La filogenia de Holometabola

Analizamos un total de 1.343 genes ortólogos 1:1 (es decir, grupos de secuencias ortólogas, también llamados grupos ortólogos (OG)) y, al incluir también datos publicados, datos de un total de 88 especies (Tabla 1). Los siete conjuntos de datos decisivos específicamente diseñados que analizamos para abordar nuestras siete preguntas filogenéticas consistían cada uno en un subconjunto de taxones y genes del conjunto de datos completo, excepto el conjunto de datos 1, que es idéntico al conjunto de datos completo. Las siete preguntas, los grupos taxonómicos que seleccionamos como relevantes para responder a las preguntas, y el número de especies y OGs para cada conjunto de datos se muestran en la Tabla 2. Para cada conjunto de datos realizamos 1) la reconstrucción del árbol ML, y 2) el mapeo de verosimilitud de cuatro clusters (FcLM) (ver Tabla 3). Los resultados se resumen en la Figura 1 (véase el archivo adicional 1: Figuras S1-S7 para la presencia y ausencia de genes en los conjuntos de datos, Archivo adicional 2: Figuras S8-S15 para los árboles filogenéticos completos, y Archivo adicional 3: Figuras S17-S25 para los resultados completos del FcLM).

El análisis del conjunto de datos 1 arrojó que Hymenoptera es el grupo hermano de todos los órdenes holometabólicos restantes tanto en la reconstrucción del árbol ML como en el FcLM (tabla 3, figura 1). Esta relación ya se había recuperado en varios estudios de genes múltiples (por ejemplo, ), y se basaba en datos del genoma completo pero con un muestreo limitado de taxones . Los análisis de datos morfológicos publicados anteriormente arrojaron resultados contradictorios, como por ejemplo Hymenoptera + Mecopterida en Beutel y Gorb frente a Hymenoptera + los restantes órdenes holometabólicos en Beutel et al. . Los problemas potenciales de artefactos topológicos en estos análisis, causados por reducciones convergentes en muchos sistemas de caracteres morfológicos, fueron discutidos en detalle por Friedrich y Beutel y Beutel et al. . La colocación de Hymenoptera como grupo hermano de todos los órdenes holometabólicos restantes implica que las presuntas sinapomorfías de Hymenoptera y Mecopterida (por ejemplo, la garra única de las larvas, la placa esclerotizada del sitóforo de los adultos; véase ) son en realidad homoplasias.

Nuestros análisis del conjunto de datos 2 arrojaron un Neuropteroidea monofilético (es decir, un clado que comprende Neuropterida, Coleoptera y Strepsiptera) con el máximo apoyo en la reconstrucción del árbol ML y un fuerte apoyo en el FcLM (Tabla 3, Figura 1). Neuropteroidea no fue apoyado como un clado en Beutel et al. , pero se encontró monofilético en muchos estudios anteriores, aunque en la mayoría de los casos con apoyo débil o sin apoyo.

No encontramos ninguna señal para Megaloptera parafilético como se discute en Beutel et al. y Winterton et al. (conjunto de datos 3, Tabla 3, Figura 1). Dentro de Neuropterida, nuestros análisis ML apoyaron al máximo una relación de grupo hermano entre Raphidioptera y Neuroptera + Megaloptera, que también fue apoyada por más de 2/3 de todos los cuartetos en el FcLM (conjunto de datos 4, Tabla 3, Figura 1). Las relaciones filogenéticas entre los órdenes de neurópteros han sido discutidas de forma controvertida con dos hipótesis alternativas: Raphidioptera + Megaloptera son monofiléticos (por ejemplo, ) o Neuroptera + Megaloptera son monofiléticos (por ejemplo, ). Nuestros resultados apoyan firmemente esta última hipótesis.

