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Título: O papel da evolução de nichos na diversificação e potenciais impactos das alterações climáticas nas pererecas Neotropicais do gênero Pithecopus (ANURA: PHYLLOMEDUSIDAE)
Autor: Bandeira, Lucas Nicioli
Orientador: Anciães, Marina
Coorientador: Werneck, Fernanda de Pinho
Peterson, Andrew Townsend
Palavras-chave: Nichos ecológicos
Modelos de nicho ecológico
Anuros
América do Sul
Data do documento: 30-Ago-2021
Editor: Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia - INPA
Programa: Ecologia
Abstract: The ecological niche is an intrinsic trait of species that defines the specific requirements of individuals and expresses the set of conditions under which they can persist in nature, imposing limits on their distributions. Studies show that evolution towards conservatism or the divergence of past environmental preferences (niche) can have a profound influence on the evolutionary history of species, as well as on their responses to global climate change. The genus Pithecopus (Anura: Phyllomedusidae) is a group of 12 species of Neotropical charismatic tree frogs whose geographic distributions encompass a diverse mosaic of landscapes and environments, with such diversity and contrasting space occupation that may reflect the evolution of this trait to specific ecological requirements. In this thesis, I investigated how the ecological niche of Pithecopus species evolved, as well as the role of the evolutionary dynamics of this trait in the emergence of these species and genus diversification and how they will influence their responses to global climate change, accessing extinction risks in future climate scenarios. For this end, 243 occurrence records with high coverage of the known distribution of each of the Pithecopus were obtained and with these I built niche models and predictions of potential distributions. In the first chapter, I tested the presence of phylogenetic niche conservatism for different taxonomic levels (i.e., species and genus) using complementary analytical approaches, which estimate the patterns of overlap between the climatic niches of the species of the genus and verify the fit of position and width from this trait to models that describe different evolutionary scenarios. The results indicate that, in general, there is niche conservatism in Pithecopus. However, when different altitudinal environments were considered, species that occur in lowland regions present niches more similar to ancestral characteristics, while species distributed in mountainous complexes have more divergent niches. In the second chapter, using climate niche models and their projections into different future climate scenarios that incorporate the synergistic impacts of land use change models as dispersion filters, we investigate how Neotropical tree frogs of the genus Pithecopus will be impacted by climate change forecasts for the future, as well as evaluating the efficiency of protected areas in South America as valid conservation strategies. The results show that all Pithecopus species will be impacted by predicted climate change in the future. However, when considering species groupings in two clades occurring in different altitudinal environments, the results support the idea that the biodiversity associated with mountainous areas will be more incisively impacted by climate change since greater displacements and contractions were predicted for the distributions of these species in the future. Furthermore, the combination of species responses to changes in an environment largely transformed by constant human use of land with the insufficiency and inefficiency of protective measures for biodiversity will configure a threatening scenario for the survival of Pithecopus, especially for montane species. Finally, in the third and last chapter, I investigated the diversification of the Neotropical tree frog genus Pithecopus by evaluating the potential roles of geography and ecology as mechanisms of speciation. First, I evaluated the persistence of geographic and ecological signs of the cladogenetic process, recovering a significant association between patterns of range and niche with kinship. Then, I identified the most plausible scenario for the origin of these species by testing the congruence between distribution, ecological and phylogenetic patterns observed from of the data with the expected patterns under diversification scenarios commonly invoked to explain the origin of the Neotropical biota. The results show that non-significant associations between patterns of geographic and niche overlap with phylogenetic relationships indicate non-persistence of geographic and ecological signals in the diversification of Pithecopus. However, the congruence between observed geographic, ecological and phylogenetic patterns and expected patterns under scenarios that suggest both conservatism and rapid niche divergence, indicate that contrasting dynamics of niche evolution would be involved in the emergence of these tree frogs. Thus, my work demonstrates a prominent role of ecology in diversification within Pithecopus, a finding similar to those recently discovered for other tropical and neotropical taxa, while multiple patterns of niche evolutions emerged during the differentiation of these species.
