Download ¿Es Strepsiptera grupo hermano de Coleoptera o de Díptera? María

¿Es Strepsiptera grupo hermano de Coleoptera o de Díptera?
María F. Carreño1,1, Nelson J. Contreras-Porras1,2, Claudia B. Moreno-Mojica1,3, Claudia J.
Quijano-Abril1,4.
RESUMEN
Fueron analizados 279 caracteres morfológicos mediante parsimonia, sustentando una
relación filogenética de grupos hermanos entre Strepsiptera y Coleóptera. Adicionalmente
se amplió el set de datos, con secuencias moleculares de cinco genes (16s, 18s, 28s, CAD y
COI) para realizar un análisis de Máximum Likelihood y Bayesiano; de los cuales el
primero arrojó cinco topologías que indican la carencia de información suficiente para
establecer relaciones filogenéticas entre los ordenes de Holometábola con Strepsiptera; el
análisis bayesiano con una probabilidad a posteriori de 0.51, confirma a Coleóptera y
Strepsiptera como grupos hermanos, en acuerdo con lo mencionado en trabajos previos.
INTRODUCCIÓN
Llamados comúnmente “estilópidos”9 el orden Strepsiptera contiene cerca de 579 especies
descritas8, con un dimorfismo sexual marcado; los machos son de vida libre y las hembras
usualmente parasitoides12.
Desde que Kirby en 1813 estableció a Strepsiptera como un orden8, sus afinidades
filogenéticas han sido objeto de debate y confusión14. Debido a esto en los últimos años se
han derivado cuatro hipótesis filogenéticas principalmente: (1) como familia (Stylopidae)
dentro de Coleóptera14, 3 por las similitudes en su ciclo de vida parasítico y morfología con
ciertos grupos de coleópteros; (2) grupo hermano de Coleóptera8, 1 debido a la capacidad de
volar con las alas posteriores (posteromotorismo); (3) fuera de Holometábola, por la
presencia de larva stemmata14, (4) grupo hermano de Díptera, por datos de secuencias de
ADN19.
______________________________________________________________________________________________________________
1
Estudiantes. Sistemática. Escuela de Biología. Facultad de Ciencias Básicas. Universidad Industrial de
Santander. Colombia. Correos electrónicos: 1,[email protected]; 1,[email protected];
1,3
[email protected]; 1,4 [email protected].
El presente trabajo tiene como finalidad dilucidar la ubicación filogenética de Strepsiptera
dentro de Holometábola y principalmente la relación de este con Díptera o Coleóptera
mediante el uso de 279 caracteres morfológicos y secuencias parciales de los genes 16s,
18s, 28s, COI y CAD, a través de la reconstrucción filogenética con parsimonia, máxima
verosimilitud y análisis bayesiano6.
METODOLOGÍA
El análisis filogenético se llevo a cabo, partiendo de 31 familias pertenecientes a los
órdenes de Holometábola como grupo interno, y 3 familias representando el grupo externo
pertenecientes a Hemimetábola. La matriz morfológica compuesta por 279 caracteres fue
diseñada a partir de una selección de los usados en los trabajos de Beutel (2011)1 y
Whiting (1997)19, (Apéndice I). Las secuencias moleculares de los genes: 16s, 18s, 28s
(ribosomales); COI (mitocondrial); CAD (nuclear), fueron obtenidos de la base de datos
Genbank, (Apéndice 2). El análisis de los caracteres morfológicos se realizó mediante una
búsqueda heurística obteniéndose el árbol más óptimo, al cual se le realizó el mapeo de
caracteres en Winclada v. 111 + Nona v. 24. El análisis de sensibilidad con tres costos
diferentes (ts1tv1g1, ts1tv2g2 y t1tv2g4) se realizó para los datos moleculares y
morfológicos en el programa POY v. 4.1.2.115 con el fin de seleccionar el costo de menor
índice de incongruencia (ILD), al cual posteriormente se le calculó un soporte de bootstrap
con 50 replicas.
Para establecer el modelo evolutivo de cada gen, las secuencias fueron alineadas con
Muscle2 y seguidamente se analizaron en Jmodeltest; los modelos seleccionados (Tabla 2)
fueron empleados para el cálculo de Maximum likelihood (ML) usando PhyML5, y para el
análisis Bayesiano que se llevó a cabo en el programa MrBayes v. 3.1.27 con 7’000.000 de
generaciones. Todas las topologías fueron observadas en Figtree v. 1.2.2
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El análisis de parsimonia solo para caracteres morfológicos muestra a Strepsiptera como
grupo hermano de Coleóptera (Apéndice 4), los caracteres que soportan ésta relación son:
la articulación del Labrum y la ausencia del ducto salivar pertenecientes al estado larval.
Del estado adulto: la presencia de posteromotorismo, el tamaño relativo de los segmentos
pterotársicos y la ausencia
de: Músculo mesonotum-basilaris, M. prospina-coxalis,
M.prospina-mesofurcalis, M.profurca-espinalis, M.procoxa-cervicalis, Metatrocantina, área
membranosa entre el mesoscutellum y mesopostnotum, sutura media mesonotal, y
prospina.
