Mitochondrial genomes of arachnids: a new approach to address open phylogenetic questions

Abstract

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 RNASekundärstrukturen 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.

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 proteincoding 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 proteincoding 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 benefit 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.