Mitochondrial Genomes of Arachnids - a New Approach to Address Open Phylogenetic Questions
Total Page：16
File Type：pdf, Size：1020Kb
Mitochondrial genomes of arachnids - a new approach to address open phylogenetic questions Dissertation zur Erlangung des Grades des Doktors der Naturwissenschaften am Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie der Freien Universität Berlin vorgelegt von Kathrin Fahrein aus Berlin Disputationsdatum: 30.04.2010 I Gutachter Erster Gutachter: Prof. Dr. Klaus Hausmann Institut für Biologie Fachbereich Biologie, Chemie, Pharmazie Freie Universität Berlin Zweiter Gutachter: Prof. Dr. Thomas Bartolomaeus Institut für Evolutionsbiologie und Ökologie Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn II Erklärung Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit ohne die unzulässige Hilfe Dritter und ohne die Verwendung anderer als der angegebenen Hilfsmittel angefertigt habe. Die aus anderen Quellen direkt oder indirekt übernommenen Daten und Konzepte sind unter Angabe der Quelle gekennzeichnet. Die Arbeit wurde bisher weder im In- noch im Ausland in gleicher oder ähnlicher Form einer anderen Prüfungsbehörde vorgelegt. Berlin, April 2010 Kathrin Fahrein III Danksagung Prof. Dr. Klaus Hausmann danke ich für die freundliche und unkomplizierte Übernahme der Betreuung meiner Doktorarbeit und für die dadurch überaus wertvolle Möglichkeit, diese in Berlin zu ende schreiben zu können. Prof. Dr. Thomas Bartolomaeus sei zum einen für sämtliche Unterstützung vor Beginn meiner Doktorarbeit zum anderen aber auch für die anfängliche Betreuung und das weitere Interesse am Fortschritt dieser gedankt. PD Dr. Lars Podsiadlowski möchte ich zutiefst für die fachlich und menschlich hervorragende Betreuung über die letzten Jahre danken. Nicht nur das Projekt sondern auch die Zusammenarbeit mit ihm war stets eine Freude. Weiterhin möchte ich mich für sein Vertrauen bedanken, eine Morphologin und Arachnophobikerin mit diesem Projekt zu betrauen! PD Dr. Thomas Stach möchte ich dafür danken, dass Sein Bleiben den Wegzug der Arbeitsgruppe so angenehm wie nur möglich gestaltet hat. Und ohne die dadurch gegebene Kontinuität wäre diese Arbeit jetzt wahrscheinlich noch nicht fertig. Bei meiner jetzigen Arbeitsgruppe, vor allem bei Esther und Sabrina, bedanke ich mich für Ihre heiteren Gemüter und das entspannte Miteinander im täglichen Büroverkehr. Allen Mitgliedern der ehemaligen Ag15 Systematik und Evolution der Tiere danke ich für die schöne Zeit, die wir hier in Berlin hatten. Waltraud Brackwehr sei dafür gedankt, dass sie das mit Ihrer Übersicht, Kompetenz und Hilfsbereitschaft schafft, was viele überfordern würde: Sie hält `den Laden` am Laufen. Meiner Familie und meinen Freunden sei für das Interesse und die Teilnahme an allem, was ich tue, gedankt. Besonders meinen Eltern und meinem Bruder bin ich für Ihre stets bedingungslose und unaufgeforderte Unterstützung in allen Lebenslagen zu tiefstem Dank verpfl ichtet. Sie sind unersetzlich für mein Leben und mehr an dem Gelingen dieser Arbeit beteiligt, als sie wahrscheinlich denken! Meinem Freund danke ich nicht nur für jede Minute (auch für die Schlechten und Anstrengenden, denn die waren besonders lehrreich!), die wir zusammen verbracht haben, sondern auch für die Ruhe, den Humor und die Zuversicht, die er immer genau dann in mein Leben bringt, wenn ich es selbst mal nicht schaffe. Gerade die letzte Zeit war trotz der `Umstände` dann doch eher wie ein Spaziergang! IV Zusammenfassung Die Phylogenie der Arachnida ist bis heute umstritten, einerseits wegen widersprüchlicher Interpretationen von Verwandtschaftsverhältnissen der übergeordneten Taxa, andererseits durch die fragliche Eingliederung der marinen Xiphosura in diese vorwiegend terrestrische Tiergruppe. Die konträren Hypothesen beruhen hauptsächlich auf morphologischen Merkmalen und 18S-Sequenzen, deren Verwendung in diesem Zusammenhang wenig geeignet erscheint, da mehrere morphologische Merkmale als homoplastisch angenommen werden und sich das 18S-Gen während der Evolution der Chelicerata offenbar nur wenig verändert hat. Mitochondriale Genome stellen einen weiteren Datensatz phylogenetisch wertvoller Merkmale dar. Dabei können neben den Aminosäure- bzw Nucleotid-Sequenzen auch strukturelle Merkmale dieser eher kleinen Genome analysiert werden. Diese „Genom-morphologischen“ Merkmale umfassen vergleichende Untersuchungen der Genreihenfolge, der RNA- Sekundärstrukturen und der Kontroll-Region, aber auch z. B. die Nukleotidzusammensetzung von protein-kodierenden und ribosomalen Genen. In dieser Arbeit werden neue mitochondriale Genomsequenzen mehrerer Arachniden präsentiert und vor dem Hintergrund der Verwendbarkeit dieser molekularen Methode für die Phylogenie der Arachniden diskutiert. In diese Überlegungen werden sowohl Sequenzanalysen als auch