Filogenia molecular, sistemática y evolución de los Chrysomelinae australianos (Coleoptera, Chrysomelidae)

Abstract

[spa] La singularidad y diversidad de la fauna australiana han fascinado desde siempre a naturalistas y viajeros. Sin embargo, nuestro conocimiento acerca de la historia natural de este rico patrimonio aún dista mucho de ser completo. Los insectos australianos constituyen un buen ejemplo donde la mayoría de las especies están aún por describir, y su origen en muchos casos permanece ignoto debido en parte a la carencia de estudios filogenéticos detallados. Entre ellos se encuentran los coleópteros crisomélidos de la subfamilia Chrysomelinae. Se conocen en Australia unas 750 especies de crisomelinos repartidas en 43 géneros–30 son exclusivos del continente–, y que se distribuyen por biomas tan dispares como el esclerófilo, el monzónico y el ombroclima húmedo. Su ecología es poco conocida, pero la información disponible sugiere que se trata de especies fitófagas con un espectro trófico restringido a pocas especies emparentadas, destacando las interacciones con linajes muy diversificados en Australia como Acacia y Eucalyptus.

En el presente trabajo se profundiza en el conocimiento de la sistemática de Chrysomelinae poniendo un énfasis especial en la fauna australiana, mediante la inferencia de hipótesis filogenéticas basadas en secuencias de ADN. La filogenia molecular permite el establecimiento de un sistema de clasificación supragenérico para la subfamilia Chrysomelinae: tribus Timarchini y Chrysomelini. La tribu Chrysomelini se puede a su vez dividir en varias subtribus, entre las que se incluyen Chrysomelina, Doryphorina, Phyllocharitina, Entomoscelina y Gonioctenina. Nuestros resultados sugieren la necesidad de revisiones y reorganizaciones taxonómicas para los géneros Callidemum, Chalcolampra, Chrysolina, Paropsisterna, Paropsides y Peltoschema. Destacamos la parafilia de los crisomelinos australianos por inclusión en el clado que los agrupa de linajes presentes en otras regiones biogeográficas. El origen de los linajes australianos se remonta al Eoceno cuando Australia aún formaba parte junto con la Antártida y Sudamérica de una única masa de tierra emergida. El aislamiento tectónico de Australia y el subsiguiente cambio climático hacia condiciones más frías y secas contribuyeron a la diversidad actual del grupo. La historia evolutiva de los crisomelinos australianos está relacionada con la de sus plantas hospedadoras: crisomelinos ancestrales con una alimentación adaptada a la vegetación esclerófila incipiente en los sistemas de rainforest secundaron a sus linajes hospedadores en la colonización del nuevo entorno semiárido tras la contracción de estos bosques.

También indagamos en los procesos que podrían haber promovido la diversificación de Chrysomelinae en Australia, utilizando como caso de estudio 15 especies del género Calomela. Presentamos la primera hipótesis filogenética molecular para el género, cuyo origen se remonta a los primitivos sistemas de bosque pluvial que dominaban el continente en el Oligoceno tardío. La diversificación de sus linajes responde a un patrón logístico dependiente de la densidad, con fases de aceleración estimuladas por episodios de cambio climático. La estrecha relación trófica con plantas del género Acacia parece existir desde el inicio de la diversificación de Calomela. Seleccionamos además una serie de caracteres morfológicos con utilidad taxonómica a niveles sistemáticos profundos. Las secuencias de cox1 e ITS2 garantizan la determinación inequívoca de las especies de Calomela estudiadas.

Finalmente, proponemos un método para inferir la dieta de los insectos fitófagos desde una perspectiva filogenética. La técnica consiste en la amplificación mediante PCR y secuenciación de ADN vegetal cloroplástico (intrón trnL) a partir de extracciones de ADN del cuerpo completo de los insectos, y por tanto, potencialmente ingerido como dieta. Para la identificación taxonómica de estas secuencias impulsamos el uso de métodos filogenéticos con el fin de sobreponer algunas de las limitaciones relacionadas con sesgos en las bases de datos. El método se aplica en 79 especies de crisomelinos australianos, revelando la enorme diversidad trófica que estos coleópteros poseen.

[eng] Our knowledge about the natural history of the Australian fauna is still far from being complete. Australian insects are a case in which the majority of the species are yet to be described, and in many cases its origin remains unknown due in part to the lack of detailed phylogenetic studies. Among them are the leaf beetles in the subfamily Chrysomelinae. To date, ca. 750 Australian chrysomeline species have been described belonging to 43 genera, inhabiting disparate biomes. Their ecology is poorly understood, but the available information suggests that they are phytophagous species with a trophic spectrum restricted to few species of related plants.

This work contributes to the knowledge of the systematics of the subfamily Chrysomelinae with special emphasis on Australian taxa through inferring phylogenetic hypotheses based on DNA sequences. The molecular phylogeny allows the establishment of a suprageneric classification system for the Chrysomelinae subfamily: Timarchini and Chrysomelini tribes. The tribe Chrysomelini can in turn be divided into several sub-tribes, including Chrysomelina, Doryphorina, Phyllocharitina, Entomoscelina and Gonioctenina. Our results also suggests the need for taxonomic reviews for the genera Callidemum, Chalcolampra, Chrysolina, Paropsisterna, Paropsides and Peltoschema. The origin of Australian lineages dates back to the Eocene. The evolutionary history of the Australian Chrysomelinae is related to their host plants: ancestral chrysomelines that fed on the incipient sclerophyllous vegetation in rainforest tracked their host plant lineages in the colonization of the new semi-arid environment after the contraction of their habitats.

