Fylogeni af Holometabola

Vi analyserede i alt 1.343 1:1 ortologous gene (dvs., grupper af ortolog sekvenser, også kaldet ortologgrupper (OG’er)) og, ved at inkludere også offentliggjorte data, data fra i alt 88 arter (tabel 1). De syv specifikt udformede afgørende datasæt, som vi analyserede for at behandle vores syv fylogenetiske spørgsmål, bestod hver især af en delmængde af taxa og gener fra det komplette datasæt, undtagen datasæt 1, som er identisk med det komplette datasæt. De syv spørgsmål, de taksonomiske grupper, som vi valgte som relevante for besvarelsen af spørgsmålene, og antallet af arter og OG’er for hvert datasæt er vist i tabel 2. For hvert datasæt udførte vi 1) ML-trærekonstruktion og 2) Four-cluster Likelihood Mapping (FcLM) (se tabel 3). Resultaterne er opsummeret i figur 1 (se Additional file 1: Figurer S1-S7 for tilstedeværelse og fravær af gener i datasættene, Additional file 2: Figurer S8-S15 for de fuldstændige fylogenetiske træer og Yderligere fil 3: Figurer S17-S25 for de fuldstændige resultater af FcLM).

Analysen af datasæt 1 gav Hymenoptera som søstergruppe til alle de resterende holometabolske ordener i både ML-trærekonstruktion og FcLM (tabel 3, figur 1). Dette forhold var allerede blevet genfundet i flere multiple genundersøgelser (f.eks. ), og baseret på hele genomdata, men en begrænset taxonprøveudtagning . Tidligere offentliggjorte analyser af morfologiske data gav modstridende resultater, som f.eks. Hymenoptera + Mecopterida i Beutel og Gorb versus Hymenoptera + de resterende holometabolske ordener i Beutel et al. . Potentielle problemer med topologiske artefakter i disse analyser, som skyldes konvergerende reduktioner i mange morfologiske karaktersystemer, blev diskuteret i detaljer af Friedrich og Beutel og Beutel et al. . Placeringen af Hymenoptera som søstergruppe til alle de resterende holometabolske ordener indebærer, at formodede synapomorfer hos Hymenoptera og Mecopterida (f.eks. enkelt klo hos larver, sclerotiseret sitophoreplade hos voksne; se ) i virkeligheden er homoplasier.

Vores analyser af datasæt 2 gav monofyletiske Neuropteroidea (dvs, en klade, der omfatter Neuropterida, Coleoptera og Strepsiptera) med maksimal støtte i ML-trærekonstruktionen og stærk støtte i FcLM (tabel 3, figur 1). Neuropteroidea blev ikke støttet som en klade i Beutel et al. , men blev fundet monofyletisk i mange tidligere undersøgelser , om end i de fleste tilfælde med svag eller ingen støtte.

Vi fandt ikke noget signal for parafyletiske Megaloptera som diskuteret af Beutel et al. og Winterton et al. (datasæt 3, tabel 3, figur 1). Inden for Neuropterida støttede vores ML-analyser maksimalt et søstergruppeforhold mellem Raphidioptera og Neuroptera + Megaloptera, hvilket også blev støttet af mere end 2/3 af alle kvartetter i FcLM (datasæt 4, tabel 3, figur 1). Fylogenetiske relationer mellem neuropteride ordener er blevet diskuteret kontroversielt med to alternative hypoteser: Raphidioptera + Megaloptera er monofyletiske (f.eks. ) eller Neuroptera + Megaloptera er monofyletiske (f.eks. ). Vores resultater støtter i høj grad sidstnævnte hypotese.

