Branching out: The Role of Host Plants in the Diversification of Leaf-Mining Moths C. Doorenweerd

Transcriptie

1 Branching out: The Role of Host Plants in the Diversification of Leaf-Mining Moths C. Doorenweerd

2 Chapter 8 Samenvatting In dit proefschrift heb ik de rol van waardplanten bij de diversificatie van twee groepen van bladminerende vlinders onderzocht, om te begrijpen of er overeenkomende sturende krachten voor soortvorming zijn. In hoofdstuk 1 gaf ik een algemene inleiding tot macro-evolutionair onderzoek, introduceerde een aantal theoriën over het proces van soortvorming en de potentiële rol van waardplanten, waarom bladmineerders een geschikte groep zijn voor onderzoek naar de rol van waardplanten bij soortsvorming en andere mogelijke sturende krachten voor soortvorming, en ik heb de technische ontwikkelingen omschreven die dit onderzoek mogelijk maken. Ik gaf een korte inleiding tot de twee bladminerende groepen die ik heb onderzocht: Nepticulidae en Lithocolletinae. In hoofdstuk 2 onderzochten we hoe met DNA barcoding de soortsgrenzen van bladminerende vlinders kunnen herkennen, zodat we betrouwbare soortsdefinities op kunnen stellen die de basis vormen voor onderzoek naar diversificatie. Hiervoor gebruikten we het geslacht Ectoedemia, waarvoor veel systematische kennis gepubliceerd was en we veel materiaal beschikbaar hadden. De resultaten toonden aan dat zowel fragmenten van het gen COI als het gen EF1- α in de meeste gevallen betrouwbaar waren als alternatief voor conventionele, morfologische, herkenning van soorten, en voor het bepalen van wat een soort is. De combinatie van beide merkers verhoogde de betrouwbaarheid van soortsherkenning. Deze aanpak werd verder gebruikt voor de alle andere groepen in de verschillende hoofdstukken van dit proefschrift. Voor alle soorten probeerden we COI fragment sequenties te bepalen en deze DNA sequenties zijn opgeslagen in de internationale BOLD database. Nadat de DNA barcode dataset van hoofdstuk 2 aangevuld was met extra genetische merkers, werd de fylogenie (stamboom) van Ectoedemia gereconstrueerd in hoofdstuk 3. Hiervoor werden zes kerngenoom markers en mitochondrieel genoom markers gecombineerd tot een dataset met 3,692 nucleotiden en gebruikt om de fylogenetische relaties tussen 92 soorten van het ondergeslacht Ectoedemia te bepalen, die een goede vertegenwoordiging vormen van het totaal aantal soorten wereldwijd. De resultaten ondersteunen soortgroepen die op basis van morfologie gedefinieerd waren. We gebruikten de verkregen fylogenie om te kijken naar waardplant familie assocaties en geografische verspreiding, om te zien of deze van belang zijn geweest bij de soortvorming van deze bladminerende insecten. We ontdekten dat, ondanks dat soorten binnen een soortgroep meestal op planten zitten van één familie, overstappen naar andere waardplant families soms voor zijn gekomen op verschillende plekken in de fylogenie en de overstappen zijn dan het vaakst naar de berkenfamilie (Betulaceae). De grootste radiaties vinden we in groepen die eten van eiken en beuken (Fagaceae), roosachtigen (Rosaceae) en wilgen en populieren (Salicaceae). De verspreiding van de meeste soorten is beperkt tot een van de zeven biogeografische regio s, maar binnen soortgroepen zijn er regelmatig overstappen naar een andere regio geweest. Ondanks de algemene patronen die we herkennen in het gebruik van waardplanten en biogeografie, vonden we ook verschillen tussen 218 Chapter indd :48

