Reconstructing the evolutionary history of terrestrial isopods (Isopoda: Oniscidea) at different phylogenetic levels

Abstract

Τα χερσαία ισόποδα (Oniscidea) παρουσιάζουν ορισμένες ιδιότητες που τα καθιστούν μοναδικά στην παγκόσμια βιοποικιλότητα, προσφέροντας ερευνητικές ευκαιρίες σε πολλά βιολογικά πεδία, όπως η εξέλιξη, η οικολογία, η οικοτοξικολογία, η βιοακουστική και η οικοφυσιολογία. Με περισσότερα από 3700 περιγεγραμμένα είδη, τα Oniscidea είναι η μεγαλύτερη και ταυτόχρονα η μόνη χερσαία υπόταξη ισοπόδων. Η μετάβαση από τη θάλασσα στην ξηρά πιθανότατα έλαβε χώρα κατά τη διάρκεια της Λιθανθρακοφόρου περιόδου, ~300 Μya. Τα χερσαία ισόποδα είναι οι πιο επιτυχημένοι αποικιστές του χερσαίου περιβάλλοντος εντός των Καρκινοειδών, παρουσιάζοντας μια σειρά από ποικίλες μορφολογικές, οικολογικές και συμπεριφορικές προσαρμογές που τους επέτρεψαν να κατακτήσουν τη χέρσο. Είναι αξιοσημείωτο το γεγονός ότι τα αρτίγονα είδη αντιπροσωπεύουν σχεδόν όλα τα εξελικτικά βήματα που τους έδωσαν τη δυνατότητα να καταλάβουν τη μεγάλη πλειονότητα των χερσαίων οικοτόπων, συμπεριλαμβανομένων των πολύ αφιλόξενων περιβαλλόντων της ερήμου, των λιμνοθαλασσών και των υπόγειων γλυκών υδάτων, όπου επέστρεψαν δευτερογενώς. Η παρουσία των χερσαίων ισοπόδων εκτείνεται από το επίπεδο της θάλασσας μέχρι και σε πολύ υψηλά υψόμετρα (>4800 m), εκτός από τις πολικές περιοχές. Παρά τη συνεχή συσσώρευση γενετικών και μορφολογικών δεδομένων, δεν έχουν ακόμα επιλυθεί οι φυλογενετικές σχέσεις μέσα στην ομάδα των Oniscidea ή μεταξύ των υποτάξεων των Ισοπόδων. Στο πλαίσιο αυτής της διατριβής διερευνήθηκε η εξελικτική δυναμική αυτών των ομάδων σε διαφορετικά ταξινομικά επίπεδα. Πιο συγκεκριμένα, εξετάστηκαν οι φυλογενετικές σχέσεις στα ακόλουθα επίπεδα: i) βαθιά φυλογένεση - διερεύνηση σχέσεων μεταξύ των πέντε κύριων κλάδων Oniscidea και στενά συγγενών υδρόβιων υποτάξεων Ισοπόδων, ii) επίπεδο οικογένειας/γένους – διερεύνηση εξελικτικών σχέσεων ανάμεσα στις κύριες οικογένειες των Crinocheta και των γενών σε μια από τις πλουσιότερες σε αριθμό ειδών οικογένειες (Porcellionidae), και iii) είδους/πληθυσμών – διερεύνηση γενετικής ποικιλότητας εντός του είδους Armadillo officinalis, καλύπτοντας μεγάλο μέρος της εξάπλωσής του, εστιάζοντας ωστόσο στην ενδο-νησιωτική διαφοροποίηση εντός της Κύπρου. Με στόχο τη διερεύνηση της εξελικτικής ιστορίας σε αυτή την πολυεπίπεδη προσέγγιση, εφαρμόστηκε η αλληλούχηση κατά Sanger που στοχεύει μια σειρά μιτοχονδριακών (12s,16s, COI, Cytb) και πυρηνικών (18s, 28s, NAK, PEPCK) γενετικών δεικτών, καθώς και μοναδιαίων νουκλεοτιδικών πολυμορφισμών (SNP) σε ολόκληρο το γονιδίωμα των οργανισμών, εφαρμόζοντας το πρωτόκολλο ddRADseq. Στο επίπεδο βαθιάς φυλογένεσης, τα αποτελέσματά μας υπονομεύουν την ευρέως αποδεκτή μονοφυλετικότητα των Oniscidea. Πιο συγκεκριμένα, το αμφίβιο γένος Ligia φαίνεται να είναι εξελικτικά πιο συγγενικό με υδρόβια ισόποδα από ό,τι με τα υπόλοιπα χερσαία ισόποδα που συμπεριλήφθηκαν στην ανάλυση αυτή. Λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία που παρατίθενται και αμφισβητούν την κοινή καταγωγή των Ligiidae, θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι το γένος Ligidium, όπως και τα στενά συγγενικά του Tauroligidium και Typhloligidium, ανήκουν σε μια νέα οικογένεια, την Ligidiidae, που διακλαδίζεται στη βάση του φυλογενετικού δέντρου των Oniscidea. Το παραγόμενο φυλογενετικό μοτίβο των υπόλοιπων χερσαίων ταξινομικών κατηγοριών αντανακλά τη σύνθετη εξελικτική ιστορία της ομάδας όσον αφορά τη μετάβαση από το θαλάσσιο στο χερσαίο περιβάλλον. Οι φυλογενετικές αναλύσεις σε επίπεδο οικογένειας/γένους αμφισβήτησαν τόσο τη μονοφυλετικότητα της οικογένειας Porcellionidae όσο και του γένους Porcellio που συγκαταλέγεται στα πλουσιότερα σε αριθμό ειδών γένη της οικογένειας. Σύμφωνα με την κλαδοχρονολόγιση, αν εξαιρεθούν τα γένη Leptotrichus και Brevurus που δεν ομαδοποιούνται με τα υπόλοιπα μέλη της οικογένειας, η μονοφυλετική πλέον οικογένεια Porcellionidae φαίνεται να έχει αφρικανική προέλευση που χρονολογείται από το Ολιγόκαινο (~32 Mya). Εστιάζοντας σε επίπεδο είδους/πληθυσμού, στην περίπτωση του A. officinalis αποκαλύφθηκε υψηλή γενετική διαφοροποίηση που δεν υποδεικνύεται από οποιοδήποτε μορφολογικό χαρακτηριστικό από όσα εξετάσθηκαν μέχρι σήμερα. Αποκαλύφθηκαν πέντε κρυπτικοί γενετικοί κλάδοι στην Κύπρο. Η κλαδοχρονολόγηση δείχνει ότι η άφιξη του είδους στο νησί συνέβη περίπου 6 εκατομμύρια χρόνια πριν, πιθανώς υποβοηθούμενη από την Κρίση Αλατότητας του Μεσσηνίου. Επιπλέον, τα αποτελέσματα υπογραμμίζουν τον ρόλο της παλαιογεωγραφίας και της ανθρώπινης παρουσίας στα υπάρχοντα πρότυπα γενετικής ποικιλότητας. Τα αποτελέσματα που παρουσιάζονται αναδεικνύουν την ανάγκη για επαναξιολόγηση των μορφολογικών χαρακτήρων που χρησιμοποιούνται στην ταξινόμηση των χερσαίων ισοπόδων, λαμβάνοντας υπόψη τα συσσωρευόμενα γενετικά δεδομένα. Έτσι θα οδηγηθούμε σε πιο αξιόπιστες και περιεκτικές φυλογενέσεις που θα μας επιτρέψουν να περιγράψουμε την περίπλοκη εξελικτική ιστορία αυτής της μοναδικής ομάδας που κατάφερε με επιτυχία να κατακτήσει τη χέρσο.

