Tiana Kohlsdorf.

Head-first burrowing is a specialized locomotory behaviour in vertebrates and is least understood compared to e.g. flying and swimming. Here, we focus on a unique and enigmatic group of reptilian burrowers, the amphisbaenians. These mainly limbless species use four distinct burrowing modes, but the link between burrowing mode, the whole skull/body characteristics, and the underlying developmental and genetic processes has been little explored. This interdisciplinary project aims to decode the amphisbaenian musculoskeletal system, cranial and postcranial, using integrated multiscale and multimodal approaches. Representatives of 4 major amphisbaenian head shapes (shovel, spade, keel, round), as well as of snakes and lizards (non/burrower), will be investigated. They will be studied in an integrated project across 4 labs to address 8 hypothesis (2 per lab) using a combination of advanced approaches: (1) macro scale imaging and biomechanical characterization (Moazen lab) will yield quantitative morphological characterisation of individual bones and joints across the head as well as their biomechanical significance; (2) in vivo functional and whole genome analysis (Kohlsdorf lab) will enable validation of biomechanical studies and further explain the possible genetic basis of the morphological variations; (3) nano scale imaging, structural and chemical analysis (Birkedal lab) will further unravel the possible link between the morphological and genetic variations and nanoscale structural and (bio)chemical compositions; (4) soft tissue histology and macroscale motion analysis (Adriaens lab) will yield information on the crucial link between cranial and postcranial elements as well as interplays between soft and hard tissues. This basic science research will advance our understanding of how musculoskeletal systems evolve and modulate their various constituents to optimise performance in specific ecological settings. It will also directly inform the whole field of robotics, e.g. bioinspired robots for biomedical research. Crucially, it will train the next generation of scientists in an international and interdisciplinary setting to explore the wonders of the world and develop solutions addressing global challenges.

A proposta utiliza a herpetofauna amazônica como referencial de biodiversidade e implementa abordagens eco-evolutivas e socioambientais integrativas e inovadoras para entender e mitigar os impactos das mudanças climáticas globais sobre espécies e populações naturais Amazônicas. A proposta concentra-se na interação com comunidades ribeirinhas, estabelecendo quatro objetivos com metas específicas: 1) desenvolver e aplicar uma ferramenta de análise do discurso sobre as relações entre biodiversidade e clima e suas alterações históricas e contemporâneas em comunidades e aldeias ribeirinhas (aplicada a comunidades tradicionais das bacias do Rio Negro e Araguaia, onde equipes proponentes possuem pontos de articulação e apoio já estabelecidos); 2) fortalecer e expandir práticas de monitoramento e manejo de ninhos e ovos de quelônios amazônicos realizadas nessas comunidades ribeirinhas com o objetivo de monitorar a qualidade termal e os impactos de incrementos de temperatura sobre a expressão fenotípica e genética de filhotes de quelônios amazônicos e sobre as práticas sustentáveis de manejo que as comunidades tradicionais desenvolvem, como o Turismo de Base Comunitária; 3) coletar e analisar dados de anfíbios e répteis amazônicos ao longo de amplos gradientes ambientais para realizar modelagem preditiva dos impactos de mudanças climáticas na biodiversidade, com enfoque inovador que integra ecologia, fenótipos funcionais, genética e informações de reprodução e desenvolvimento (e assim transpor os conhecimentos adquiridos no objetivo 2 para a ampla escala regional da Amazônia e zonas de transição) e ; 4) a partir da análise de discurso do objetivo 1, desenvolver produtos de engajamento do público com a ciência envolvendo os resultados obtidos nos objetivos 2 e 3 junto a aldeias e comunidades ribeirinhas envolvidas na proposta e a setores envolvidos na tomada de decisões e políticas públicas em conservação, estabelecendo um modelo de transposição do conhecimento científico para comunidades locais que possa ser aplicado em diferentes localidades da região amazônica.

