em relação às incertezas na reconstrução da topologia (análise filogenética) e dos caracteres ancestrais, particularmente o problema da variação nas taxas evolutivas ao longo dos ramos de uma árvore filogenética e o problema da amostragem e de extinção. No caso de biogeografia, importante incluir uma discussão sobre o processo usado, incluindo a calibração, e a incerteza das estimativas para a datação molecular.

Você de escolher um conjunto de dados moleculares para 1 ou mais genes (não exagere, 2 é o ideal para entender a problemática) para um grupo taxonômico de seu interesse, fazer análises filogenéticas e a reconstrução de um caracter ancestral de sua escolha (pode ser inventado se não encontrar nada óbvio ou fácil de variação para os taxa escolhidos) e, opcionalmente, fazer também uma datação molecular. Você deve gerar figuras e apresentar os resultados relevantes das análises e discutir: a) o nível de supporte para relações encontradas; b) o efeito na inferência filogenética ao mudar os parâmetros na homologia primária (alinhamento), precisa portanto gerar algumas hipóteses diferentes de homologia primária; c) fazer a análise filogenética usando parcimônia, Máximum Likelihood e uma análise Bayesiana (pode fazer tudo no CIPRES que tem os softwares necessários); d) a reconstrução ancestral fica a seu critério que método usar, pode ser o simples método do Pagel através do R, ou usar o Beast; e) se usar mais um gene, testar se há conflito ou não entre as partições usadas (gene trees) e gerar um "species tree" (no Beast é mais fácil isso).
As seguintes dicas e tutoriais irão te orientar nesse processo:

• Faça uma descrição dos dados baixados (espécies, marcadores, grupo externo escolhido - Tutorial e links para repositórios e dados
• Faça os alinhamentos dos dados gerados Inferência de Homologia Primária e Preparação de dados de múltiplos genes. Explore no Aliview os comandos no menu Edit (na parte de baixo, reverse complement e outros reverse e complements) e entenda porque é importante considerar isso no alinhamento do Mafft (adjust direction of sequence based on the 1st options). Brinque com o Gap Penalty e gere dois alinhamentos: 1) com o gap penalty padrão (PADRÃO); 2) outro com um gap penalty menor que 1 (GAPPY); 3) explore outros parâmetros e compare os alinhamentos gerados.
• HPT - testando congruência entre os marcadores - Se tiver mais de um marcador (gene) faça este HPT teste. Pode simplificar concatenando marcadores de cloroplasto (assumir que são congruente) e comparar esse dado concatenado com cada marcador nuclear e eles entre si. Faça uma tabela mostrando o resultado desses testes.
• Inferências por Parcimônia e análise de boostrap - para cada alinhamento gerado faça uma análise de Parcimônia (incluindo o boostrapping) e compare as árvores de consenso (stritc consensus trees) de cada análise e as 50%MJR consensus, e discuta as diferenças nas hipóteses em relação aos parâmetros usados em cada alinhamento (Padrão, Gappy, etc). Se tiver mais de um marcador escolha o alinhamento padrão (aquele que você usou os parâmetros padrão do Mafft) para cada marcador ou marcadores concatenados (para os grupos que a comparação HPT não der significativa). Pode usar marcadores de cloroplasto concatenados nessas análises. Gere um consenso stricto para cada análise e compare os resultados.
• Faça inferências de Máxima Verosimilhança (ML) para alinhamento padrão (aquele que você não gerou mudando os parâmetros) para os dados usados no passo acima, usando PAUP ou PhylM. Compare os resultados com as análises de parcimônia. Se usar Paup não precisa fazer análise de boostrap, vai demorar muito.
• Fazer uma análise Bayesiana no Beast para todos os marcadores, fazendo uma datação relativa dos seus dados (se tiver calibrações por fósseis melhor)
  • Prática de datação molecular
  • Prática de Species Tree
• Fazer uma reconstrução de caracteres ancestrais na topologia gerada no passo anterior para todas as variáveis, ecológicas, fenotípicas e geográficas que você quiser. (no mínimo 1).
  • Práticas de reconstrução de caracteres

• http://www.wwnorton.com/college/biology/evolution/animations.aspx - excelente animações sobre evolução
• Genetics Home Reference - rico material para aulas em vários tópicos de biologia e auto-ensino. Inclui animações, videos, games e material de apoio à professores.
• DNA Learning Center - vários recursos visuais sobre biologia molecular e genética
• http://www.tree-thinking.org/ - This site is designed to be a resource for teachers, students, and researchers who are interested in tree thinking
• Understanding Evolution - Universidade de Berkeley - "a one-stop source of information on evolution"

• Material de apoio à professores

• Teoria e Prática de Sistemática Filogenética 2017