Terrestrial isopods (Oniscidea) exhibit some unique properties that make them an excellent case within global biodiversity, offering research opportunities on many biological fields, such as evolution and ecology, but also ecotoxicology, bioacoustics and ecophysiology. With more than 3,700 described species, Oniscidea is the largest and at the same time the only terrestrial isopod suborder. The sea-land transition most probably took place during the Carboniferous, ~300 Mya. Terrestrial isopods are the most successful colonizers of the terrestrial realm among Crustacea, exhibiting a series of diverse morphological, ecological, and behavioural adaptations that allowed them to conquer land. Remarkably, extant species represent almost all evolutionary steps that allowed them to occupy the whole range of terrestrial habitat types, with a few exceptions, including the very harsh desert environments, salt lakes, and subterranean freshwaters, where they have secondarily returned. Oniscidea presence extends from the sea level to very high elevations (>4800 m), excluding polar regions. Despite the constantly accumulating genetic and morphological data, we still lack a comprehensive and robust phylogeny of Isopoda suborders, hence also of Oniscidea. Within the framework of this thesis, the evolutionary dynamics of this group were examined at different taxonomic levels. More precisely, phylogenetic relationships were examined at the following levels: i) deep phylogeny - relationships among the five main Oniscidea clades and with closely related aquatic Isopoda suborders, ii) family/genus level – relationships among some of the major Crinocheta families and among genera of one of the species-richest families (Porcellionidae), and iii) species/population - among Armadillo officinalis species populations, covering a large part of its distribution but focusing mostly on intra-insular divergence within Cyprus. Aiming to reconstruct the evolutionary history along such a multilevel approach, a series of mitochondrial (12s,16s, COI, Cytb) and nuclear (18s, 28s, NAK, PEPCK) markers, as well as genome-wide SNPs were retrieved, employing Sanger and ddRADseq sequencing, respectively. At the deep phylogeny level, our results undermine the widely accepted monophyly of Oniscidea. More specifically, the amphibious genus Ligia appears to be evolutionary more closely related to aquatic isopod taxa than the rest of the terrestrial isopods included in the analysis. Considering the evidence against the monophyly of Ligiidae presented herein, we suggest the assignment of Ligidium and of the closely related genera Tauroligidium and Typhloligidium to a new family, Ligidiidae, that possesses a basal position within Oniscidea phylogeny. The produced phylogenetic pattern of the remaining terrestrial taxa reflects the complex evolutionary history of the group in view of the transition from the marine to the terrestrial realm. Time-calibrated phylogenetic analyses at family/genus level questioned both the monophyly of Porcellionidae and Porcellio, one of the family’s richest genera. Excluding the genera Leptotrichus and Brevurus that are not grouped with the rest of family members, the now monophyletic Porcellionidae seems to have an African origin that dates back to the Oligocene (~32 Mya). Focusing on species/population level, in the case of A. officinalis we found high genetic divergence, not suggested by any of the morphological traits examined so far. The presence of five cryptic genetic lineages on Cyprus was revealed. Cladochronological dating indicates that the species arrival on the island occurred ~6 Mya, probably facilitated by the Messinian Salinity Crisis. Furthermore, results highlight the role of paleogeographic history and of human presence in shaping patterns of genetic diversity. Our results call for a re-evaluation of morphological characters traditionally used in terrestrial isopod taxonomy, under the light of the constantly accumulating genetic data. This way, we can attain more robust and comprehensive phylogenies which will allow us to describe the complex evolutionary history of this unique group that managed to conquer land.