La presencia del posteromotorismo, entendido como la acción de volar con las alas
posteriores1 es un carácter importante en la relación de Strepsiptera como grupo hermano
de Coleóptera, en acuerdo con lo mencionado en la literatura3. Según Beutel (2011)1, “la
monofilia de Coleopterida (Coleóptera + Strepsiptera) implica que el posteromotorismo se
ha desarrollado solo una vez en Holometábola, en contraste con el anteromotorismo que
probablemente evolucionó de forma independiente en Bittacidae, Hymenoptera, Diptera y
otros grupos”.
El análisis de sensibilidad indicó el mejor costo cuando ts:tv =1 gap=1 y la morfología =1
(Tabla 1), con un valor de 0,1855 el cual indica la mínima incongruencia entre la
particiones; el análisis de parsimonia (Figura 1) no muestra una relación evidente de
Strepsiptera dentro de Holometábola, además de esto la topología no se ajusta a ninguna de
las hipótesis propuestas en la literatura 1,8,18,19.
En el análisis de Maximum Likelihood se evidenció falta de información para establecer
relaciones filogenéticas claras entre los órdenes dentro de Holometábola: en el gen 16s se
genera una politomia de Strepsiptera con Polyphaga (Suborden de Coleóptera compuesto
por Rhipiphoridae y Helophoridae) fuera de Holometábola (Figura 2), en el gen 18s
Strepsiptera no hace parte del grupo Holometábola; a pesar que en la topología tanto
Diptera como Strepsiptera presentan ramas largas, esta condición no genera el
agrupamiento Halteria como lo mencionado en la literatura19,20 (Apéndice 6), para el gen
CAD hay una relación de grupos hermanos entre Siphonaptera y Strepsiptera, estando
ambos consideradas dentro de Mecoptera (Apéndice 7), para el gen COI la topología
muestra una relación de grupos hermanos entre Siphonaptera y Strepsiptera (Apéndice 8).
El gen 28s no muestra una relación clara de la posición de Strepsiptera dentro de
Holometábola (Apéndice 5).
Estos resultados se pueden contrastar con lo afirmado por Wheeler (2008)17 el cual dice que
a pesar de que los datos morfológicos últimamente se hayan visto eclipsados por la gran
cantidad de información molecular disponible, no dejan de ser material importante en la
reconstrucción filogenética de nodos más profundos en arboles que no son resueltos
solamente por los datos moleculares. El hecho de que solo los datos moleculares no puedan
aclarar las relaciones filogenéticas, es debido a varios fenómenos: como la pronunciada
heterogeneidad de sitios en las tasas de evolución, la no estacionalidad de la composición
de bases entre los taxa y la tasa de variación en el tiempo16.
Los resultados del análisis bayesiano (Figura 3) muestran a Strepsiptera como grupo
hermano de Coleóptera, con una probabilidad a posteriori de 0.51, confirmando lo dicho
por Beutel (2011) 1 y Longhorn (2010)10.
CONCLUSIONES
La consistencia del resultado obtenido con el análisis de parsimonia de la matriz
morfológica,
para el presente trabajo, confirma el hecho de que los caracteres
morfológicos revelan de una manera más convincente las relaciones históricas de los
organismos en comparación con los datos moleculares, confirmando la hipótesis de
Strepsiptera como grupo hermano de Coleoptera.
Los genes se encuentran sometidos a diferentes eventos evolutivos a lo largo de tiempo, es
por ello que un análisis filogenético basado en un gen no es lo suficientemente informativo
pues puede llegar a mostrar solamente la historia del gen, más no la historia real de los
taxa.
El grupo Halteria (Strepsiptera + Diptera) propuesto por algunos autores, no se ve
reflejado en nuestro trabajo, indicando que el problema de asociaciones por ramas largas
no siempre afecta los análisis de la misma manera.
El análisis de inferencia bayesiana mediante el uso de la totalidad del set de datos es
coherente con los resultados arrojados por el análisis de parsimonia y con la literatura
actual (Friedrich & Beutel, 2010; Beutel, 2011) evidenciando una relación Strepsiptera +
Coleoptera como grupos hermanos, a pesar de esto el debate sigue abierto a próximos
estudios que incluyan set de datos más completos.
BIBLIOGRAFIA
1.
Beutel, R.G., Friedrich, F., Ho, T., & Pohl, H. (2011). Cladistics morphological and
molecular evidence converge upon a robust phylogeny of the megadiverse
Holometabola. Natural History 27, 341-355.
2.
Edgar, R.C. (2004). MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and
high throughput. Nucleic Acids Res. 32(5):1792-1797.
3.
Friedrich, F., & Beutel, R.G. (2010). Goodbye Halteria? The thoracic morphology of
Endopterygota (Insecta) and its phylogenetic implications. Cladistics 26, 579-612.
4.