Analyse af datasæt 5 gav tvetydige resultater med hensyn til en mulig klade, der omfatter Coleoptera og Strepsiptera (Coleopterida) (tabel 3, figur 1). Det er vanskeligt at løse dette langvarige problem på grund af den ekstremt modificerede morfologi (f.eks. ) og de tydeligt afledte genomiske træk hos de endoparasitiske Strepsiptera (“the Strepsiptera problem”, ; “insects from outer space”, ). I de seneste bidrag blev der fundet beviser for monofyletiske Coleopterida (f.eks., ). De undersøgelser, der var baseret på molekylære data, var dog fortsat tvetydige i deres resultater. Coleopterida blev ikke understøttet af alle datasæt, der blev analyseret af McKenna og Farrell . Wiegmann et al.’s resultater var baseret på et relativt lille sæt gener og viste kun svag støtte for denne klade. Niehuis et al. analyserede hele genom-nukleotidsekvenser af holometaboliske insekter og fandt Coleopterida med god støtte, men taxonudvælgelsen omfattede ikke nogen neuropteridordener. I vores undersøgelse er Coleopterida understøttet i ML-træet (med maksimal bootstrap-støtte), men ikke i FcLM-analyserne (tabel 3, figur 1). I ML-træet er Strepsiptera placeret inden for Coleoptera (ligesom i nogle af McKenna og Farrells træer ), dog med svagt understøttede relationer (Additional file 2: Figur S12). Vi analyserede yderligere, om inkongruensen mellem ML-trærekonstruktion og FcLM-analyser forsvandt ved at overveje partitionerede ML- og FcLM-analyser ved hjælp af forskellige modeller på forskellige partitioner. Partitionerede analyser kan reducere potentielle modelfejlspecifikationer og kan give kongruente topologier. Imidlertid forsvandt inkongruensen mellem ML- og FcLM-analyser ikke (tabel 3, Additional files 2 og 3). Dette antyder, at modelfejlspecifikationer som følge af ikke-partitionerede analyser ikke er kilden til inkongruens (se også og diskussionen heri). Tilsyneladende gav dataene og de analytiske procedurer i vores undersøgelse ikke en entydig løsning på spørgsmålet om, hvorvidt Coleopterida er en monofyletisk gruppe eller ej. Imidlertid tyder beviser fra morfologien klart på monofyletiske Coleopterida (se også ) som det mest plausible resultat.

For at teste monofylien af Mecopterida, en klade, der omfatter Amphiesmenoptera (Lepidoptera + Trichoptera) og Antliophora (Diptera + Siphonaptera + Mecoptera), analyserede vi to versioner af datasæt 6 for at tage højde for to mulige hypoteser (datasæt 6a, b; tabel 2 og 3). Begge analyser genfindes monofyletiske Mecopterida med stærk støtte (tabel 3, figur 1). Monofyletisk Mecopterida, som foreslået af Hinton under navnet Panorpoidea (eller panorpoid-komplekset), blev ikke godt understøttet i Kjer et al. og Wiegmann et al. , og kun understøttet i de bayesianske analyser af morfologiske karakterer i Beutel et al. . Niehuis et al. fandt tentativ støtte for denne klade baseret på helgenomdata, men den ufuldstændige taxonprøveudtagning – genomer af Neuropterida, Trichoptera, Siphonaptera og Mecoptera er endnu ikke blevet sekventeret – mindskede dette datasæt afgørende betydning for spørgsmålet om monofyletiske Mecopterida.

Vores analyser bekræftede klart monofyrien af Amphiesmenoptera (Trichoptera + Lepidoptera) (Figur 1). Vi testede dog ikke denne hypotese med et specifikt designet datasæt, da den aldrig er blevet seriøst anfægtet.

Inden for Antliophora, som viste maksimal bootstrap-støtte i ML-træet, fandt vi et søstergruppeforhold mellem Mecoptera og Siphonaptera, også med maksimal bootstrap-støtte og med maksimal støtte i FcLM (datasæt 7, tabel 2, figur 1). Dette resultat bekræfter synspunkter fremsat af Beutel og Gorb , McKenna og Farrell og Wiegmann et al. , selv om kladen Mecoptera + Siphonaptera ikke var godt understøttet i sidstnævnte undersøgelse. Et søstergruppeforhold mellem Diptera og Siphonaptera som hentet i Beutel et al. (, se diskussionen heri) er højst usandsynligt baseret på vores analyser.

Med denne undersøgelse bidrager vi ikke til spørgsmålet om, hvorvidt Mecoptera er en monofyletisk gruppe, da kun én art, Nannochorista philpotti, var en del af vores taxonprøveudtagning. Morfologiske data og analyser af ni nukleare gener tyder dog stærkt på, at Mecoptera faktisk udgør en monofyletisk gruppe.