Understanding morpho-functional relationships of Gnathostomata ('jawed vertebrates') mandibles (lower jaws) is imperative to understand the role of food on species diversification and specialization to challenging environments. This proposal aims to establish a world-first investigation of biomechanical implications of Gnathostomata feeding behaviour and diet using a phylogenetic framework. Employing a novel multi-pronged approach integrating bioengineering (Monash-Australia) and shape analysis (USP-Brazil) in a wide range of species, from sharks to mammals, we will show how jaw anatomy coincides with major evolutionary events in the evolution of jawed vertebrates. Results will enhance our understanding on how jaw shape and function coevolve in this ecologically diversified clade. This international partnership also represents a unique opportunity for knowledge exchange between labs and for training scientists from different countries in advanced techniques and modern analyses.

O desenvolvimento integra sinais ambientais com informações genéticas no estabelecimento do fenótipo. A EvoDevo reconhece que ambientes dinâmicos podem revelar novas variantes fenotípicas em populações naturais a partir da indução de vias alternativas de desenvolvimento por meio da plasticidade inerente aos processos ontogenéticos, uma concepção que pode contribuir significativamente para análise das implicações de mudanças climáticas na biodiversidade. No cenário de aceleração das mudanças no clima, o substrato de ação dos regimes de seleção pode diferir do intervalo atual de variantes fenotípicas reveladas pelo desenvolvimento nas condições ambientais presentes. O Projeto Temático 'EvoDevo em Ambientes Dinâmicos' pretende incorporar a dimensão ontogenética à avaliação do impacto de mudanças climáticas sobre a biodiversidade brasileira, testando associações entre padrões fenotípicos e parâmetros climáticos e elaborando de uma base de dados empírica de respostas plásticas do desenvolvimento em representantes de linhagens de vertebrados ectotérmicos (peixes, anuros e lagartos) distribuídas no território brasileiro. O Sub-Projeto 1 objetiva identificar associações entre padrões fenotípicos e parâmetros ambientais relacionados ao clima em diferentes linhagens; a existência de plasticidade fenotípica críptica será inferida no Sub-Projeto 2 a partir da descrição de normas de reação do desenvolvimento em diversas espécies. Dados empíricos produzidos nesses dois sub-projetos permitem interfaces com a avaliação dos impactos de mudanças climáticas na biodiversidade (Sub-Projeto 3). Reconhecendo a demanda por profissionais capacitados na área, também será avaliado o discurso de alunos de graduação relacionado a conceitos da EvoDevo, estimulando a elaboração de propostas pedagógicas complementares aos eixos de pesquisa constituintes do Projeto Temático.

The primary goal of this proposal is to promote academic exchange between research groups working on EvoDevo in Brazil and Germany, mediated by the development of a research project established in the interface among research lines of the associated labs. By-products of such interaction include also training of human resources in EvoDevo through departmental seminars and students? internships, and the identification of organisms rarely used as experimental models in Developmental Biology as likely study systems for Evolutionary Developmental Biology. The research project proposed to establish such academic exchange between research groups aims to investigate the evolution and development of limb diversity in salamanders, using an integrative approach that combines phylogenetic mapping of autopodial morphology in the lineage with analyses of molecular signatures in enhancers of genes expressed during digit development.

Processos e mecanismos de evolução de diversidade fenotípica constituem tema central na Biologia Evolutiva. Dois grandes conjuntos agrupam investigações acerca da evolução da forma, ecomorfologia e evolução do desenvolvimento (Evo-Devo), mas a integração concreta dessas dimensões consolida-se efetivamente a partir do estabelecimento da área denominada Eco-Evo-Devo, quando o ambiente passa a ser reconhecido como agente indutor e seletor de diversidade fenotípica. A presente proposta utiliza essa abordagem integradora para concatenar dimensões funcionais e temporais dos processos de diversificação morfológica em representantes da herpetofauna brasileira. A proposta organiza-se em três eixos complementares. O primeiro combina sub-projetos de pesquisa acerca da diversificação morfológica em linhagens de Lissamphibia e Lepidosauria, organizados segundo três abordagens principais: Ecomorfologia, Evo-Devo, e Eco-Evo-Devo. Estudos ecomorfológicos serão implementados em escala taxonômica ampla, combinando dados morfométricos e merísticos com informações ecológicas. A pesquisa em Evo-Devo, por sua vez, investigará mecanismos e processos de desenvolvimento embrionário ou larval associados à diversificação morfológica em grupos específicos, por meio do sequenciamento de regiões codificantes e regulatórias de genes Hox e da avaliação de séries ontogenéticas. Finalmente, estudos em Eco-Evo-Devo serão desenvolvidos por meio da manipulação de condições ambientais durante o desenvolvimento e avaliação morfológica e funcional dos fenótipos estabelecidos. Essa proposta possui também um segundo eixo, focado na formação de Recursos Humanos em Evo-Devo e Eco-Evo-Devo mediante dois cursos de curta duração ministrados por referências internacionais na área. Finalmente, o acesso aos conceitos inerentes à Evo-Devo será viabilizado pela elaboração de um livro de divulgação científica destinado a estudantes de graduação e professores de ensino médio.

