The phylogeny of Holometabola

We analyzed a total of 1,343 1:1 orthologous genes (i.e., ortológ szekvenciák csoportjait, más néven ortológ csoportok (OG-k)), és a szintén publikált adatokat is figyelembe véve összesen 88 faj adatait (1. táblázat). A hét speciálisan kialakított döntő adatkészlet, amelyet a hét filogenetikai kérdésünk megválaszolásához elemeztünk, mindegyike a taxonok és gének egy-egy részhalmazából állt a teljes adatkészletből, kivéve az 1. adatkészletet, amely azonos a teljes adatkészlettel. A hét kérdést, a kérdések megválaszolásához relevánsnak ítélt taxonómiai csoportokat, valamint az egyes adatkészletekhez tartozó fajok és OG-k számát a 2. táblázat tartalmazza. Minden adatkészlet esetében elvégeztük 1) az ML-fa rekonstrukcióját, és 2) a négy klaszteres valószínűségtérképezést (FcLM) (lásd a 3. táblázatot). Az eredményeket az 1. ábra foglalja össze (lásd Additional file 1: S1-S7 ábrák a gének jelenlétéről és hiányáról az adatkészletekben, Additional file 2: S8-S15 ábrák a teljes filogenetikai fákat, és a 3. kiegészítő fájl: S17-S25 ábrák az FcLM teljes eredményeit).

Az 1. adatkészlet elemzése a Hymenoptera-t az összes többi holometabolikus rend testvércsoportjaként mutatta ki mind az ML-fa rekonstrukciójában, mind az FcLM-ben (3. táblázat, 1. ábra). Ezt a kapcsolatot már több, több génnel végzett vizsgálat (pl., ), valamint teljes genom adatokon alapuló, de korlátozott taxonmintavétel alapján is helyreállították . A morfológiai adatok korábban közzétett elemzései ellentmondásos eredményeket hoztak, mint például a Hymenoptera + Mecopterida Beutel és Gorb esetében versus Hymenoptera + fennmaradó holometabolikus rendek Beutel és társai esetében . Az ezekben az elemzésekben a topológiai artefaktumok lehetséges problémáit, amelyeket számos morfológiai karakterrendszer konvergens redukciója okoz, Friedrich és Beutel, valamint Beutel et al. részletesen tárgyalták. A Hymenoptera testvércsoportként való elhelyezése az összes többi holometabolikus renddel azt jelenti, hogy a Hymenoptera és a Mecopterida feltételezett szinapomorfiái (pl. a lárvák egyetlen karma, a felnőttek szklerotizált sitofórlemeze; lásd ) valójában homopláziák.

A 2. adatkészlet elemzései monofiletikus Neuropteroidea (azaz, Neuropterida, Coleoptera és Strepsiptera) kládot, maximális támogatással az ML-fa rekonstrukciójában és erős támogatással az FcLM-ben (3. táblázat, 1. ábra). A Neuropteroidea-t Beutel et al. nem támogatta kládként, de számos korábbi tanulmányban monofiletikusnak találták, bár a legtöbb esetben gyenge vagy támogatás nélküli támogatással.

Nem találtunk jelet a Beutel et al. és Winterton et al. által tárgyalt parafiletikus Megaloptera számára (3. adatkészlet, 3. táblázat, 1. ábra). A Neuropteridákon belül ML-elemzéseink maximálisan támogatták a Raphidioptera és a Neuroptera + Megaloptera közötti testvércsoportkapcsolatot, amelyet az FcLM összes kvartettjének több mint 2/3-a is támogatott (4. adatkészlet, 3. táblázat, 1. ábra). A neuropteridák rendjei közötti filogenetikai kapcsolatokat két alternatív hipotézissel ellentmondásosan vitatták: A Raphidioptera + Megaloptera monofiletikus (pl. ) vagy a Neuroptera + Megaloptera monofiletikus (pl. ). Eredményeink határozottan az utóbbi hipotézist támasztják alá.

