RECONSTRUCCIÓN FILOGENÉTICA ENTRE STREPSIPTERA Y SU GRUPO HERMANO BAJO CRITERIOS DE MÁXIMA PARSIMONIA, MÁXIMA VEROSIMILITUD E INFERENCIA BAYESIANA

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1 RECONSTRUCCIÓN FILOGENÉTICA ENTRE STREPSIPTERA Y SU GRUPO HERMANO BAJO CRITERIOS DE MÁXIMA PARSIMONIA, MÁXIMA VEROSIMILITUD E INFERENCIA BAYESIANA Lina Cáceres , Lina Espitia , Liliana Santamaría Johanna Vesga Sistemática Filogenética, Escuela de Biología, Universidad Industrial de Santander INTRODUCCIÓN El problema Strepsiptera (Kristensen, 1981), sigue siendo uno de los más enigmáticos cuestionamientos a nivel ordinal en las relaciones filogenéticas de Insecta (whiting, 1997). Este orden que comprende 600 especies, posee caracteres morfológicos extremadamente modificados, en gran parte debido a su historia de vida asociada a sus hábitos parasitoides ( Grimaldi, D & Engel, 2005). Tradicionalmente el orden Strepsiptera ha sido cercanamente relacionado con Coleoptera ( Kristensen, 1975.),(Kukalova, 2004), e inclusive se ha ubicado dentro de éste ( Crowson, R ). Sin embargo, la hipótesis más debatida ha sido la que relaciona a Strepsiptera con Diptera (clado Halteria), basada en el gen 18SrDNA ( Whiting,1997),(Whiting,1994). Es por ello que el objetivo de este estudio es realizar un análisis filogenético para hallar el grupo hermano de Strepsiptera, usando datos morfológicos y moleculares, bajo criterios de máxima parsimonia, likelihood y Bayes. MATERIALES Y MÉTODOS El análisis filogenético fue evaluado a partir de 28 taxa pertenecientes al linaje holometábola y el outgroup comprendió 4 representantes hemimetábolos de los órdenes Orthoptera (Gryllus sp.), Zoraptera (Zorotypus sp.), Plecoptera (Pteronarcella sp.), y Psocoptera (Valenzuela sp.) (ANEXO 1). Fueron usados 327 caracteres morfológicos aditivos extraídos del trabajo de Beutel y colaboradores, 2010, eliminando los no informativos. Para la codificación de los caracteres y el análisis cladístico, fue usada la combinación de los software Winclada y NONA (Nixon, 2002). Se tomaron las secuencias moleculares parciales de los genes nucleares 18S, 28S y CAD y los genes mitocondriales 16S y COI, de la base de datos de secuencias GenBank y el alineamiento múltiple se efectuó con el programa MUSCLE, mediante la multiplataforma con interface gráfica Seaview Las posiciones pobremente alineadas y las regiones divergentes del alineamiento de las secuencias fueron eliminadas usando Gblocks 0.91b (Castresana, 2000). Posteriormente se realizó un alineamiento filogenético mediante optimización directa (Giribert, 2001) y un análisis de sensibilidad (Wheeler W. C. 1995) con tres sets de costos (ts1tv1g1, ts1tv2g2 y ts1tv2g4) para cada gen individual y la interacción de estos costos con morfología para evidencia total, con un build de 100 utilizando el software Poy Mediante el cálculo del (ILD) se seleccionó el costo que minimizaba la incongruencia entre los sets de datos y los resultados fueron soportados mediante la técnica de remuestreo de Bootstrap. De forma alterna, bajo el criterio de Akaike (AIC) se seleccionó un modelo de evolución nucleotídica apropiado, en este caso GTR + G, por medio del software JmodelTest 0.1 (Posada D. 2008). Con el modelo hallado, se realizó el análisis de Máxima Verosimilitud en PhyML 3.0, con 50 réplicas de bootstrap. Finalmente, se llevó a cabo el análisis de inferencia bayesiana para evidencia total, con los modelos evolutivos generados para cada una de las particiones, aplicando 10 millones de generaciones, 2 cadenas paralelas y con el primer 25% descartado como burn-in, por medio del software MrBayes 3.1.