El análisis del conjunto de datos 5 arrojó resultados ambiguos con respecto a un posible clado que comprende Coleoptera y Strepsiptera (Coleopterida) (Tabla 3, Figura 1). Resolver este problema de larga data es difícil debido a la morfología extremadamente modificada (por ejemplo, ) y las características genómicas claramente derivadas de los Strepsiptera endoparásitos («el problema de los Strepsiptera», ; «insectos del espacio exterior», ). En la mayoría de las contribuciones recientes, se han encontrado pruebas de que los Coleopterida son monofiléticos (por ejemplo, ). Sin embargo, los estudios basados en datos moleculares siguieron siendo ambiguos en sus resultados. Los Coleopterida no fueron apoyados por todos los conjuntos de datos analizados por McKenna y Farrell . Los resultados de Wiegmann et al. se basaron en un conjunto relativamente pequeño de genes y sólo mostraron un débil apoyo a este clado. Niehuis et al. analizaron las secuencias de nucleótidos del genoma completo de los insectos holometábolos y encontraron un buen apoyo para Coleopterida, pero el muestreo de taxones no incluía ningún orden de neuropteridos. En nuestro estudio, Coleopterida está soportado en el árbol ML (con el máximo soporte bootstrap), pero no en los análisis FcLM (Tabla 3, Figura 1). En el árbol ML, los Strepsiptera se sitúan dentro de los Coleoptera (como en algunos de los árboles de McKenna y Farrell ), sin embargo, con relaciones poco apoyadas (Archivo adicional 2: Figura S12). Analizamos además si la incongruencia entre la reconstrucción del árbol ML y los análisis FcLM desaparecía considerando los análisis ML y FcLM particionados utilizando diferentes modelos en diferentes particiones. Los análisis divididos podrían reducir los posibles errores de especificación del modelo y podrían producir topologías congruentes. Sin embargo, la incongruencia entre los análisis ML y FcLM no desapareció (Tabla 3, Archivos adicionales 2 y 3). Esto implica que los errores de especificación del modelo debidos a los análisis sin partición no son la fuente de la incongruencia (véase también y la discusión al respecto). Aparentemente, los datos y los procedimientos analíticos de nuestro estudio no han aportado una solución inequívoca a la cuestión de si Coleopterida es o no un grupo monofilético. Sin embargo, la evidencia de la morfología sugiere claramente que Coleopterida es monofilético (ver también ) como el resultado más plausible.

Para probar la monofilia de Mecopterida, un clado que comprende Amphiesmenoptera (Lepidoptera + Trichoptera) y Antliophora (Diptera + Siphonaptera + Mecoptera), analizamos dos versiones del conjunto de datos 6 para dar cuenta de dos posibles hipótesis (conjunto de datos 6a, b; Tablas 2 y 3). Ambos análisis recuperaron el Mecopterida monofilético con un fuerte apoyo (Tabla 3, Figura 1). El Mecopterida monofilético, propuesto por Hinton bajo el nombre de Panorpoidea (o complejo panorpoide), no estaba bien apoyado en Kjer et al. y Wiegmann et al. , y sólo lo estaba en los análisis bayesianos de caracteres morfológicos de Beutel et al. Niehuis et al. encontraron un apoyo tentativo para este clado basado en los datos del genoma completo, pero el muestreo incompleto de taxones -los genomas de Neuropterida, Trichoptera, Siphonaptera y Mecoptera aún no han sido secuenciados- disminuyó la capacidad de decisión de este conjunto de datos con respecto a la cuestión de la monofilia de Mecopterida.

Nuestros análisis corroboraron claramente la monofilia de Amphiesmenoptera (Trichoptera + Lepidoptera) (Figura 1). Sin embargo, no probamos esta hipótesis con un conjunto de datos específicamente diseñado porque nunca ha sido seriamente discutida.

Dentro de Antliophora, que mostró el máximo soporte bootstrap en el árbol ML, encontramos una relación de grupo hermano de Mecoptera y Siphonaptera, también con máximo soporte bootstrap y con máximo soporte en el FcLM (conjunto de datos 7, Tabla 2, Figura 1). Este resultado corrobora los puntos de vista presentados por Beutel y Gorb , McKenna y Farrell , y Wiegmann et al. , aunque el clado Mecoptera + Siphonaptera no estaba bien apoyado en este último estudio. Una relación de grupo hermano entre Diptera y Siphonaptera como se recuperó en Beutel et al. (, véase la discusión allí) es muy poco probable sobre la base de nuestros análisis.

Con este estudio, no contribuimos a la cuestión de si Mecoptera son un grupo monofilético como sólo una especie, Nannochorista philpotti, fue parte de nuestro muestreo de taxones. Sin embargo, los datos morfológicos y los análisis de nueve genes nucleares sugieren fuertemente que los Mecoptera efectivamente forman un grupo monofilético.