Az 5. adatkészlet elemzése kétértelmű eredményeket hozott egy lehetséges, a Coleoptera és a Strepsiptera (Coleopterida) alkotta kláddal kapcsolatban (3. táblázat, 1. ábra). Ennek a régóta fennálló problémának a megoldása nehéz az endoparazita Strepsipterák rendkívül megváltozott morfológiája (pl., ) és az endoparazita Strepsipterák markánsan származtatott genomikai jellemzői miatt (“a Strepsiptera probléma”, ; “rovarok a világűrből”, ). A legfrissebb hozzájárulásokban bizonyítékot találtak a monofiletikus Coleopterida-ra (pl., ). A molekuláris adatokon alapuló vizsgálatok eredményei azonban kétértelműek maradtak. A McKenna és Farrell által elemzett összes adatkészlet nem támogatta a Coleopterida-t . Wiegmann et al. eredményei viszonylag kis génkészleten alapultak, és csak gyenge támogatást mutattak erre a kládra. Niehuis et al. a holometabolikus rovarok teljes genomjának nukleotidszekvenciáit elemezték, és jól alátámasztott Coleopterida-t találtak, de a taxonmintavétel nem tartalmazott neuropterida rendeket. A mi vizsgálatunkban a Coleopterida támogatott az ML-fában (maximális bootstrap-támogatással), de nem az FcLM-elemzésekben (3. táblázat, 1. ábra). Az ML-fában a Strepsiptera a Coleopterán belül helyezkedik el (mint McKenna és Farrell egyes fáiban ), azonban gyengén támogatott kapcsolatokkal (Additional file 2: S12 ábra). Megvizsgáltuk továbbá, hogy az ML-fa rekonstrukció és az FcLM-elemzések közötti inkongruencia eltűnik-e, figyelembe véve a partícionált ML- és FcLM-elemzéseket, különböző modelleket használva a különböző partíciókon. A partícionált elemzések csökkenthetik a lehetséges modellhibákat és kongruens topológiákat eredményezhetnek. Az ML- és FcLM-elemzések közötti inkongruencia azonban nem szűnt meg (3. táblázat, Additional files 2 és 3). Ez azt jelenti, hogy nem a nem partícionált elemzések miatti modell-hibaspecifikációk jelentik az inkongruencia forrását (lásd még és az ottani vitát). Úgy tűnik, vizsgálatunk adatai és elemzési eljárásai nem adtak egyértelmű megoldást arra a kérdésre, hogy a Coleopterida egy monofiletikus csoport-e vagy sem. A morfológiából származó bizonyítékok azonban egyértelműen a monofiletikus Coleopterida-t (lásd még ), mint a legvalószínűbb eredményt sugallják.

A Mecopterida, az Amphiesmenoptera (Lepidoptera + Trichoptera) és az Antliophora (Diptera + Siphonaptera + Mecoptera) alkotta klád monofíliájának tesztelésére a 6. adatkészlet két változatát elemeztük, hogy két lehetséges hipotézist vegyünk figyelembe (6a, b adatkészlet; 2. és 3. táblázat). Mindkét elemzés erős támogatással monofiletikus Mecopterida-t állított vissza (3. táblázat, 1. ábra). A Hinton által Panorpoidea (vagy panorpoid komplex) néven javasolt monofiletikus Mecopterida nem kapott jó támogatást Kjer et al. és Wiegmann et al. esetében, és csak a Beutel et al. morfológiai karakterek Bayes-elemzései támogatták. Niehuis et al. a teljes genom adatok alapján előzetes támogatást talált erre a kládra, de a hiányos taxonmintavétel – a Neuropterida, Trichoptera, Siphonaptera és Mecoptera genomjait még nem szekvenálták – csökkentette ennek az adathalmaznak a határozottságát a monofiletikus Mecopterida kérdésében.