O aumento da incidência de radiação ultravioleta na superfície terrestre, catalisada pela redução da camada de ozônio, é considerado uma das possíveis causas do declínio da população mundial de anfíbios. A exposição a altos níveis de ultravioleta-B (UVB) pode danificar diversos processos nesses animais, provocando má formação morfológica, efeito genotóxico (dano ao DNA), diminuição nas taxas de crescimento, aumento na taxa de mortalidade e alteração no desempenho locomotor. Diante dos efeitos negativos do UVB, existem mecanismos abióticos e bióticos que protegem os anfíbios das sequelas deste tipo de exposição, relacionados por exemplo à alta turbidez e profundidade do corpo d'água, assim como à presença de melanina no tecido epitelial e existência de mecanismos de remoção e reparo do dano ao DNA. Os efeitos negativos do UVB podem ainda ser amplificados pela temperatura ambiental, uma vez que em temperaturas mais baixas a atividade de enzimas de reparo pode ser menor. Finalmente, a distribuição geográfica das populações também pode determinar a quantidade de exposição dos organismos ao UVB. Nesse contexto, o presente projeto de pesquisa visa investigar os possíveis efeitos da exposição a diferentes intensidades de UVB e de temperatura no desenvolvimento de girinos de três populações do gênero Rhinella provenientes de localidades com diferentes altitudes. As hipóteses que serão testadas predizem que populações provenientes de maiores altitudes, expostas a uma alta incidência de UVB e a temperaturas mais baixas em seu hábitat natural, apresentarão menor taxa de mortalidade durante a aclimatação do que as populações de menores altitudes. Espera-se ainda que ao longo do tratamento experimental estas populações apresentem menor quantidade de dano ao DNA, dado que terão maior atividade de reparo da enzima fotoliase, e os efeitos sobre a velocidade máxima atingida nos testes de locomoção e a taxa de crescimento serão menores do que os observados nas populações de baixas altitudes. Para testar tais hipóteses, girinos provenientes de diferentes populações serão aclimatados em diferentes condições de UVB e temperaturas durante todo o seu desenvolvimento. Testes de desempenho locomotor, análises de dano e reparo de DNA, e medidas morfológicas serão realizados em três estágios de desenvolvimento durante a aclimatação, com o intuito de verificar se há diferença na sensibilidade aos efeitos do UVB entre as populações e qual é sua relação com a temperatura.

A origem evolutiva do autopódio (região distal dos apêndices pareados de Tetrapoda, composta por metatarsos/metacarpos e falanges) constitui uma das principais adaptações associadas à transição do hábito aquático para a vida em ambientes terrestres nos animais vertebrados. Apesar de sua origem única, o autopódio é uma estrutura bastante diversificada nas diversas linhagens atuais de Tetrapoda, sendo particularmente variável em alguns clados, como Squamata. A presente proposta de pesquisa objetiva identificar a variação morfológica (merística e morfométrica) do autopódio em quatro grandes linhagens de Squamata, relacionando os padrões evolutivos identificados com aspectos ecológicos (uso diferencial de habitats e microhabitats) e funcionais (desempenho em diferentes atividades de locomoção), e com possíveis alterações subjacentes em mecanismos moleculares de desenvolvimento embrionário. O desempenho locomotor de espécies com diferentes morfologias de autopódio será testado nas atividades de corrida, salto, escalada e enterramento. Quanto à inferência de alterações em mecanismos subjacentes de desenvolvimento embrionário, fragmentos de regiões regulatórias e codificantes de genes expressos durante a formação do autopódio no embrião serão sequenciados em linhagens específicas, e ferramentas de bioinformática serão utilizadas para testar possíveis associações entre as variações observadas nas sequencias de nucleotídeos e os padrões identificados de morfologia do autopódio. O projeto proposto baseia-se em uma abordagem bastante integrativa que busca estabelecer possíveis inter-relações entre padrões morfológicos, processos evolutivos e mecanismos moleculares subjacentes no cenário de evolução da diversidade fenotípica do autopódio em linhagens de Squamata.