2 RESULTADOS Y ANÁLISIS El análisis de los caracteres morfológicos y su comportamiento mediante mapeo de caracteres, usando winclada, sugiere que la hermandad de Strepsiptera con Coleoptera esta soportada por cuatro sinapomorfías: la ausencia del esclerito lateral cervical (carácter 97); la punta del brazo profurcal no se encuentra firmemente ajustada con la apófisis pleural (carácter 105); tamaño relativo de los segmentos pterotorácicos (carácter 111); y la ausencia de una membrana definida entre el mesoscutellum y el mesopostnotum (carácter 114). A pesar de que el sistema torácico esqueleto-muscular, provee un número de caracteres informativos para la reconstrucción de las relaciones de hermandad entre Coleoptera y Strepsiptera (por posteromotorismo), es evidente que estos caracteres muestran un alto grado de homoplasia ligado a restricciones funcionales (diferentes condiciones mesotorácicas) (Friederich & Beutel, 2010). El análisis de sensibilidad de acuerdo con el ILD de Farris, reveló que el set de costos que minimizó la incongruencias entre las particiones de los datos moleculares y morfológicos, fue el costo 111 (ts1,tv1,g1) (ILD= 0,176488) (Ver tabla 2). Para evidencia total se obtuvo un árbol consenso soportado por un bootstrap de 50 y una longitud de pasos (Figura 1). Observando la topología, no se recobró evidencia para la hipótesis que agrupa a Strepsiptera con Coleoptera, planteada por Friederich & Beutel (2010), como tampoco lo hizo para la hipótesis de Strepsiptera + Diptera, formulada por Whiting (1997). A nivel interordinal en Strepsiptera, se observó que las dos terminales correspondientes a Strepsiptera (Xenos y Mengellina), se encontraban agrupadas con representantes de Mecoptera y Trichoptera, lo cual puede deberse a la diferente historia evolutiva entre los dos géneros usados en el análisis, siendo Mengellina el grupo basal. A pesar de que los nodos están bien soportados por un boostrap de 1, esto no implica que la topología obtenida resuelva la controversia sobre el problema Strepsiptera. Evaluando la máxima verosimilitud, para datos moleculares obtenemos que el modelo de evolución que mejor se ajusta para los cinco genes (16S, 18S, 28S, CAD y COI) bajo el criterio de Akaike (AIC) fue: GTR+G. Estas estimaciones al igual que lo ocurrido en parsimonia, no mostraron una topología que permitiera resolver las relaciones de hermandad de Strepsiptera para ninguno de los genes usados; aún así el gen que arroja una topología mejor resuelta es el 28s, al presentar el mayor soporte (= 10) de todas las topologías obtenidas (figura 2). Para este análisis, Sialis sp (Megaloptera) se observó como el grupo hermano. El análisis arroja soportes de bootstrap deficientes para poder establecer grupos desde la base del árbol, siendo los valores más altos, menores al 50%. Esto concuerda con lo dicho por Whiting, (1998), al considerar que los análisis basados en matrices moleculares son claramente inadecuados para la reconstrucción de las relaciones de los holometábolos. El análisis de inferencia bayesiana demuestra que el clado Strepsiptera + Coleoptera fue soportado con la asignación de valores de probabilidades a posteriori iguales a 1 (p=1). Este resultado supone que los datos moleculares y morfológicos (evidencia total), son congruentes resolviendo las relaciones filogenéticas entre los dos grupos (figura3).