Elemzéseink egyértelműen megerősítették az Amphiesmenoptera (Trichoptera + Lepidoptera) monofíliáját (1. ábra). Ezt a hipotézist azonban nem teszteltük külön erre a célra kialakított adatkészlettel, mivel soha nem vitatták komolyan .

Az Antliophora-n belül, amely maximális bootstrap támogatást mutatott az ML-fában, a Mecoptera és a Siphonaptera testvércsoportkapcsolatát találtuk, szintén maximális bootstrap támogatással és maximális támogatással az FcLM-ben (7. adatkészlet, 2. táblázat, 1. ábra). Ez az eredmény megerősíti a Beutel és Gorb , McKenna és Farrell , valamint Wiegmann et al. által felvetett nézeteket, bár a Mecoptera + Siphonaptera klád az utóbbi tanulmányban nem volt jól támogatott. A Diptera és Siphonaptera közötti testvércsoportos kapcsolat, ahogyan azt Beutel et al. (, lásd az ottani vitát) előkereste, a mi elemzéseink alapján nagyon valószínűtlen.

Ezzel a tanulmányunkkal nem járulunk hozzá ahhoz a kérdéshez, hogy a Mecoptera monofiletikus csoport-e, mivel csak egy faj, a Nannochorista philpotti szerepelt a taxonmintavételünkben. A morfológiai adatok és kilenc nukleáris gén elemzése azonban határozottan arra utal, hogy a Mecoptera valóban monofiletikus csoportot alkot.

Összefoglalva, a Holometabola szilárd filogenetikai gerincére következtettünk, három maximálisan támogatott mega-diverz kláddal: Hymenoptera, Neuropteroidea és Mecopterida, körülbelül 135 000, 370 000, illetve 300 000 leírt fajjal. A Neuropteroidea és Mecopterida jól körülhatárolt egységére az Aparaglossata nevet javasoljuk (1. ábra). Az elnevezés a paraglossae elvesztésére utal, amely a csoport egyik legszembetűnőbb apomorfiája (lásd alább és a 4. táblázatban).

A molekulaszekvencia-adatkészletek összeállítása és a filogenetikai elemzésünk felépítése néhány jelentős eltérést mutat a Holometabola filogenetikai vizsgálatával foglalkozó korábbi tanulmányokhoz képest. Nevezetesen: i) hatalmas mennyiségű, Illumina Next Generation Sequencing segítségével generált adatot használtunk (1. táblázat). ii) Adathalmazaink határozottságát úgy biztosítottuk, hogy a hét kutatási kérdésünk (2. táblázat) mindegyikéhez (lásd ) specifikusan terveztünk adathalmazokat. A határozottság azt jelenti, hogy az adatkészletben szereplő összes gén legalább egy képviselője lefedje az összes olyan rendszertani csoportot, amely releváns az adott vizsgált filogenetikai kapcsolat szempontjából. Ennek megfelelően minden adatkészlet 100%-os lefedettséggel rendelkezik a gének jelenlétét tekintve a releváns taxonómiai csoportok tekintetében. A határozottság biztosításával enyhítjük a hiányzó adatok potenciálisan félrevezető hatásait. A hiányzó adatok nagymértékben támogatott, de téves topológiák következtetéséhez vezethetnek (lásd ). iii) Mind a hét adatkészletünkre elvégeztük az FcLM-et (3. táblázat). Az FcLM-et újra implementáltuk RAxML-ben, hogy megbirkózzunk ezekkel a nagyméretű adatmátrixokkal, és kiegészítettük a módszert újonnan írt szkriptekkel, amelyek a megfelelő eredményeket 2D-s szimplexgráfokra képezik le. A filogenetikai fák Bootstrap-támogatása önmagában csak korlátozottan bizonyító erejű a nagyon nagy adathalmazok elemzése során . Az FcLM egy módszer az alternatív topológiák lehetséges támogatásának azonosítására egy adathalmazban, azaz egy módszer az inkongruens jelek megjelenítésére, amelyek esetleg nem figyelhetők meg a filogenetikai fákban. Ez a tanulmány az első, amely az FcLM-et nagy filogenomikai szupermátrixokra alkalmazza. Végül iv) minden adatkészletet ellenőriztünk a gazember taxonok szempontjából. A rogue taxonok olyan taxonok, amelyek többszörös filogenetikai pozíciót foglalnak el egy bootstrap-facsoportban. Ezek csökkentik a felbontást és/vagy a támogatást, például bootstrap konszenzusfák építése során. A gazemberek eltávolítása informatívabb bootstrap konszenzusfát eredményezhet (lásd Additional file 4, 4. fejezet). Minden adatkészletünk mentes volt a gazemberektől.