Sammenfattende udleder vi en solid fylogenetisk rygrad af Holometabola med tre maksimalt understøttede mega-diverse klasser Hymenoptera, Neuropteroidea og Mecopterida med henholdsvis ca. 135.000, 370.000 og 300.000 beskrevne arter. For den veldefinerede enhed, der omfatter Neuropteroidea og Mecopterida, foreslår vi navnet Aparaglossata (figur 1). Navnet henviser til tabet af paraglossae, en af de mest iøjnefaldende apomorfer i gruppen (se nedenfor og tabel 4).

Vores sammenstilling af molekylære sekvensdatasæt og vores design af den fylogenetiske analyse udviser nogle væsentlige forskelle i forhold til tidligere undersøgelser af Holometabolas fylogeni. Specifikt i) anvendte vi en massiv mængde data genereret med Illumina Next Generation Sequencing (tabel 1). ii) Vi sikrede afgørende karakter af vores datasæt ved specifikt at designe datasæt for hvert af vores syv forskningsspørgsmål (tabel 2) (se ). Beslutningsdygtighed betyder, at alle gener, der indgår i et datasæt, er dækket af mindst én repræsentant for alle de taksonomiske grupper, der er relevante for den specifikke fylogenetiske relation, der undersøges. I overensstemmelse hermed har hvert datasæt en dækning på 100 % med hensyn til tilstedeværelsen af gener med hensyn til de relevante taksonomiske grupper. Ved at sikre afgørende karakteristika mindsker vi de potentielt misvisende virkninger af manglende data. Manglende data kan føre til inferens af stærkt understøttede, men forkerte topologier (se ). iii) Vi udførte FcLM for hvert af vores syv datasæt (tabel 3). Vi genimplementerede FcLM i RAxML for at kunne håndtere disse store datamatricer og supplerede metoden med nyskrevne scripts, der kortlægger de respektive resultater til 2D-simplexgrafer. Bootstrap-understøttelse i fylogenetiske træer alene er af begrænset afgørende betydning i analyser af meget store datasæt . FcLM er en metode til at identificere mulig støtte for alternative topologier i et datasæt, dvs. en metode til at vise inkongruente signaler, som måske ikke kan observeres i fylogenetiske træer. Denne undersøgelse er den første, der anvender FcLM på store fylogenomiske supermatricer. Endelig iv) kontrollerede vi alle datasæt for rogue taxa. Rogue taxa er taxa, der antager flere fylogenetiske positioner i et sæt bootstrap-træer. De mindsker opløsningen og/eller støtten, f.eks. ved opbygning af bootstrap-konsensustræer. Fjernelse af rogues kan give et mere informativt bootstrap-konsensustræ (se Additional file 4, kapitel 4). Alle vores datasæt var fri for rogues.

Med en sammenstilling af datasæt som præsenteret her (dvs. ved at udtrække det maksimale antal gener, der kan bidrage til at opløse det pågældende fylogenetiske forhold) sikrede vi også, at de udledte topologier ikke var baseret på et vilkårligt udvalg af gener med hensyn til deres iboende fylogenetiske signal. Dell’Ampio et al. viste, at udvælgelsen af gener – hvis den ikke er drevet af overvejelser om et datasæts afgørende betydning – kan generere topologisk forskellige træer, som ikke desto mindre alle kan udvise høj støtte. Simon et al. viste desuden, at gener, der er involveret i forskellige biologiske veje, kan understøtte forskellige topologier for en specifik fylogenetisk relation. Det kan derfor konkluderes, at fylogenetiske træer, der udledes af studiet af kun et sæt af få til flere gener, let er skævvredet og derfor måske ikke afspejler det korrekte artstræ. Mens den i øjeblikket bedste tilgang til at løse dette problem er at inkludere den størst mulige mængde potentielt informative data, vil vi være nødt til yderligere at udrede de medvirkende faktorer til topologiske inkongruenser i datasæt (se også ).

