Forschung

Evolution der Endopterygota - Rekonstruktion der Phylogenie der erfolgreichsten Organismengruppe mit phylogenomischen und morphologischen Daten

 

Endopterygota (= Holometabola) ist die erfolgreichste Gruppe von lebenden Organismen hinsichtlich der Artenanzahl (ca. 800 000 Arten). Verschiedene molekulare Datensets und morphologische Merkmale liefern immer noch widersprüchliche phylogenetische Rekonstruktionen. Für die Rekonstruktion eines robusten Stammbaums für holometabole Insekten werden EST-Daten analysiert. In Zusammenarbeit mit der AG Beutel, Universität Jena, werden morphologische Daten erhoben und analysiert, anschließend werden diese mit molekularen Daten kombiniert. Hauptziele sind 1) die Rekonstruktion von Verwandtschaftsbeziehungen zwischen holometabolen Ordnungen 2) das Verstehen der Evolution verschiedener Merkmalskomplexe und 3) die Verbesserung der Datenqualität von molekularen und morphologischen Daten. Gefördert wird das Projekt durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.

 

 

Dies ist ein Projekt der AG Misof (Bernhard Misof, Zentrum für Molekulare Biodiversitätsforschung, ZFMK Bonn) & Ralph Peters (ZFMK Bonn)

 

 

Kooperationspartner (alphabetisch)

• AG Beutel, Institut für Spezielle Zoologie und Evolutionsbiologie mit Phyletischem Museum, Universität Jena
• A. Blanke, ZFMK Bonn, Germany
• Dr. A. Braband, ehemals Universität Berlin
• AG Burmester, Biozentrum Grindel und Zoologisches Museum, Hamburg (SPP 1174)
• J. Dambach, ZFMK Bonn
• AG Hadrys, ITZ Hannover (SPP 1174)
• K. Kjer, Rutgers SEBS University, New Jersey, USA
• P. Kück & S. Meid, ZFMK, Bonn (SPP 1174)
• H. Letsch, Department of Animal Biodiversity, Universität Wien, Österreich
• B. Meyer, Institut für Systemische Neurowissenschaften, Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf, Hamburg
• O. Niehuis, Zentrum für Molekulare Biodiversitätsforschung am ZFMK, Bonn
• G. Pass, E. Dell'Ampio, D. Bartel, M. Walzl, Department für Evolutionsbiologie, Universität Wien
• L. Podsiadlowski, Institut für Evolutionsbiologie & Ökologie, Universität Bonn (SPP 1174)
• K. Schütte, Biozentrum Grindel und Zoologisches Museum, Hamburg
• AG Stadler, Institut für Informatik, Leipzig (SPP 1174)
• AG R. Machida, University of Tsukuba, Sugadaira Mountain Research Center, Japan
• A. Stamatakis, Heidelberg Institute for Theoretical Studies, Heidelberg
• J. W. Wägele & B. v. Reumont, ZFMK, Bonn (SPP 1174)

 

 

Bild 2: Acerentomon franzi, Protura

(Foto: J. Dambach)

 

 

 

Bild 3: Symphypleona, Collembola

(Foto: K. Meusemann)

 

 

 

Bild 4: Berlese-Fallen zum Sammeln kleiner Bodenarthropoden

(Foto: K. Meusemann)

 

Arthropoden sind die artenreichste Tiergruppe auf der Erde. Derzeit ist die Evolution innerhalb der Arthopoden, insbesondere die Stellung von Myriapoden im Verhältnis zu Krebsen und Insekten, nicht verstanden. Fokus unseres Projektes ist die Rekonstruktion der Verwandtschaftsverhältnisse von primär ungeflügelten Hexapoden und von Myriapoden. Dabei erfolgt eine enge Kooperation mit Arbeitsgruppen innerhalb des SPP 1174, die sich mit Krebsen, Myriapoden, Cheliceraten, Onychophoren und geflügelten Insekten befassen.

 

 

Abgeschlossene EST-Projekte:

 

Acerentomon franzi (Protura)

Campodea cf. fragilis (Diplura)

Lepismachilis y-signata (Archaeognatha)

 

(siehe Meusemann et al. 2010, Mol Biol Evol 27: 2451-2464.)

 

Vier weitere EST Projekte für apterygote Hexapoden und Myriapoden sind in Arbeit.

 

 

Genutzte im Rahmen des SPP entwickelte Tools zur Verbesserung der Datenqualität und Analyse

 

RNAsalsa: Alignment-Software (bezieht Sekundärstrukturinformationen mit ein) Stocsits et al. 2009. Nucleic Acids Res 37:6184-6193 . Link: http://rnasalsa.zfmk.de

 

ALISCORE: Software zur Evaluierung von zufällig gleichen Alignmentregionen (randomly similar sections, RSS) Misof & Misof 2009. Syst Biol 58:21-34; Kück et al. 2010. Front Zool 7 :10. DOI: 10.1186/1742-9994-7-10. Link: http://aliscore.zfmk.de

 

ALICUT: Tool zur Maskierung von RSS Regionen identifiziert durch ALISCORE Kück, P. 2009. Department für Bioinformatik, ZFMK, Bonn. Version 2.0 ed. Link: http://software.zfmk.de/ , Utilities

 

FASconCAT: Tool zur Konkatenierung von Sequenzen / Alignments Kück & Meusemann (2010). Mol Phylogenet Evol 56 :1115-§1118. Link: http://www.fasconcat.zfmk.de