Az adatkészletek itt bemutatott módon történő összeállításával (azaz a szóban forgó filogenetikai kapcsolat feloldásához hozzájárulni képes gének maximális számának kivonásával) azt is biztosítottuk, hogy a levezetett topológiák nem a gének önkényes kiválasztásán alapulnak a bennük rejlő filogenetikai jel tekintetében. Dell’Ampio és munkatársai kimutatták, hogy a gének kiválasztása – ha nem az adathalmaz meghatározó voltára vonatkozó megfontolások vezérlik – topológiailag különböző fákat hozhat létre, amelyek mindazonáltal mind magas támogatottságot mutathatnak. Továbbá Simon és munkatársai kimutatták, hogy a különböző biológiai útvonalakban részt vevő gének különböző topológiákat támogathatnak egy adott filogenetikai kapcsolat esetében. Ebből az a következtetés vonható le, hogy a csak néhány vagy néhány gén vizsgálatából levezetett filogenetikai fák könnyen torzíthatók, és így nem feltétlenül a helyes fajfát tükrözik. Bár jelenleg a legjobb megközelítés e probléma kezelésére a potenciálisan informatív adatok lehető legnagyobb lehetséges mennyiségének bevonása, az adathalmazok topológiai inkongruenciáihoz hozzájáruló tényezők további szétválasztása szükséges (lásd még ).

A kizárólag morfológián alapuló filogenetikai vizsgálatok (pl. ) szintén problémás csoportosításokat eredményeztek egyes esetekben. A szerzők tárgyalták és megvitatták a nyilvánvaló artefaktumokat, amelyeket elsősorban a karakterkomplexumok (pl. a repülési apparátus) párhuzamos redukciói okoztak. A problémák azonban a rendelkezésre álló adatok és elemzési eljárások mellett megoldhatatlannak bizonyultak . A mi molekuláris adatállományainkkal megbízható megoldásokat tudtunk nyújtani a legtöbb interordinális filogenetikai kapcsolatra a Holometabolán belül (1. ábra, és fentebb). A fenotípusos szintű evolúciós változások nyomon követéséhez a jelenleg rendelkezésre álló legkiterjedtebb morfológiai adatállományt használtuk, amely az összes holometabola rend képviselőinek és gondosan kiválasztott outgroup taxonok 356 karakterét tartalmazza . A karaktereket formális megközelítéssel illesztettük a transzkriptom-alapú filogeniára (a részleteket lásd a Módszerek részben). Ez lehetővé tette számtalan karakter evolúciós változásának nyomon követését és újraértelmezését, valamint parszimónia-alapú alaprajz-rekonstrukciók elvégzését a fa összes kládjára vonatkozóan (lásd alább “A holometaboliumon belüli evolúció”).

A Holometabolán belüli evolúció

Lárvák és fejlődés

Filogenetikai eredményeink arra utalnak, hogy a Holometabola ősi lárvája szárazföldi, ortognatikus, mérsékelten egyszerűsített, de határozottan fejlett összetett szemekkel és jól fejlett mellkasi lábakkal rendelkezett. A hasi prolegok és a cerciák hiányoztak (2. ábra). Az izomrendszer általában jól fejlett volt. Az antennák és a szeméremcsontok és a hozzájuk kapcsolódó izmok markáns egyszerűsödése a Holometabola lárvális autapomorfiája. Az alaprajzban látható ortognatikus fej arra utal, hogy a legkorábbi Holometabola-lárvák külsőleg táplálkoztak növényi anyaggal vagy gombákkal, és nem az aljzatba fúródtak vagy szűk hasadékokba (pl. kéreg alá) hatoltak.