Fylogenetiske undersøgelser udelukkende baseret på morfologi (f.eks. ) gav også problematiske grupperinger i nogle tilfælde. Forfatterne behandlede og diskuterede tilsyneladende artefakter, der hovedsageligt skyldtes parallelle reduktioner i karakterkomplekser (f.eks. flyveapparatet). Problemerne viste sig imidlertid at være uløselige i betragtning af de foreliggende data og analyseprocedurer . Med vores molekylære datasæt var vi i stand til at levere pålidelige løsninger for de fleste interordinale fylogenetiske relationer inden for Holometabola (figur 1 og ovenfor). Til at spore evolutionære ændringer på det fænotypiske niveau brugte vi det mest omfattende morfologiske datasæt, der for øjeblikket er tilgængeligt, herunder 356 karakterer af repræsentanter for alle holometabola-ordener og af omhyggeligt udvalgte outgroup-taxaer . Karaktererne blev kortlagt på den transkriptombaserede fylogeni efter en formel fremgangsmåde (se afsnittet Metoder for nærmere oplysninger). Dette gjorde det muligt for os at spore og genfortolke evolutionære ændringer af talrige karakterer og at foretage parsimony-baserede grundplanrekonstruktioner for alle træets klader (se “Udviklingen inden for Holometabola” nedenfor).

Evolutionen inden for Holometabola

Larver og udvikling

Vores fylogenetiske resultater tyder på, at forfædrenes larve af Holometabola var terrestrisk, ortognatisk, udstyret med moderat forenklede, men tydeligt udviklede sammensatte øjne og veludviklede thorakale ben. Abdominale prolegs og cerci var fraværende (figur 2). Muskelsystemet var generelt veludviklet. Tydelige forenklinger af antennerne og labiale endelapper og tilhørende muskler er larveautapomorfier hos Holometabola. Det ortognathiske hoved i grundplanet tyder på, at de tidligste Holometabola-larver ernærede sig eksternt af plantemateriale eller svampe og ikke gravede i substratet eller trængte ind i smalle sprækker (f.eks. under bark).

Den forfødte aparaglossatanlarve var sandsynligvis prognathisk og udstyret med stemmata. Hvorvidt disse larver var af den smidige campodeid-type, ligesom larverne af mange biller (f.eks. Adephaga, Myxophaga , Staphylinoidea), Strepsiptera (første instar), Neuropterida og nogle grupper af Trichoptera (f.eks. Rhyacophilidae), er fortsat uklart. Det er tænkeligt, at denne larvetype er en apomorf tilstand, der karakteriserer Neuropteroidea, med en parallel udvikling hos Trichoptera. Prognathisme er ofte forbundet med kødædende fødevaner (Neuropterida, Adephaga og nogle polyfagiske undergrupper), men kan også være forbundet med at trænge ind i snævre sprækker eller grave sig ned i substrater, som det er tilfældet hos de træ-associerede larver af Archostemata (Coleoptera), men også i tidlige lepidopteralignende slægter (f.eks.) Det er således uklart, om de forfødte aparaglossatanlarver var rovdyr eller ej. Larver af Mecopterida viser nogle forenklinger (tentorium og antennesegmenter), og en tydelig tendens til reduktioner karakteriserer antliophoranlarver, især hos Siphonaptera og Diptera. Begge har helt mistet deres brystben (tydeligt forkortede hos Mecoptera) og er kendetegnet ved forenklinger af de cephale strukturer, især af muskelsystemet . Dette afspejler Antliophora’s udbredte larvelivshistorie, hvor larverne lever i det øverste jordlag, bladstrøelse, fugtige substrater eller forskellige vandområder og hovedsagelig lever af bløde substrater eller små partikler. Det vigtige spørgsmål, om forfædrenes Antliophora-larver var terrestriske (Lepidoptera, Mecoptera, Siphonaptera, Mecoptera excl. Nannochoristidae, Diptera partim) eller akvatiske (Trichoptera, Nannochoristidae, Diptera partim) er fortsat tvetydigt.

Vores fylogenetiske resultater viser klart, at en typisk holometabolisk udvikling med larver, der helt mangler ydre vingeknopper (“endopterygote insekter”) og også mangler cerci, hører til grundplanen for Holometabola (se også ). De forhold, der karakteriserer strepsipteriske primærlarver (abdominalsegment XI og cerci til stede) og sekundærlarver (ydre vingeknopper, der kan genkendes som ydre konveksiteter), er tilsyneladende resultatet af omvendinger, ligesom den tidlige fremkomst af de prospektive sammensatte øjne (se ). Stort set immobiliserede pupper med immobiliserede mandibler (pupa adectica) har næsten med sikkerhed udviklet sig flere gange uafhængigt af hinanden. Det forekommer sandsynligt, at en bevægelig puppe med bevægelige mandibler, som den er karakteristisk for Raphidioptera, er forfaderlig for Holometabola, selv om dette ikke er bekræftet af en formel karakteranalyse.

