Molekularbiologische Untersuchungen zur Biodiversität heterotropher Flagellaten

Scheckenbach, Frank (2005). Molekularbiologische Untersuchungen zur Biodiversität heterotropher Flagellaten. PhD thesis, Universität zu Köln. Open Access

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Abstract

Die Diversität von Protisten ist nach wie vor sehr umstritten. Die Morphologie ist seit über 200 Jahren der "Goldstandard" für die Bestimmung von Protisten, weist aber schwerwiegende Mängel auf, da erkennbare morphologische Merkmale oftmals fehlen. Der hohe Anteil morphologisch nicht unterscheidbarer - kryptischer - Arten innerhalb nominaler Arten, führte zu der Vermutung, dass morphologisch bestimmte Arten von Protisten lediglich eine Fassade sind, hinter welcher sich eine hohe Anzahl kryptischer Arten verbergen. Da unterschiedliche Arten mit der Zeit genetisch divergieren, wurde die intraspezifische genetische Distanz der kleinen ribosomalen Untereinheit aus Kern-DNA einiger der am weitesten verbreiteten Morphoarten heterotropher Flagellaten, ebenso wie beispielhaft die Ultrastruktur einer genetisch deutlich strukturierten Morphoart untersucht, um Licht auf die Natur und Relevanz kryptischer Arten zu werfen. Artbildung kann sowohl in Allopatrie, als auch in Sympatrie stattfinden und hierbei am leichtesten entlang steiler ökologischer Gradienten, weshalb Stämme von geographisch und ökologisch unterschiedlichen Orten isoliert wurden, um eventuell evolutionär relevante Muster zu finden. Drei wichtige Resultate wurden in dieser Dissertation erzielt. Erstens scheint die genetische Divergenz zwischen Isolaten aus marinen Habitaten und Süßwasser der Morphoart Ancyromonas sigmoides das Ergebnis evolutionärer Prozesse zu sein. Ökologische Faktoren wie der Salzgehalt können offensichtlich bedeutend für die Diversifikation in evolutionären Zeiträumen sein. Zweitens ergab die ultrastrukturelle Untersuchung der morphologisch nicht unterscheidbaren und genetisch stark divergierenden Stämme der Morphoart Caecitellus parvulus mehrere unterscheidbare Merkmale zwischen den unterschiedlichen Abstammungslinien, welche zu der Beschreibung von 3 - pseudo-kryptischen - Caecitellus Arten führte. Drittens impliziert das hohe Maß intraspezifischer, genetischer Divergenz innerhalb der untersuchten Arten, sowie des GenBANK-Datensatzes, eine große Zahl kryptischer Arten innerhalb von Morphoarten von Protisten, insbesondere innnerhalb der in dieser Dissertation untersuchten kleinen, heterotrophen Flagellaten, welche als ökologische Generalisten erscheinen. Schätzungen der Gesamtartenzahl zeigten, dass die Anzahl an Protisten eine Größenordnung höher liegen sollte, als auf Grund von Schätzungen, basierend auf Morphoarten, angenommen wird. Die Ergebnisse zeigen, dass morphologisch nicht unterscheidbare, nominale Arten von Protisten sehr wohl ökophysiologisch und ultrastrukturell unterschiedliche taxonomische Einheiten - vermutlich Arten - beherbergen können, und somit die Diversität von Protisten als deutlich unterschätzt angesehen werden muss. Eine hohe intraspezifische genetische Divergenz sollte demzufolge nicht nur als das Resultat neutraler Mutation, im Sinne der neutralen Theorie molekularer Evolution, betrachtet werden, wie es einige Autoren vermuten. Die Morphologie scheint häufig einer Fitness der Form zu entsprechen, welche durch einen hohen Selektionsdruck in ein Höchstmaß an Anpassung gezwungen wird, um dort bis in alle Ewigkeit zu verharren, wohingegen andere Merkmale sich ändern können. Eine ähnliche Morphologie mag demzufolge oftmals eher die Folge von konvergenter oder paralleler, morphologischer Evolution oder einfach nur die Folge eines gemeinsamen Vorfahren sein, als das Resultat der Zugehörigkeit zu einer bestimmten Art. Die Morphologie könnte demnach vielfach evolutionäre Prozesse maskieren, wie Ancyromonas und Caecitellus zeigten. "DNA barcoding" hat sich als nützlich erwiesen, die Schwierigkeiten mit dem morphologischem Artkonzept zu umgehen und kryptische Arten hervorzuheben, wenn die äußere Erscheinung trügt, kann aber alleine genommen das schwierige Problem des Artkonzeptes für Protisten nicht lösen. Integrative Taxonomie ermöglicht es, ein Licht auf das Ausmaß an inter- und intraspezifischer Variabilität werfen, um Artgrenzen exakt bestimmen zu können und in Folge all die Arten aufzudecken, welche sich hinter der Fassade einer Morphoart verbergen. Was Nanney mit Blick auf Ciliaten als das "zentrale Rätsel der Vererbung" bezeichnete - die Beziehung zwischen Genotyp und Phänotyp -, ist das Problem welches die Protistologie in naher Zukunft lösen muss. Dies ist definitiv nicht trivial und muss für viele Modellorganismen von Protisten noch untersucht werden, ist aber unbedingt nötig, wenn wir jemals einen Ahnung davon bekommnen möchten, was als eine der größten Wissenslücken in der Protistologie bezeichnet werden kann - die Diversität der Protisten.