Chamada SISBIOTA
Estabelecimento formal de uma rede temática dedicada à investigação de mecanismos genéticos de desenvolvimento subjacentes à evolução de diversidade fenotípica em vertebrados por meio de uma abordagem integrativa e multidisciplinar. Especificamente, objetiva-se investigar possíveis fatores determinantes do grau de diversidade morfológica observado em Tetrápodes basais (Lissamphibia e Lepidosauria), testando a hipótese de que as grandes transições evolutivas de formas corporais (por exemplo associadas ao alongamento do tronco e perda de patas observado em linhagens como Gymnophiona, Amphisbaenidae, Serpentes e diversos grupos de Squamata) ocorreram em associação a mudanças em mecanismos de desenvolvimento subjacentes, como duplicações no genoma, aceleração das taxas de evolução de genes Hox (regiões codificadoras e regulatórias) e alteração na estrutura secundária de proteínas associadas à formação de estruturas específicas (por exemplo, patas) durante o desenvolvimento embrionário.

Bolsa de Pesquisador Visitante Estrangeiro (PVE), concedida pela CAPES ao Prof. Dr. Steve F. Perry, com duração de 12 meses, para desenvolver projeto de pesquisa junto ao Laboratório de Evolução e Eco-fisiologia de Tetrápodes (Departamento de Biologia, FFCLRP/USP), sob coordenação da Profa. Dra. Tiana Kohlsdorf.

Eventos colonização massiva de um novo ambiente por grupos animais são freqüentemente marcados por grande diversificação corporal. O potencial evolutivo de um grupo determina sua capacidade de divergência adaptativa e é freqüentemente comprometido com a quantidade de variação disponível em características herdáveis, porque é sobre esta que a seleção natural comumente age para promover evolução fenotípica. Embora aparentemente apresentando histórias ecológicas semelhantes na colonização de ambientes brasileiros não-florestais, clados pertencentes a duas grandes famílias de lagartos tropicais, Gimnoftalmidae e Tropiduridae, parecem exibir diferentes graus de diversificação fenotípica. A presente proposta de pesquisa objetiva primeiramente verificar a repetibilidade da diversidade presente em diferentes níveis de organização (desempenho locomotor, morfologia, fisiologia muscular e genes expressos durante o desenvolvimento embrionário), investigando em uma segunda etapa possíveis fatores responsáveis por diferenças no grau de diversificação observado em cada grupo. A integração entre diversos níveis de organização será realizada por meio da aplicação de matrizes de correlação entre taxas de evolução calculadas para diversas variáveis. Quanto aos possíveis mecanismos geradores de diversidade, serão investigados os tempos de divergência dos grupos nos novos ambientes, a presença de duplicações no genoma, e compromissos funcionais dados pela direcionalidade em caminhos evolutivos de padrões morfo-fisiológicos a partir das condições ancestrais em cada grupo. Esta proposta utiliza uma abordagem extremamente integrativa para investigar questões majoritárias de evolução fenotípica em vertebrados, promovendo a implementação de linhas de pesquisa emergentes (p.ex. evolução do desenvolvimento e eco-fisiologia evolutiva) e aplicação de técnicas pouco utilizadas no Brasil (p.ex. cinemática, extração de DNA em tecidos fixados em formol e métodos comparativos filogenéticos).