Goloboff, P. (1999). NONA ver. 2 Published by the author, Tucumán, Argentina.
5.
Guindon S., Gascuel O. (2003). A simple, fast, and accurate algorithm to estimate
large phylogenies by Maximum Likelihood. Systematic Biology 52(5):696-704.
6.
Holder, M., & Lewis, P.O. (2003). Phylogeny estimation: traditional and Bayesian
approaches. Nature reviews. Genetics 4, 275-84 .
7.
Huelsenbeck J.P., Ronquist F. (2001). MRBAYES v3.1.2: Bayesian inference of
phylogeny. Bioinformatics 17, 754–755.
8.
Kathirithamby, J. (1989). Review of the Order Strepsiptera. Systematic Entomology
14, 41-92.
9.
Kristensen, N. (1999). Phylogeny of endopterygote insects, the most successful
lineage of living organisms. Eur. J. Entomol. 96, 237-253.
10.
Longhorn, S.J., Pohl, H.W., & Vogler, A.P. (2010). Ribosomal protein genes of
holometabolan insects reject the Halteria, instead revealing a close affinity of
Strepsiptera with Coleoptera. Molecular Phylogenetics and Evolution 55, 846-59.
11.
Nixon, K. C. (1999-2002). WinClada ver. 1.0000 Published by the author, Ithaca,
NY, USA.
12.
Pohl, H., Beutel, R.G. (2008). The evolution of Strepsiptera (Hexapoda). Zoology
111, 318-338.
13.
Posada D.I., In press. JModeltest: Phylogenetic Model Averaging. Molecular
Biology and Evolution. Guindon S and Gascuel O (2003). A simple, fast and
accurate method to estimate large phylogenies by maximum-likelihood". Systematic
Biology 52, 696-704.
14.
Rokas, A., Kathirithamby, J., & Holland, P.W. (1999). Intron insertion as a
phylogenetic character: the engrailed homeobox of Strepsiptera does not indicate
affinity with Diptera. Insect Molecular Biology 8, 527-30.
15.
Varón, A., Vinh L.S., Wheeler, W.C. (2010). POY version 4: phylogenetic analysis
using dynamic homologies. Cladistics 26, 72-85.
16.
von Reumont, B.M., Meusemann, K., Szucsich U.N., Dell'Ampio, E., GowriShankar, V., Bartel, D., Simon, S., Letsch, O.H., Stocsits, R.R., Luan, Y., Wägele,
W.J., Pass, G., Hadrys, H., & Misof, B. (2009) .Can comprehensive background
knowledge be incorporated into substitution models to improve phylogenetic
analyses? A case study on major arthropod relationships. BMC evolutionary biology
9, 119-138.
17.
Wheeler, Q.D. (2008). Undisciplined thinking : morphology and Hennig’s unfinished
revolution. Systematic Entomology 33, 2-7.
18.
Whiting, M.F. (1998). Phylogenetic position of the Strepsiptera : review of
molecular and morphological evidence. Science 27, 53-60.
19.
Whiting, M.F., Carpenter, J.C., Wheeler, Q.D., & Wheeler C.W., (1997). The
Strepsiptera Problem : Phylogeny of the holometabolous insect orders inferred from
18s and 28s ribosomal DNA sequences and morphology. Systematic Biology 46, 168.
20.
Whiting, M.F. (1998). Long-Branch Distraction and the Strepsiptera. Systematic
Biologists 47, 134-138.
21.
Wiegmann, B.M., Trautwein, M.D., Kim, J.W., Cassel, B.K., Bertone, M.A.,
Winterton, S.L., &Yeates, D.K. (2009). Single-copy nuclear genes resolve the
phylogeny of the holometabolous insects. BMC biology 7, 34-50.
ANEXOS
Tabla 1. Analisis de incrongruencia (ILD). Se resalta en azul el menor valor del ILD. ET=
evidencia total, SP= sumatoria de las particiones.
Morfología
28S
18S
CAD
16S
COI
ET
SP
ILD
111
806
6277
6161
5788 2138 2426 28972 23596 0.18555847
122
1612
10618 10810 9465 3752 4132 50579 40389 0.20146701
124
3224
15100 16926 5830 5111 5134 77052 51325
0.3338914
Tabla 2. Modelos arrojados en JModeltest para cada uno de los genes
GEN
MODELO
16S
GTR+G
18S
GTR+G
28S
TrN+G
CAD
GTR+G
COI
GTR+G
Figura 1. Topología parsimonia de evidencia total (L= 28942). El número sobre los nodos
corresponde a soporte Bootstrap. Stresiptera (verde), Diptera (rojo), Coleoptera (azul).
Figura 2. Topología obtenida del análisis de máxima verosimilitud para el gen 16S, bajo el
modelo evolutivo GTR+G. Stresiptera (rojo) y Coleoptera (azul).
Figura 3. Análisis Bayesiano para Evidencia total. En los nodos valores de probabilidades
a posteriori. Stresiptera (rojo), Diptera (verde), Coleoptera (azul).