We also inquire into the processes that may have promoted the diversification of Chrysomelinae in Australia, using as a case study 15 Calomela species. We provide the first molecular phylogenetic hypothesis for the genus, which originated in the late Oligocene. Lineage diversification reflects a logistic density-dependent model. Useful morphological characters are identified. cox1 and ITS2 DNA sequences ensure unambiguous identification of the studied species.

Finally, we propose an approach to infer phytophagous insects' diet from a phylogenetic perspective. The method is evaluated in 79 species (25 genera) of Australian Chrysomelinae, revealing their enormous trophic diversity and some evolutionary trends in their ecology.

[cat] La singularitat i diversitat de la fauna australiana han fascinat des de sempre a naturalistes i viatgers. No obstant això, i malgrat els esforços realitzats, el nostre coneixement sobre la història natural d'aquest ric patrimoni encara dista molt de ser complet. L’extraordinàriament divers grup dels insectes australians constitueix un bon exemple, en el que la majoria de les espècies estan encara per descriure, i el seu origen, en molts casos, roman ignot degut en part a la manca d'estudis filogenètics detallats. Entre ells es troben els coleòpters crisomèlids de la subfamília Chrysomelinae. Fins a la data es coneixen a Austràlia unes 750 espècies de crisomelins repartides en 43 gèneres –30 dels quals són exclusius del continent–, i que es distribueixen per biomes tan dispars com l’esclerofil·le, el monsònic i l’ombroclima humit. L'ecologia d'aquest grup d'escarabats és poc coneguda i fragmentària, però la informació disponible suggereix que es tracta d'espècies fitòfagues amb un espectre tròfic bastant restringit a una o diverses espècies de plantes emparentades, destacant les interaccions tròfiques amb llinatges vegetals molt diversificats a Austràlia com a Acacia i Eucalyptus. En el present treball s'aprofundeix en el coneixement de la sistemàtica de la subfamília Chrysomelinae tot posant èmfasi especial en la fauna australiana, mitjançant la inferència d'hipòtesis filogenètiques basades en seqüències d'ADN. La filogènia molecular permet l'establiment d'un sistema de classificació supragenèric per a la subfamília Chrysomelinae: tribus Timarchini i Chrysomelini. La tribu Chrysomelini es pot dividir, al mateix temps, en diverses subtribus, entre les quals s'inclouen Chrysomelina, Doryphorina, Phyllocharitina, Entomoscelina i Gonioctenina. A més, els nostres resultats es contrasten amb les propostes sistemàtiques clàssiques per a la subfamília, suggerint la necessitat de revisions i reorganitzacions taxonòmiques per als gèneres Callidemum, Chalcolampra, Chrysolina, Paropsisterna, Paropsides i Peltoschema. D'altra banda, la nostra hipòtesi filogenètica indica la parafília dels crisomelins australians, degut a la inclusió en el clade que els agrupa de llinatges presents en altres regions biogeogràfiques. L'origen dels llinatges australians es remunta a l'Eocè, fa uns 42 Ma., quan Austràlia encara formava part, juntament amb l'Antàrtida i Amèrica del Sud, d'una única massa de terra emergida, la província Weddeliana. L'aïllament tectònic d'Austràlia fa uns 30 Ma. i el subsegüent canvi climàtic cap a condicions més fredes i seques varen contribuir a la diversitat actual del grup. La informació filogenètica aquí analitzada suggereix a més que la història evolutiva dels crisomelins australians està relacionada amb la de les seves plantes

nutrícies: crisomelins ancestrals amb una alimentació adaptada a la vegetació esclerofil·la incipient en els rainforests van secundar als seus llinatges hostes en la colonització del nou entorn semi-àrid després de la contracció d'aquests boscos. També investiguem els processos que podrien haver causat la diversificació de Chrysomelinae a Austràlia, utilitzant com a cas d'estudi 15 espècies del gènere Calomela. Presentem la primera hipòtesi filogenètica molecular per al gènere, establint que el seu origen es remunta als primitius sistemes de bosc pluvial que dominaven el continent en l’Oligocè tardà, i on ja començaven a diferenciar-se les primeres formacions vegetals esclerofil·les. La diversificació dels seus llinatges respon a un patró logístic dependent de la densitat, amb fases d'acceleració estimulades per episodis de canvi climàtic i transformacions fisiogràfiques. L'estreta relació tròfica amb les plantes del gènere Acacia sembla existir des de l'inici de la diversificació de Calomela. L'aïllament genètic de les poblacions d'espècies pròpies de rainforest posa de manifest una baixa capacitat de dispersió en aquests taxons. La informació filogenètica permet a més seleccionar una sèrie de caràcters morfològics amb utilitat taxonòmica a nivells sistemàtics profunds. Es demostra també que les seqüències tant de cox1 com de ITS2 garanteixen la determinació directa i inequívoca de les espècies de Calomela que hem estudiat. Finalment, en un intent d'ampliar els nostres coneixements sobre l'ecologia dels Chrysomelinae australians, proposem un mètode robust i eficaç per inferir la dieta dels insectes fitòfags des d'una perspectiva filogenètica. La tècnica consisteix en l'amplificació mitjançant PCR i seqüenciació d'ADN vegetal cloroplàstic (intró trnL) a partir d'extraccions d'ADN del cos complet dels insectes, i per tant, potencialment ingerit com a dieta. Per a la identificació taxonòmica d'aquestes seqüències impulsem l'ús de mètodes filogenètics amb la finalitat de sobreposar algunes de les limitacions relacionades amb biaixos en les bases de dades de referència. El mètode avaluà amb èxit en un grup de 10 espècies de crisomelins amb alimentació coneguda, per estendre-ho posteriorment a 79 espècies (25 gèneres) de crisomelins australians, revelant l'enorme diversitat tròfica que aquests coleòpters posseeixen, així com algunes tendències evolutives en la seva ecologia.