3 Summary verschillende takken in de fylogenie die suggereren dat er voor verschillende groepen verschillende drijvende krachten van soortvorming zijn geweest, mogelijk krachten die we niet onderzocht hebben. In hoofdstuk vier hebben we alle vermeldingen van fossielen van Nepticulidae bestudeerd om betrouwbare calibratiepunten voor de fylogenie vast te stellen. Gebruik makende van onze kennis van Nepticulidae wereldwijd, stelden we een lijst van kenmerken die gebruikt kunnen worden om fossiele bladmijnen toe te schrijven aan Nepticulidae, en we stellen methoden voor om fossiel materiaal te classificeren. De checklist bevat 79 vermeldingen van fossiele adulten en bladmijnen van Nepticulidae, vaak met meerdere exemplaren per vermelding. We geven onze interpretatie van alle vermeldingen. Elf vermeldingen worden in de checklist voor het eerst toegeschreven aan Nepticulidae. Na het verwerpen van enkele dubieuze vermeldingen, inclusief een die het bestaan van de familie mogelijk in het laat Jura zou plaatsen, concludeerden we dat de oudste fossielen die aan Nepticulidae toegeschreven kunnen worden enkele fossiele bladmijnen, waarschijnlijk van meerdere soorten, uit de Dakota formatie (USA) zijn. Deze formatie wordt op dit moment geschat op 102 miljoen jaar oud, wat overeen komt met de laatste periode van het Vroege Krijt. Door alle vermeldingen te combineren konden we concluderen dat er sinds de oudste fossielen een min of meer continue aanwezigheid van bladmijn- of barnsteenfossielen is die aan Nepticulidae toe te schrijven zijn. In hoofdstuk 5 presenteren we een moleculaire fylogenie voor Nepticulidae, waarbij we de fossiele calibratiepunten van hoofdstuk 4 gebruikt hebben om de fylogenie in de tijd te calibereren. Op dit punt van het onderzoek konden we aan de hand van acht genetische merkers, 355 soorten in de fylogenie plaatsen, die 20 van de 22 geslachten van Nepticulidae vertegenwoordigen. Twee solide calibratiepunten werden gebruikt om het ontstaan van de familie in het Vroege Krijt te plaatsen, voor de voornaamste diversificatie van de bloemvormende planten (Angiospermae). Op basis van de resultaten wordt een nieuwe classificatie van de familie voorgesteld, waarbij de systematische rangen tussen familie en geslacht niet meer gebruikt worden, alsook de ondergeslachten, om zo tot een duurzame classificatie te komen. De positie van Enteucaha binnen Nepticulidae blijft wat onduidelijk, en het soortenrijke wereldwijde geslacht Stigmella, met meer dan de helft van alle beschreven Nepticulidae, heeft nog meer onderzoek nodig met meer genen en soorten. De geslachten Ectoedemia, Zimmermannia, Acalyptris, Etainia, Parafomoria, Mu habbetana en Fomoria lijken in korte tijd van elkaar te zijn afgesplitst, wat tot korte takken in de fylogenie leidt en onduidelijke inter geslachtelijke verwantschappen. Verder is de statistische ondersteuning voor de takken in de fylogenie over het algemeen hoog en de verwantschappen tussen soortgroepen, geslachten en hogere groepen zijn bediscussieerd in relatie tot hun morfologische en biologische kenmerken. Vleugeladering kenmerken werden bevestigd als betrouwbaar en belangrijk voor het indelen van groepen, maar sommige andere van de eerder gebruikte kenmerken moeten opnieuw geïnterpreteerd worden. De soortgroepen binnen de meeste geslachten werden teruggevonden in de fylogenie, maar slechts deels in het grote geslacht Stigmella. De resultaten van de moleculaire 219 Chapter indd :48