En resumen, inferimos una sólida columna vertebral filogenética de Holometabola, con tres clados mega-diversos máximamente apoyados Hymenoptera, Neuropteroidea, y Mecopterida, con aproximadamente 135.000, 370.000, y 300.000 especies descritas, respectivamente. Para la unidad bien definida que comprende Neuropteroidea y Mecopterida sugerimos el nombre de Aparaglossata (Figura 1). El nombre hace referencia a la pérdida de las paraglosas, una de las apomorfías más conspicuas del grupo (véase más adelante y la Tabla 4).

Nuestra compilación de conjuntos de datos de secuencias moleculares y nuestro diseño del análisis filogenético presentan algunas diferencias importantes en comparación con estudios anteriores sobre la filogenia de Holometabola. Específicamente, i) utilizamos una cantidad masiva de datos generados con Illumina Next Generation Sequencing (Tabla 1). ii) Aseguramos la decisividad de nuestros conjuntos de datos diseñando específicamente conjuntos de datos para cada una de nuestras siete preguntas de investigación (Tabla 2) (ver ). El carácter decisivo significa que todos los genes incluidos en un conjunto de datos están cubiertos por al menos un representante de todos los grupos taxonómicos que son relevantes para la relación filogenética específica que se está estudiando. En consecuencia, cada conjunto de datos tiene una cobertura del 100% en términos de presencia de genes, con respecto a los grupos taxonómicos relevantes. Al asegurar la decisividad, aliviamos los efectos potencialmente engañosos de los datos que faltan. Los datos que faltan pueden conducir a la inferencia de topologías altamente apoyadas pero erróneas (véase ). iii) Realizamos FcLM para cada uno de nuestros siete conjuntos de datos (Tabla 3). Volvimos a implementar FcLM en RAxML para hacer frente a estas matrices de datos a gran escala y complementamos el método con scripts recién escritos que mapean los resultados respectivos en gráficos simplex 2D. El soporte de Bootstrap en los árboles filogenéticos por sí solo es de limitada conclusión en los análisis de conjuntos de datos muy grandes . FcLM es un método para identificar el posible apoyo a topologías alternativas en un conjunto de datos, es decir, un método para mostrar la señal incongruente que podría no ser observable en los árboles filogenéticos. Este estudio es el primero en aplicar FcLM a grandes supermatrices filogenómicas. Por último, iv) comprobamos todos los conjuntos de datos en busca de taxones deshonestos. Los taxones rebeldes son taxones que asumen múltiples posiciones filogenéticas en un conjunto de árboles bootstrap. Disminuyen la resolución y/o el apoyo, por ejemplo, cuando se construyen árboles de consenso bootstrap. La eliminación de los taxones errantes puede producir un árbol de consenso bootstrap más informativo (véase el archivo adicional 4, capítulo 4). Todos nuestros conjuntos de datos estaban libres de pícaros.

Con una compilación de conjuntos de datos como la presentada aquí (es decir, extrayendo el máximo número de genes que pueden contribuir a resolver la relación filogenética en cuestión) también nos aseguramos de que las topologías inferidas no se basaban en una selección arbitraria de genes con respecto a su señal filogenética inherente. Dell’Ampio et al. demostraron que la selección de genes -si no está impulsada por consideraciones relativas a la decisión de un conjunto de datos- puede generar árboles topológicamente diferentes que, sin embargo, pueden presentar todos un alto apoyo. Además, Simon et al. mostraron que los genes implicados en diferentes vías biológicas pueden apoyar diferentes topologías para una relación filogenética específica. Por lo tanto, se puede concluir que los árboles filogenéticos inferidos a partir del estudio de sólo un conjunto de pocos o varios genes están fácilmente sesgados y, por lo tanto, podrían no reflejar el árbol de especies correcto. Aunque el mejor enfoque actual para abordar este problema es incluir la máxima cantidad posible de datos potencialmente informativos, tendremos que desentrañar aún más los factores que contribuyen a las incongruencias topológicas en los conjuntos de datos (véase también ).