Vergleiche von „Genom morphologischen“ Merkmalsbefunden einbezogen. Insgesamt konnten zehn Genome der Arachniden-Taxa Ricinulei, Opiliones, Araneae, Scorpiones und Amblypygi komplett sequenziert werden. Rückschlüsse über die frühe Diversifi kation übergeordneter Arachniden-Taxa konnten unter Verwendung von mitochondrialen Sequenzen bzw. Genreihenfolgen nicht gezogen werden. Allerdings konnte ein klarer Nutzen für Aussagen auf untergeordneten taxonomischen Ebenen gezeigt werden. Die gewonnenen Daten unterstützen u.a. die aus morphologischer Sicht etabliertende Phylogenie übergeordneter Spinnen-Taxa. Vor allem waren aber Belege vielversprechend, welche eine Abgrenzung einzelner Gruppen innerhalb der opisthothelen Spinnen erlauben, da hier die Schwestergruppen-Beziehungen der Subtaxa längst nicht geklärt ist. Eine ähnliche Bedeutung mitochondrialer Daten zeigt sich auch bei Skorpionen. Auch wenn mitochondriale Genome derzeit keine Aufklärung der Verwandschaftsbeziehungen hochrangiger Arachniden- Taxa vermögen, so können sie dennoch auf etwas niedrigerem taxonomischem Niveau wertvolle Hilfe zur Aufklärung der Phylogenie darstellen. V Summary The phylogeny of the predominantly terrestrial Arachnida is still controversial, due to confl icting interpretations of the relatedness of the major lineages as well as the questionable inclusion of the marine Xiphosura. The confl icting hypotheses were produced by using basically morphological and nuclear sequence-based data, in that case both with doubtful convenience as many characters must have emerged convergently and the prevalent used 18S rRNA gene appears to have changed too sparsely during chelicerate evolution. Another large dataset of phylogenetic information is provided by mitochondrial genomes, which have served as models for comparative genomics for some time. Besides the sequence information retained in mitochondrial genomes in form of amino acid or nucleotide sequences of protein- coding and rRNA genes, other features of those rather small genomes bear phylogenetic information. These structural characters are often considered as `genome morphology` and comprise gene order, secondary structures of transfer and ribosomal RNAs, control region features, codon usage patterns, and the nucleotide compositional strand bias of protein- coding and rRNA genes. In this thesis several new mitochondrial genomes from arachnids are presented against the background of an evaluation of the usability and effi ciency of these molecular character complexes concerning arachnid systematics. Included in these considerations are sequence analyses as well as comparisons of fi ndings in terms of different characters belonging to `genome morphology`. Altogether, sequencing was successful in case of ten complete genomes from the arachnid orders Ricinulei, Opiliones, Araneae, Scorpiones, and Amblypygi. It appears diffi cult to deduce the progression of early diversifi cation among arachnid orders from mitochondrial genome sequence data or gene rearrangements. However, a real benefi t is gained on lower taxonomic levels. In case of Araneae, e.g., mitochondrial sequences and genome organisations largely support morphological based phylogenetic relationships of the three major clades. Furthermore, it even could be proven that gene rearrangements are useful for in-depth phylogenetic analysis of the Opisthothelae, in which sister group relationships of some taxa still deserve study. Similarily, inverted repeat sequences in the control region of Scorpiones demarcate clades on different levels. So even if mitochondrial genomes can hardly shed light on the relationships of major arachnid lineages, the data is promising for a resolution of disputed intraordinal relationships. VI List of Publications The dissertation is based on following publications: Chapter 2: Fahrein, K., Talarico, G., Braband, A., Podsiadlowski, L. (2007): The complete mitochondrial genome of Pseudocellus pearsei (Chelicerata: Ricinulei) and a comparison of mitochondrial gene rearrangements in Arachnida. BMC Genomics 8: 386. doi:10.1186/1471- 2164-8-386. Chapter 3: Fahrein, K., Masta, S.E., Podsiadlowski, L. (2009): The fi rst complete mitochondrial genome sequences of Amblypygi (Chelicerata: Arachnida) reveal conservation of the ancestral arthropod gene order. Genome 52: 456–466. doi:10.1139/G09-023. Copyright: NRC Research Press. Chapter 4: Fahrein, K., Talarico, G., Podsiadlowski, L. (in preparation): Differences in mitochondrial genomes of Ricinulei: new mitogenomic data from the two major clades of New World Ricinulei. Chapter 5: Fahrein, K., Podsiadlowski, L. (in preparation): New mitogenomic data from a member of Opiliones (Opilio parietinus) reveal a rearrangement hot-spot in Opiliones. Chapter 6: Fahrein, K., Podsiadlowski, L. (in preparation): A new mitochondrial genome sequence of a