Az ősi aparaglossatan lárva valószínűleg prognatikus volt, és szárkapcsokkal volt felszerelve. Hogy ezek a lárvák a mozgékony campodeidák típusába tartoztak-e, mint sok bogár (pl. Adephaga, Myxophaga , Staphylinoidea), Strepsiptera (első pólya), Neuropterida és a Trichoptera egyes csoportjainak (pl. Rhyacophilidae) lárvái, továbbra sem világos. Elképzelhető, hogy ez a lárvatípus egy apomorf állapot, amely a Neuropteroideára jellemző, és párhuzamos evolúciót mutat a Trichopterákban. A prognathizmus gyakran kapcsolódik húsevő táplálkozási szokásokhoz (Neuropterida, Adephaga és egyes polifág alcsoportok), de összefügghet a szűk hasadékokba való behatolással vagy az aljzatba való beásással is, mint például az Archostemata (Coleoptera) fához kötődő lárváinál, de a korai lepkeszúnyogok vonalaiban is (pl. ). Így nem világos, hogy az ősi aparaglossatan lárvák ragadozóak voltak-e vagy sem. A Mecopterida lárvái némi egyszerűsödést mutatnak (tentorium és antennaszegmensek), és a redukcióra való határozott tendencia jellemzi az antliophora lárvákat, különösen a Siphonaptera és a Diptera lárváit. Mindkettő teljesen elveszítette a mellkasi lábait (a Mecoptera esetében határozottan megrövidültek), és a fejlábszerkezetek, különösen az izomrendszer egyszerűsödése jellemzi őket. Ez tükrözi az Antliophora széles körben elterjedt lárvális élettörténetét: a lárvák a talaj felső rétegében, a levélszemétben, nedves szubsztrátumokban vagy különböző víztestekben élnek, és főként puha szubsztrátumokkal vagy apró részecskékkel táplálkoznak. Az a fontos kérdés, hogy az antliophorák ősi lárvái szárazföldi (Lepidoptera, Mecoptera, Siphonaptera, Mecoptera, kivéve Nannochoristidae, Diptera partim) vagy vízi (Trichoptera, Nannochoristidae, Diptera partim) lárvák voltak-e, továbbra sem egyértelmű.

Filogenetikai eredményeink egyértelműen azt mutatják, hogy a Holometabola alaprajzához tartozik a tipikus holometabola fejlődés, amelynek lárvái teljesen nélkülözik a külső szárnybimbókat (“endopterygota rovarok”), és a cerci is hiányzik (lásd még ). A strepsipterák elsődleges lárváit (XI. hasi szegmens és cerci jelenléte) és másodlagos lárváit (külső szárnybimbóként felismerhető külső domborúságok) jellemző feltételek nyilvánvalóan fordulat eredménye, mint például a leendő összetett szemek korai megjelenése (lásd ). A nagyrészt mozdulatlan bábok mozdulatlan állkapoccsal (pupa adectica) szinte biztosan többször, egymástól függetlenül fejlődtek ki. Valószínűnek tűnik, hogy a mozgékony báb mozgatható mandibulákkal, ahogyan az a Raphidiopterára jellemző, a Holometabola őse, még ha ezt hivatalos karakterelemzés nem is erősíti meg.