Los estudios filogenéticos basados exclusivamente en la morfología (por ejemplo, ) también arrojaron agrupaciones problemáticas en algunos casos. Los autores abordaron y discutieron aparentes artefactos que fueron causados principalmente por reducciones paralelas en complejos de caracteres (por ejemplo, el aparato de vuelo). Sin embargo, los problemas resultaron ser intratables dados los datos y los procedimientos analíticos de los que se disponía. Con nuestros conjuntos de datos moleculares fuimos capaces de proporcionar soluciones fiables para la mayoría de las relaciones filogenéticas interordinales dentro de Holometabola (Figura 1, y arriba). Para rastrear los cambios evolutivos a nivel fenotípico utilizamos el conjunto de datos morfológicos más extenso disponible en la actualidad, que incluye 356 caracteres de representantes de todos los órdenes de holometabola y de taxones de fuera cuidadosamente seleccionados. Los caracteres se han asignado a la filogenia basada en el transcriptoma con un enfoque formal (véase la sección Métodos para más detalles). Esto nos permitió rastrear y reinterpretar los cambios evolutivos de numerosos caracteres y llevar a cabo reconstrucciones de planos base basadas en la parsimonia para todos los clados del árbol (véase «La evolución dentro de Holometabola» más abajo).

La evolución dentro de Holometabola

Larvas y desarrollo

Nuestros resultados filogenéticos sugieren que la larva ancestral de Holometabola era terrestre, ortognata, equipada con ojos compuestos moderadamente simplificados pero claramente desarrollados, y patas torácicas bien desarrolladas. Las patas abdominales y los cercos estaban ausentes (Figura 2). El sistema muscular estaba en general bien desarrollado. Las simplificaciones distintivas de las antenas y los lóbulos del endito labial y los músculos asociados son autapomorfías larvarias de Holometabola. La cabeza ortognata en el plano del suelo sugiere que las primeras larvas de Holometabola se alimentaban externamente de material vegetal u hongos y no excavaban en el sustrato o penetraban en grietas estrechas (por ejemplo, bajo la corteza).

La larva ancestral de aparaglossatan era probablemente prognata y estaba equipada con stemmata. No está claro si estas larvas eran del tipo ágil de los campodeidos, como las larvas de muchos escarabajos (por ejemplo, Adephaga, Myxophaga , Staphylinoidea), Strepsiptera (primer estadio), Neuropterida, y algunos grupos de Trichoptera (por ejemplo, Rhyacophilidae). Es posible que este tipo de larva sea una condición apomórfica que caracteriza a los Neuropteroidea, con una evolución paralela en los Trichoptera. El prognatismo suele estar relacionado con los hábitos alimentarios carnívoros (Neuropterida, Adephaga y algunos subgrupos de polifagia), pero también puede estar relacionado con la penetración en grietas estrechas o la excavación en sustratos, como ocurre en las larvas asociadas a la madera de Archostemata (Coleoptera), pero también en los primeros linajes de lepidópteros (por ejemplo, ). Por lo tanto, no está claro si las larvas ancestrales de aparaglossatan eran o no depredadoras. Las larvas de Mecopterida muestran algunas simplificaciones (tentorio y segmentos antenales), y una clara tendencia a las reducciones caracteriza a las larvas de antílopes, especialmente las de Siphonaptera y Diptera. Ambos han perdido por completo las patas torácicas (claramente acortadas en Mecoptera) y se caracterizan por la simplificación de las estructuras cefálicas, especialmente del sistema muscular . Esto refleja la historia de vida larvaria generalizada en Antliophora, con larvas que viven en la capa superior del suelo, en la hojarasca, en sustratos húmedos o en diferentes masas de agua, alimentándose principalmente de sustratos blandos o pequeñas partículas. La importante cuestión de si las larvas ancestrales de Antliophora eran terrestres (Lepidoptera, Mecoptera, Siphonaptera, Mecoptera excl. Nannochoristidae, Diptera partim) o acuáticas (Trichoptera, Nannochoristidae, Diptera partim) sigue siendo ambigua.

Nuestros resultados filogenéticos indican claramente que un desarrollo holometábolo típico con larvas que carecen por completo de yemas alares externas («insectos endopterigotos») y que también carecen de cercos pertenece a la planta de Holometabola (véase también ). Las condiciones que caracterizan a las larvas primarias de los estrepsípteros (segmento abdominal XI y cercos presentes) y a las larvas secundarias (yemas alares externas reconocibles como convexidades externas) son aparentemente el resultado de inversiones, como la aparición temprana de los posibles ojos compuestos (véase ). Las pupas con mandíbulas inmovilizadas (pupa adectica) han evolucionado casi con toda seguridad varias veces de forma independiente. Parece probable que una pupa móvil con mandíbulas móviles, como es característico para Raphidioptera, sea ancestral para Holometabola aunque esto no esté confirmado por un análisis formal de caracteres.