 

MARE (MAtrix REduction): Tool für eine optimierte Auswahl von Taxa und Genen (Submatrizen mit hohem Informationsgehalt) aus Supermatrizen Meyer, B. and Misof, B (2010). Zentrum für molekulare Biodiversitätsforschung (ZMB) am ZFMK, Bonn. Version 0.1.2-rc. Link: http://mare.zfmk.de

 

 

Mitochondriales Genom von Acerentomon sp. (Protura)

 

Mitochondriale Genome sind für alle Ordnungen der apterygoten Hexapoden, mit Ausnahme von Proturen, veröffentlicht. Ziel ist die vollständige Sequenzierung des mitochondrialen Genoms von Acerentomon (Protura). Erste Ergebnisse zeigen eine Genanordnung, die bisher in anderen mitochondrialen Genomen von Arthropoden nicht nachgewiesen wurde. Dieses Projekt erfolgt in Zusammenarbeit mit der AG Pass, Wien, Österreich.

 

 

 

Abgeschlossene Projekte:

 

Dissertationschrift: The Atelocerata: A vanishing hypothesis? Molecular phylogeny of arthropods with focus on primary wingless hexapods. Betreuung durch Prof. Dr. B. Misof im Rahmen des DFG-Schwerpunkt-Programms "SPP 1174 Deep Metazoan Phylogeny". 

Diplomarbeit zum Thema "Karyologische Untersuchungen am Subgenus Agrodiaetus der Bläulingsgattung Polyommatus Latreille, 1804 (Lycaenidae, Lepidoptera, Insecta): "Karyologie als mögliches Kriterium zur artlichen Differenzierung?" Betreuung durch Prof. Dr. C Naumann und PD Dr. B. Misof im Rahmen des DFG-Projektes "Analyse der Phylogenie und Radiation der Lepidopteren-Untergattung Agrodiaetus, Hübner 1822 (Lycaenidae, Lepidoptera, Insecta) mit Hilfe Molekularer Methoden".

 

Das Subgenus Agrodiaetus ist sowohl eine phylogenetisch als auch taxonomisch sehr komplexe, noch wenig erforschte Gruppe der Bläulingsgattung Polyommatus Latreille, 1804, (Lycaenidae, Lepidoptera, Insecta). Arten und Unterarten dieser in der Paläarktis und besonders in Vorderasien weit verbreiteten Untergattung sind aufgrund ihrer morphologischen Ähnlichkeit kaum zu unterscheiden,zeigen jedoch eine große Variation bezüglich der Chromosomenzahl ( n = 10 bis n = 125).

 

Bild 5: Agrodiaetus turcicola

(Foto: M. Wiemers)

 

Zahlreiche Individuen wurden auf ihre Chromosomenzahl und -form (eupyrene Spermienzellen männlicher adulter Tiere verschiedener Taxa aus der Türkei, dem Iran, Italien und Spanien, Squash-Technik) untersucht. Evaluiert wurde, ob die Chromosomenanzahl zur artlichen Differenzierung geeignet ist. Von sieben Taxa konnte der Karyotyp erstmalig bestimmt werden. Darunter verbarg sich eine neue Karyospezies aus der Südosttürkei (s. Lukhtanov, V.A., Wiemers, M. & Meusemann, K. 2003).

 

Bild 6: Chromosomenpräparat einer eupyrenen Spermienzelle von Agrodiaetus klausschuriani: Metaphase

(Foto: K. Meusemann)

 

Für die Mehrheit der Individuen kann jedoch keine eindeutige Zuordnung zu einer Art erfolgen. Aufgrund der geringen Größe und der zum Teil sehr großen Anzahl der Chromosomen in einer Zelle, ist die Etablierung sehr viel exakterer Methoden (z.B. FISH) als die Untersuchung von Quetschpräparaten sinnvoll. Mehrfach wurden unterschiedliche Chromosomenzahlen in verschiedenen eupyrenen Spermatozyten eines Individuums gefunden, was keinen eindeutigen Schluss von einer bestimmten Chromosomenzahl auf eine Art zulässt. Bekannt ist dieses Phänomen auch aus anderen Tiergruppen, wie z. B. bei der Hausmaus ( Mus musculus domesticus). Anhand der Ergebnisse kann nicht belegt werden, dass es sich bei den "Karyospezies" von Agrodiaetus um echte biologische Arten handelt. Eine Barriere des Genflusses durch unterschiedliche Karyotypen ist bei Agrodiaetus bislang noch nicht nachgewiesen. Zu vermuten ist, dass verschiedene Karyotypen keine Ursache reproduktiver Isolation darstellen. Ergebnisse von molekularen Sequenzanalysen innerhalb des Projektes (M. Wiemers) weisen darauf hin, dass unterschiedliche Chromosomenzahlen ein Produkt allopatrischer Artbildung darstellen. Als alleiniges Kriterium zur Abgrenzung und Unterscheidung von Arten oder Unterarten eignet sich die Karyologie mit den bisher etablierten Methoden nicht: 1) es ist bisher ungeklärt, ob variable Chromosomenzahlen innerhalb von Agrodiaetus-Arten ein natürliches Phänomen darstellen, und 2) die Auswertung der karyologischen Präparate mit der hier angewendeten Methode der Quetschpäparation beinhaltet zu viele Fehlerquellen.