A felnőttek és a tojásrakás

A Holometabola ősi felnőttje nyilvánvalóan csak kis mértékben különbözött a Neoptera alaprajzától (Neoptera: minden szárnyas rovar az Odonata és Ephemeroptera kivételével). A fejbőrszerkezetek, a teljes izomrendszer, a repülési apparátus és a hasi szerkezetek nagyrészt változatlannak tűnnek . A kifejlett holometabolán rovarok legmélyebb apomorfiái a pterothoracalis szegycsontok invaginációjához kapcsolódnak (pl. a szorosan egymás mellett elhelyezkedő mezo- és metakoxák) . Adataink alapján nem lehet megbízhatóan megítélni a felnőtt holometabolánok ősi táplálkozási szokásait, de nyilvánvaló, hogy a felnőttkori táplálkozás kisebb szerepet játszott a lárvastádiumban történő táplálkozáshoz képest. Ez alól kivételt képeznek például a ragadozó bogarak (pl, Dytiscidae és Carabidae), amelyek nagyon gyors posztembrionális fejlődéssel és hosszú életű kifejlett egyedekkel rendelkeznek.

Aparaglossata felemelkedését megkülönböztetett morfológiai jellegzetes átalakulások jellemzik: a labiális véglebenyek (paraglossae) csökkenése, beleértve az izmokat, az orthopteroid ovipositor határozott módosulása, és valószínűleg a Malpighian tubulusok csökkent száma (az Acercaria (valódi poloskák, psocopterák, tetvek és rokonai) esetében is) . Eredményeink nem teszik lehetővé a Holometabola és az Aparaglossata esetében a repülési apparátus ősi állapotának egyértelmű rekonstrukcióját. Plauzibilisnek tűnik, hogy a megközelítőleg azonos méretű pterothoracalis szegmensek (mint a Neuropterida, a korai lepidoptera vonalak és a Mecoptera esetében) plesiomorfikusak az Aparaglossata számára, de e karakter ősi állapotának rekonstrukciója a formális elemzésben nem egyértelmű. Mint fentebb rámutattunk, az a kérdés, hogy a Coleopterida egy monofil csoport-e vagy sem, nem teljesen eldöntött. Azonban hihetőnek tűnik az a feltételezés, hogy a poszteromotorizmus csak egyszer fejlődött ki a Strepsiptera és a Coleoptera közös ősében, egy sor kapcsolódó jellemzővel, mint például a mezothorax méretcsökkenése, a mezothoracalis izomrendszer határozott csökkenése , és a metathorax megnövekedett mérete. A Hymenoptera, Trichoptera, “magasabb” Lepidoptera és Diptera fajoknál jelenlévő kifejezett anteromotorizmus valószínűleg a Holometabola őse, de elképzelhető, hogy ez az állapot (másodlagosan?, lásd fentebb) többször is kialakult egymástól függetlenül (például, közel azonos méretű pterothoracic szegmensek a nem fényeslepkéknél).

A szárnykapcsolási mechanizmusok nyilvánvalóan egymástól függetlenül fejlődtek ki a Hymenoptera (hamuli mint a rend autapomorfiája, lásd Additional file 4, 5. fejezet), Trichoptera, Lepidoptera és a Neuroptera egyes családjaiban (ezekben a rendekben különböző mechanizmusok fordulnak elő).

A Holometabola esetében a tojásrakás elsődleges módja nagy valószínűséggel endofitikus volt, ahogyan az a Hymenoptera (“Symphyta”) alaprajzúak esetében is feltételezhető. A tojások lerakásának ez a módja vitathatóan fennmaradt a Neuropteroidea alaprajzában. A Raphidiopteráknak módosított, hosszúkás ovipozitoruk van, amelyet a tojások kéreg alá vagy a talaj aljába történő lerakására használnak. Ez hasonlít a Holometabola és a Hymenoptera alaprajzában feltételezett tojások lerakására; azonban lehet, hogy ez is egy származtatott tulajdonság. A primer ovipozitor elemeinek teljes vagy majdnem teljes redukciója a Mecopterida egyik jellemzője, és nyilvánvalóan összefügg a felületes tojáslerakással vagy a puha szubsztrátumokba történő peteelhelyezéssel. Eredményeink nagyrészt megerősítik a Hünefeld et al. által részletesen vázolt evolúciós forgatókönyvet a nőstény postabdomen és a peték lerakása tekintetében.