Adultos y deposición de huevos

El adulto ancestral de Holometabola aparentemente difiere sólo ligeramente de la planta de los neópteros (Neoptera: todos los insectos alados excepto Odonata y Ephemeroptera). Las estructuras cefálicas, todo el sistema muscular, el aparato de vuelo y las estructuras abdominales parecen no haber sido modificadas. Las apomorfías más profundas en los insectos adultos holometábolos están relacionadas con la invaginación de los esternitos pterotorácicos (por ejemplo, meso y metacoxas estrechamente adyacentes) . Nuestros datos no permiten hacer una evaluación fiable de los hábitos alimentarios ancestrales de los adultos de los holometábolos, pero es evidente que la alimentación en la fase adulta desempeñó un papel menor en comparación con la alimentación en las fases larvarias. Las excepciones a esta regla son, por ejemplo, los escarabajos depredadores (p. ej, Dytiscidae y Carabidae) con un desarrollo postembrionario muy rápido y adultos longevos.

Distintas transformaciones de los caracteres morfológicos caracterizan el surgimiento de los Aparaglossata: la reducción de los lóbulos del endito labial (paraglossae), incluyendo los músculos, la modificación distintiva del ovipositor ortopteroide, y posiblemente el número reducido de túbulos de Malpighian (también en Acercaria (chinches verdaderas, psocópteros, piojos y parientes)) . Nuestros resultados no permiten una reconstrucción inequívoca de la condición ancestral del aparato de vuelo para Holometabola y Aparaglossata. Parece plausible que los segmentos pterotorácicos de tamaño aproximadamente igual (como en Neuropterida, los primeros linajes de lepidópteros y Mecoptera) sean plesiomórficos para Aparaglossata, pero la reconstrucción del estado ancestral de este carácter en el análisis formal quedó ambigua. Como se ha señalado anteriormente, la cuestión de si Coleopterida es o no un grupo monofílico no está completamente resuelta. Sin embargo, parece plausible suponer que el posteromotorismo evolucionó una sola vez en un ancestro común de Strepsiptera y Coleoptera, con un conjunto de rasgos relacionados, como la reducción del tamaño del mesotórax, una clara reducción del sistema muscular mesotorácico y un aumento del tamaño del metatórax. Un anteromotorismo distintivo como el presente en Hymenoptera, Trichoptera, Lepidoptera «superior» y Diptera es posiblemente ancestral en Holometabola, pero es concebible que esta condición haya evolucionado (¿secundariamente?, ver arriba) varias veces de forma independiente (por ejemplo, segmentos pterotorácicos de tamaño casi igual en los lepidópteros no glosantes).

Los mecanismos de acoplamiento de las alas han evolucionado aparentemente de forma independiente en los himenópteros (hamuli como una autapomorfía del orden, véase el archivo adicional 4, capítulo 5), en los tricópteros, en los lepidópteros y en algunas familias de neurópteros (se dan diferentes mecanismos en estos órdenes).

El modo primario de deposición de huevos en Holometabola fue muy probablemente endofítico, como se puede suponer para el plano de tierra de Hymenoptera («Symphyta»). Este modo de deposición de huevos se mantiene probablemente en la planta de los Neuropteroidea. Los Raphidioptera tienen un ovipositor modificado y alargado que utilizan para depositar los huevos bajo la corteza o en la hojarasca del suelo. Esto se asemeja a la deposición de huevos que se supone en el plano del suelo de Holometabola e Hymenoptera; sin embargo, también podría ser un carácter derivado. La reducción completa o casi completa de los elementos del ovipositor primario es una característica de Mecopterida y está obviamente relacionada con la deposición superficial de huevos o la oviposición en sustratos blandos. Nuestros resultados confirman en su mayor parte un escenario evolutivo para el postabdomen de la hembra y la deposición de huevos, tal y como se describe en detalle en Hünefeld et al. .