Item Type:

Thesis (PhD thesis)

Translated abstract:

Abstract

Language

Protist diversity is still heavily disputed. Morphology remains the "gold standard" for species identification for more than 200 years, but it has some severe shortcomings, as protists often lack distinguishable morphological traits. The high extent of morphologically indistinguishable - cryptic - species, found within nominal species, has led to the assumption that morphologically defined species of protists are just a facade behind which lurk a high number of cryptic species. Since different species diverge genetically with time, the intraspecific genetic distance of the nuclear small subunit ribosomal DNA (SSU rDNA) of some of the world-wide most common heterotrophic flagellated morphospecies was determined, and the ultrastructure of one genetically clearly structured morphospecies exemplarily examined, in order to shed light on the nature and relevance of cryptic species. Speciation can occur both in allopatry and in sympatry, most likely along steep ecological gradients, wherefore strains were isolated from geographically and ecologically different sample locations in order to find relevant evolutionary patterns. Three main results have been obtained in this thesis. First, the genetic divergence between the marine and the freshwater lineages of the morphospecies Ancyromonas sigmoides strongly suggests that selection acts. Ecological factors, such as salt concentration, can obviously act as major constraints on diversification over evolutionary timescales. Second, the examination of the morphologically indistinguishable and genetically highly diverging strains of the morphospecies Caecitellus parvulus revealed several distinguishable traits between the different lineages, leading to the erection of 3 - pseudo-cryptic - Caecitellus species. All changes in cell morphology of protist morphospecies whose morphology seems to be driven by high selection into adaptive peaks, is assumed to be the result of speciation events and should thus reflect disinct species. Third, the high extent of intraspecific genetic divergence within the morphospecies examined, as well as within the GenBANK-dataset, implies a prevalence of cryptic species within protist morphospecies, and in particular within the small heterotrophic flagelattes sequenced in this study, which appear to be ecological generalists. Estimation of the total protist species number show, that protist species number must be considered to be at least one order of magnitude higher than estimated on morphology alone. Speciation processes might thus be rather coupled to other phenotypic aspects than to morphology. The findings demonstrate that morphologically indistinguishable morphospecies of protists can harbour very well ecophysiologically and ultrastructural different taxonomic entities - probably species -, and that protist diversity must be considered as grossly underestimated by morphology. High intraspecific genetic divergence should therefore not only be regarded as the result of neutral mutation, according to the neutral theory of molecular evolution, as suggested by some authors. The systematic trend of lumping species under the cloak of morphospecies flies in the face of the evidence for genetic, ecological and biological differences among nominal species. Morphology does not necessarily reflect the expression of a membership to a distinct species. Morphology often seems to represent a fitness of form which is driven by strong selection into adaptive peaks, where it is "frozen and doomed to remain there forever" while other characters can change. Similar morphology might thus be the result of morphological convergent or parallel adaptive evolution or simply of a common ancestor, and thus might mask evolution, as shown for Ancyromonas and Caecitellus. DNA barcoding has proved to be useful in circumventing the difficulties posed by the morphological species concept and in distinguishing cryptic species when appearance is deceiving, but DNA barcoding will not resolve the difficult issue of the species concept for protists. Integrative taxonomy will shed light on the extent of intra- and interspecific variation in order to accurately define species boundaries and, hereupon, on all the species hiding behind the facade of a morphospecies. What Nanney called, with a view to ciliates, "the central riddle of heredity" - the relationship between the genotype and the phenotype - is the challenge, protistology has to solve in the near future. This is definitively "no trivial pursuit" and is still unknown for the vast majority of protists but has at least to be determined for protist model organisms, if one will ever get a glance of one of the greatest knowledge gaps in protistology - protist diversity.

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