3 CONCLUSIONES La reconstrucción filogenética que resuelve el posicionamiento de Strepsiptera y su grupo hermano son evidenciadas por el análisis de inferencia bayesiana. Los datos morfológicos y moleculares son congruentes sugiriendo el clado Coleopterida (Coleóptera+Strepsiptera), ajustándose a la hipótesis planteada por Friederich et al. (2010). La evidencia total de los datos (morfología + genes), se constituye como el mejor escenario para evaluar el problema Strepsiptera, al maximizar la eficiencia descriptiva y el poder explicativo de la información total. Recomendaciones para análisis posteriores estarían direccionadas hacia una mejor codificación de los caracteres morfológicos y evaluación con otros genes, con el fin de recuperar relaciones que generen topologías más resueltas e informativas. BIBLIOGRAFÍA 1. Kristensen, N.P., Phylogeny of the insect orders. Annu. Rev. Entomol. 26, Whiting, M.F., Carpenter, J.C., Wheeler, Q.D., Wheeler, W.C., The Strepsiptera problem: phylogeny of the holometabolous insect orders inferred from 18S and 28S ribosomal DNA sequences and morphology. Syst. Biol. 46, Grimaldi, D & Engel, M Evolution of the Insects. Cambridge University Press. 4. Kristensen, N.P., The phylogeny of hexapod orders. A critical review of recent accounts. J. zool. Syst. Evol. Res. 13, Kukalova -Peck, J., Lawrence, J.F., Use of hind wing characters in assessing relationships among coleopteran suborders and major endoneopteran lineages. Eur. J. Entomol. 101, Crowson, R.A., The Biology of Coleoptera. Academic Press, London. 7. Whiting, M.F. and W.C. Wheeler Insect homeotic transformation. Nature 368: Goloboff, P., 1999.NONA(No Name) ver. 2. Published by the author, Tucuma n, Argentina. 9. Nixon, K.C., WinClada ver Published by the author, Ithaca, NY, USA. 10. Giribert, G., Exploring the behavior of POY, a program for direct optimization of molecular data. Cladistics 17, Wheeler,W. C., Sequence alingment, parameter sensivity, and the phylogenetic analysis ofmolecular data. Syst. Biol. 44, HUELSENBECK, J.P & RONQUIST, F MrBayes v3.1.2: Bayesian inference of phylogeny. Bioinformatics 17; Castresana, J. (2000). Selection of conserved blocks from multiple alignments for their use in phylogenetic analysis.molecular Biology and Evolution 17, Akaike, H., Information theory as an extension of the maxi-mum likelihood principle. Pages in Second International Symposium on Information Theory (B. N. Petrov and E Csaki, eds.). Akademiai Kiado, Budapest 15. Posada D jmodeltest: Phylogenetic Model Averaging. Molecular Biology and Evolution 25: Bergsten, J., A review of long-branch attraction. Cladistics 21,

4 17. Beutel, R., Friedrich, F., Hörnschemeyer, T., Pohl, H., Hünefeld, F., Beckmann, F., Meier, R., Misof, B., Whiting, M & Vilhelmsen, L Morphological and molecular evidence converge upon a robust phylogeny of the megadiverse Holometabola. Cladistics 26; Friedricha, F. & Beutel, R Goodbye Halteria? The thoracic morphology of Endopterygota (Insecta) and its phylogenetic implications. Cladistics 26;

5 FIGURAS Figura 1. Filogenia obtenida del análisis de parsimonia para datos combinados(evidencia total), los números sobre las ramas corresponden al boostrap no paramétrico.

6 Figura 2. Filogenia resultado del análisis de máxima verosimilitud para el gen 28s y soporte de boostrapin, con un modelo de evolución GTR+G. Figura 3. Filogenia obtenida mediante análisis de inferencia bayesiana para evidencia total con diez millones de generaciones, los números sobre las ramas indican las probabilidades a posteriori de cada clado.

7 TABLAS TABLA 1. Set de costos. ts= transición, ts=transversión. COSTOS ts tv gap TABLA 2. Set de costos para la morfología y los genes individuales GENES COSTOS 1 COSTO 2 COSTO 3 16S S S CAD COI MORFOLOGIA Σ long. Indiv E. TOTAL ILD 0, , ,