4 Chapter 8 datering werden vergeleken met de bestaande kennis van de diversificatie van de bloemvormende planten en daaruit bleek dat de diversificatie van Nepticulidae voor een groot deel in dezelfde periode plaats heeft kunnen vinden als die van de waardplanten, hoewel de diversificatie van sommige van de geslachten die maar op één waardplant familie voorkomen ouder lijkt te zijn dan de waarplant familie zelf. Hoofdstuk 6 combineert alle gegevens van de voorgaande hoofdstukken met veel nieuwe gegevens en vormt de synthese van het promotiewerk. We testte de voorspelling van twee klassieke evolutionaire theoriën, de escape-and-radiate theorie en de adaptive radiation theorie, dat de kolonisatie van nieuwe resource zones (bijvoorbeeld een nieuwe waardplantfamilie of een nieuw geografisch gebied) zou resulteren in versnelde soortvorming. We vergeleken de fylogenetische diversificatie patronen en bestudeerden de mogelijke gevolgen van waardplantfamilie overstappen in twee grote groepen van bladminerende vlinders: de dwergmineermotten (Nepticulidae) en vouwmotten (Lithocolletinae). We verzamelden een grote genetische dataset door van acht merkers de genetische code te bepalen voor 355 soorten Lithocolletinae en 645 soorten Nepticuldiae. Voor elke groep is dit ongeveer 50% van alle bekende soorten. De resultaten lieten zien dat er geen linaire relatie is tussen de leeftijd van een groep en het aantal soorten; sommige van de meest soortenrijke groepen zijn relatief jong. Daarbij, op verschillende momenten in de tijd is er versnelde soortvorming gedetecteerd voor verschillende groepen, en na een kort moment van versnelling zwakt dit weer af. Hiervoor bespreken we enkele mogelijke verklaringen, bijvoorbeeld density-dependentselection en de co-evolutie van pathogenen. De resultaten toonden verder aan dat de diversificatie van Lithocolletinae en Nepticulidae gedeeltelijk gelijktijdig heeft plaatsgevonden met versnelde soortvorming bij de belangrijkste waardplanten. We vonden geen bewijs dat een nieuwe waardplant familie op zichzelf een nieuwe adapative resource zone is, de voorspelling van de escape-and-radiate theorie van Ehrlich en Raven, maar we concluderen dat de diversiteit van de waardplanten wel een voorwaarde is voor de diversificatie van de motten. De diversificatiepatronen die we vinden in Nepticulidae en Lithocolletinae passen bij de voorspellingen van de adaptive radiation theo rie, en de adaptieve zone kan het best omschreven worden als de geografische zone met een gematigd klimaat. Onze resultaten laten verder zien dat het binnenkomen van een adaptieve zone gepaard moet gaan met de ontwikkeling van functionele aanpassingen, om tot versnelde soortvorming te komen. Mogelijk was deze aanpassing het overleven van de winter in een pre-adult stadium, wat dan een zogenaamde key innovation genoemd kan worden. In hoofdstuk 7 bediscussieer, en kijk ik terug op, de resultaten van dit proefschrift vanuit een breder perspectief. We ontdekten meer dan 100 nieuwe soorten voor de wetenschap, die in andere artikelen beschreven zullen worden. Voor zowel Nepticulidae als Lithocolletinae, zijn de fylogeniën die in dit proefschrift gepresenteerd worden de eersten met een dergelijke soorten-dekking, wat het mogelijk maakt om evolutionaire theoriën te testen, en theoriën uit andere vakgebieden, zoals bijvoorbeeld functionele morfologie. Door de diversificatie patronen van twee grote groepen bladmineerders te vergelijken konden we voor het 220 Chapter indd :48

5 Summary eerst inschatten in hoeverre hun evolutie gelijktijdig plaats heeft gevonden, met elkaar en ten opzichte van de waardplanten. De resultaten lieten zien dat de waardplanten niet de voornaamste drijvende kracht zijn geweest voor de diversificatie van de bladmineerders, maar de diversiteit van de waardplanten was wel een voorwaarde voor de diversificatie van de bladmineerders. Onder gunstige klimatologische omstandigheden sinds het Krijt konden de belangrijkste waardplant families, Fagaceae, Salicaceae, Betulaceae, Rosaceae en Fabaceae, zich geografisch uitbreiden en ontstonden er veel nieuwe soorten in gebieden met een gematigd klimaat, waardoor er een nieuwe adaptieve zone voor Nepticulidae en Lithocolletinae ontstond. Verschillende bladmineerders wisten zich succesvol aan te passen aan het overleven in een gematigd klimaat, waarschijnlijk voornamelijk door nieuwe manieren om de winter te overleven, en daarna volgden perioden met versnelde soortvorming, wat uiteindelijk leidde tot de soortenrijke groepen bladmineerders die we tegenwoordig terugvinden in gebieden met een gematigd klimaat. 221 Chapter indd :48