Voksne og ægudlægning

Den forfaderlige voksne holometabola adskilte sig tilsyneladende kun lidt fra neopterernes grundplan (Neoptera: alle vingede insekter undtagen Odonata og Ephemeroptera). De cephale strukturer, hele muskelsystemet, flyveapparatet og abdominalstrukturerne synes stort set uændrede . De mest dybtgående apomorfer hos voksne holometabolske insekter er relateret til invaginationen af de pterothorakale sternitter (f.eks. de tæt tilstødende meso- og metacoxae) . Vores data fører ikke til en pålidelig vurdering af forfædres fødevaner hos voksne holometabolaner, men det er tydeligt, at fødeindtagelse i det voksne stadium spillede en mindre rolle sammenlignet med fødeindtagelse i larvestadierne. Undtagelser fra denne regel er f.eks. rovbiller (f.eks, Dytiscidae og Carabidae) med en meget hurtig postembryonal udvikling og langlivede voksne.

Distinkte morfologiske karakterforandringer kendetegner opkomsten af Aparaglossata: reduktionen af de labiale endelapper (paraglossae), herunder muskler, den tydelige ændring af den ortopteroide ovipositor og muligvis det reducerede antal Malpighianske rør (også hos Acercaria (ægte insekter, psocopteraner, lus og beslægtede)) . Vores resultater gør det ikke muligt at foretage en entydig rekonstruktion af flyveapparatets forfædrenetilstand for Holometabola og Aparaglossata. Det forekommer plausibelt, at omtrent lige store pterothorakale segmenter (som hos Neuropterida, tidlige lepidopteral-slægter og Mecoptera) er plesiomorfe for Aparaglossata, men rekonstruktionen af den forfædte tilstand af denne karakter i den formelle analyse forblev tvetydig. Som påpeget ovenfor er spørgsmålet om, hvorvidt Coleopterida er en monofylisk gruppe eller ej, ikke helt afklaret. Det forekommer imidlertid plausibelt at antage, at posteromotorisme kun udviklede sig én gang hos en fælles forfader til Strepsiptera og Coleoptera med en række beslægtede træk, såsom størrelsesreduktion af mesothorax, en tydelig reduktion af mesothoracalmuskulaturen og en øget størrelse af metathorax. En tydelig anteromotorisme, som den findes hos Hymenoptera, Trichoptera, “højere” Lepidoptera og Diptera, er muligvis forfødt hos Holometabola, men det er tænkeligt, at denne tilstand har udviklet sig (sekundært?, se ovenfor) flere gange uafhængigt af hinanden (f.eks, næsten lige store pterothorakale segmenter hos ikke-glossatan Lepidoptera).

Vingekoblingsmekanismer har tilsyneladende udviklet sig uafhængigt af hinanden hos Hymenoptera (hamuli som en autapomorfi i ordenen, se Additional file 4, kapitel 5), Trichoptera, Lepidoptera og nogle familier af Neuroptera (forskellige mekanismer forekommer i disse ordener).

Den primære måde at deponere æggene på hos Holometabola var meget sandsynligt endofytisk, som det kan antages for grundplanet af Hymenoptera (“Symphyta”). Denne måde at aflægge æg på er formentlig opretholdt i Neuropteroidea’s grundplan. Raphidioptera har en modificeret, aflang ovipositor, som de bruger til at lægge æg under bark eller i jordstrøelse. Dette ligner ægdeponering som antaget for Holometabola og Hymenoptera’s grundplan; det kan dog også være en afledt karakter. Den fuldstændige eller næsten fuldstændige reduktion af elementerne i den primære ovipositor er et kendetegn for Mecopterida og hænger tydeligvis sammen med overfladisk ægdeponering eller æglægning i bløde substrater. Vores resultater bekræfter for det meste et evolutionært scenarie for hunnens postabdomen og ægudlægning som beskrevet i detaljer i Hünefeld et al. .