Resumo: O nicho ecológico é um traço intrínseco das espécies que define os requerimentos específicos dos indivíduos e expressa o conjunto de condições sob as quais estes podem persistir na natureza, impondo limites às suas distribuições. Estudos mostram que a evolução em direção ao conservatismo ou a divergência das preferências ambientais (nicho) pretéritas podem ter profunda influência na história evolutiva das espécies, bem como nas respostas delas às alterações climáticas globais. O gênero Pithecopus (Anura: Phyllomedusidae) é um grupo de 12 espécies de carismáticas pererecas Neotropicais cujas distribuições geográficas abrangem um mosaico diverso de paisagens e ambientes, com tal diversidade e contrastante ocupação do espaço podendo refletir a evolução deste traço à requerimentos ecológicos específicos. Nessa tese, investiguei como o nicho ecológicos das espécies de Pithecopus evoluíram, bem como o papel da dinâmica evolutiva desse traço no surgimento dessas espécies e diversificação do gênero e como influenciarão suas respostas frente às mudanças climáticas globais, acessando riscos de extinção em cenários climáticos futuros. Para tanto, 243 registros de ocorrência com alta abrangência à conhecida distribuição de cada uma das Pithecopus foram obtidos e com estes construí modelos de nicho e predições das distribuições potenciais. No primeiro capítulo, testei a presença de conservatismo filogenético de nicho para diferentes níveis taxonômicos (i.e., espécie e gênero) usando abordagens analíticas complementares, que estimam os padrões de sobreposição entre os nichos climáticos das espécies do gênero e verificam o ajuste da posição e largura deste traço à modelos que descrevem diferentes cenários evolutivos. Os resultados indicam que, de maneira geral, há conservatismo de nicho em Pithecopus. No entanto, quando diferentes ambientes altitudinais foram considerados, espécies que ocorrem em regiões de baixada apresentam nichos mais similares às características ancestrais, enquanto as espécies distribuídas em complexos montanhosos mais divergentes. No segundo capítulo, usando modelos de nicho climático e suas projeções em diferentes cenários climáticos no futuro que incorporam os impactos sinérgicos dos modelos de mudança de uso da terra como filtros de dispersão, nós investigamos como as pererecas Neotropicais do gênero Pithecopus serão impactadas pelas alterações climáticas previstas para o futuro, bem como avaliamos a eficiência das unidades de conservação da América do Sul como estratégias de conservação válidas. Nossos resultados mostram que todas as espécies de Pithecopus serão impactadas pelas alterações climáticas previstas para o futuro. Entretanto, ao considerarmos os agrupamentos de espécies em dois clados ocorrendo em diferentes ambientes altitudinais, os resultados corroboram a ideia de que a biodiversidade associada às áreas montanhosas será mais incisivamente impactada pelas mudanças climáticas uma vez que maiores deslocamentos e contrações foram preditas para as distribuições dessas espécies no futuro. Além disso, a combinação entre as respostas das espécies às alterações em um ambiente amplamente transformado pelo constante uso humano da terra com a insuficiência e ineficiência das medidas protetivas da biodiversidade configurará um cenário ameaçador para a sobrevivência de Pithecopus, especialmente para espécies montanas. Por fim, no terceiro e último capítulo, eu investiguei a diversificação do gênero de pererecas Neotropicais Pithecopus avaliando os potenciais papéis da geografia e ecologia como mecanismos da especiação. Primeiro, avaliei a persistência dos sinais geográficos e ecológicos do processo cladogenético, resgatando uma associação significativa entre os padrões de sobreposição geográfica e de nichos com parentesco. Em seguida, identifiquei o cenário mais plausível para origem dessas espécies testando a congruência entre os padrões de distribuição, ecológicos e filogenéticos observados dos dados com os padrões esperados sob cenários de diversificação comumente invocadas para a explicação da origem da biota Neotropical. Os resultados mostram que associações não significativas entre padrões de sobreposição geográfica e de nichos com relações filogenéticas indicam não persistência de sinais geográficos e ecológicos na diversificação de Pithecopus. No entanto, a congruência entre os padrões geográficos, ecológicos e filogenéticos observados e padrões esperados sob cenários que sugerem tanto conservatismo como rápida divergência de nichos, indicam que dinâmicas contrastantes de evolução de nicho estariam envolvidas no surgimento dessas pererecas. Assim, meu trabalho demonstra um papel proeminente da ecologia na diversificação dentro de Pithecopus, achado similar àqueles recentemente descobertos para outros taxa tropicais e neotropicais, enquanto múltiplos padrões de evoluções de nicho emergiram durante a diferenciação dessas espécies.
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