Es Strepsiptera grupo hermano de Coleoptera o de Díptera?

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1 Es Strepsiptera grupo hermano de Coleoptera o de Díptera? María F. Carreño 1,1, Nelson J. Contreras-Porras 1,2, Claudia B. Moreno-Mojica 1,3, Claudia J. Quijano-Abril 1,4. 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 descritas 8, con un dimorfismo sexual marcado; los machos son de vida libre y las hembras usualmente parasitoides 12. Desde que Kirby en 1813 estableció a Strepsiptera como un orden 8, sus afinidades filogenéticas han sido objeto de debate y confusión 14. Debido a esto en los últimos años se han derivado cuatro hipótesis filogenéticas principalmente: (1) como familia (Stylopidae) dentro de Coleóptera 14, 3 por las similitudes en su ciclo de vida parasítico y morfología con ciertos grupos de coleópteros; (2) grupo hermano de Coleóptera 8, 1 debido a la capacidad de volar con las alas posteriores (posteromotorismo); (3) fuera de Holometábola, por la presencia de larva stemmata 14, (4) grupo hermano de Díptera, por datos de secuencias de ADN Estudiantes. Sistemática. Escuela de Biología. Facultad de Ciencias Básicas. Universidad Industrial de Santander. Colombia. Correos electrónicos: 1,1 mafe.carreno@gmail.com; 1,2 jovany_05@hotmail.com; 1,3 clabimomo@hotmail.com; 1,4 cayita0121@gmail.com.

2 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 bayesiano 6. 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 Nona v 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 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 Muscle 2 y seguidamente se analizaron en Jmodeltest; los modelos seleccionados (Tabla 2) fueron empleados para el cálculo de Maximum likelihood (ML) usando PhyML 5, y para el análisis Bayesiano que se llevó a cabo en el programa MrBayes v con de generaciones. Todas las topologías fueron observadas en Figtree v

3 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 posteriores 1 es un carácter importante en la relación de Strepsiptera como grupo hermano de Coleóptera, en acuerdo con lo mencionado en la literatura 3. 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 literatura 19,20 (Apéndice 6), para el gen CAD hay una relación de grupos hermanos entre Siphonaptera y Strepsiptera, estando

4 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 tiempo 16. 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.

5 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, Edgar, R.C. (2004). MUSCLE: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res. 32(5): Friedrich, F., & Beutel, R.G. (2010). Goodbye Halteria? The thoracic morphology of Endopterygota (Insecta) and its phylogenetic implications. Cladistics 26, 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): Holder, M., & Lewis, P.O. (2003). Phylogeny estimation: traditional and Bayesian approaches. Nature reviews. Genetics 4, Huelsenbeck J.P., Ronquist F. (2001). MRBAYES v3.1.2: Bayesian inference of phylogeny. Bioinformatics 17,

6 8. Kathirithamby, J. (1989). Review of the Order Strepsiptera. Systematic Entomology 14, Kristensen, N. (1999). Phylogeny of endopterygote insects, the most successful lineage of living organisms. Eur. J. Entomol. 96, 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, Nixon, K. C. ( ). WinClada ver Published by the author, Ithaca, NY, USA. 12. Pohl, H., Beutel, R.G. (2008). The evolution of Strepsiptera (Hexapoda). Zoology 111, 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, 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, Varón, A., Vinh L.S., Wheeler, W.C. (2010). POY version 4: phylogenetic analysis using dynamic homologies. Cladistics 26, von Reumont, B.M., Meusemann, K., Szucsich U.N., Dell'Ampio, E., Gowri- Shankar, 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,

7 17. Wheeler, Q.D. (2008). Undisciplined thinking : morphology and Hennig s unfinished revolution. Systematic Entomology 33, Whiting, M.F. (1998). Phylogenetic position of the Strepsiptera : review of molecular and morphological evidence. Science 27, 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, Whiting, M.F. (1998). Long-Branch Distraction and the Strepsiptera. Systematic Biologists 47, 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,

8 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 Tabla 2. Modelos arrojados en JModeltest para cada uno de los genes GEN 16S 18S 28S CAD COI MODELO GTR+G GTR+G TrN+G GTR+G GTR+G

9 Figura 1. Topología parsimonia de evidencia total (L= 28942). El número sobre los nodos corresponde a soporte Bootstrap. Stresiptera (verde), Diptera (rojo), Coleoptera (azul).

10 Figura 2. Topología obtenida del análisis de máxima verosimilitud para el gen 16S, bajo el modelo evolutivo GTR+G. Stresiptera (rojo) y Coleoptera (azul).

11 Figura 3. Análisis Bayesiano para Evidencia total. En los nodos valores de probabilidades a posteriori. Stresiptera (rojo), Diptera (verde), Coleoptera (azul).