Nowe badanie odkrywa wyraźniejsze drzewo ewolucyjne szerokiej grupy pająków, które wcześniej okazało się trudne do sklasyfikowania, i ilustruje rosnący potencjał wydobywania przydatnych informacji genetycznych nawet z najmniejszych okazów w muzealnych kolekcjach stawonogów. Chociaż grupa pająków nazywana jest „marronoidami” od hiszpańskiego słowa oznaczającego brąz, grupa ta wykazuje dużą różnorodność pod względem koloru, kształtu i różnorodności zachowań. Tylko trzy przykłady obejmują (od lewej do prawej) Nigma Walkenaeri; Argyroneta aquatica, znany również jako pająk nurkujący; I Agelena labyrinthica. (Zdjęcia od lewej do prawej: Ewelina Oszust, Ben Williams i Sabine Gasparitz)

Autorzy: Jacob A. Gorneau, Katherine O. Montana i Lauren A. Esposito, Ph.D.

Nowe badanie odkrywa wyraźniejsze drzewo ewolucyjne szerokiej grupy pająków, które wcześniej okazało się trudne do sklasyfikowania, i ilustruje rosnący potencjał wydobywania przydatnych informacji genetycznych nawet z najmniejszych okazów w muzealnych kolekcjach stawonogów. Autorzy artykułu dot Entomologia dzisiajw skład którego wchodzi trzech z ośmiu autorów badania opublikowanego w Systematyka i różnorodność owadów, to, od lewej do prawej, główna badaczka dr Lauren Esposito oraz byli studenci studiów magisterskich Katherine Montana i Jacob Gorneau. (Zdjęcie dzięki uprzejmości Jacoba Gorneau)

Zbiory muzealne to biblioteki przedstawiające światową różnorodność biologiczną, przechowujące historie o ewolucji, globalnych zmianach, a nawet chorobach i gatunkach inwazyjnych. Do niedawna historie te opowiadano zwykle w kontekście morfologii, czyli struktur anatomicznych organizmów. Jednakże dzięki obecnie szeroko dostępnym technologiom sekwencjonowania DNA możemy wyodrębnić i zsekwencjonować nawet uszkodzone DNA starszych okazów znajdujących się w tych kolekcjach, odblokowując zupełnie nową sekcję tej przysłowiowej biblioteki. Zdolność ta jest szczególnie pomocna w grupach „tajemniczych”, w których gatunki są trudne do zidentyfikowania na podstawie samej morfologii.

Być może to społeczność obserwująca ptaki ukuła określenie „małe brązowe prace” na określenie organizmów trudnych do zidentyfikowania (podobnie jak „cholernie żółte kompozyty” w roślinach), ale małe brązowe prace – w skrócie LBJ – są obecnie powszechnie stosowane na nietoperze, ćmy, grzyby, a nawet pająki! Wyrażenie to jest często używane w znaczeniu pejoratywnym, chociaż osoby studiujące LBJ mogą używać go z błyskiem podziwu. Prawdopodobnie częściowo ze względu na ich niepozorne cechy, LBJ są często niedoceniane w porównaniu do ich większych, bardziej kolorowych odpowiedników.

Jedną z grup LBJ są pająki „marronoidalne”. Nie sądzono wcześniej, że te pająki tworzą pojedynczą grupę monofiletyczną lub grupę o wspólnej historii ewolucyjnej, której kulminacją jest wspólny przodek. Schematy klasyfikacji oparte na morfologii umieszczały rodziny należące do tej grupy w różnych miejscach na drzewie życia i dopiero w 2017 r., przy użyciu informacji genetycznej, zbudowano pierwsze pajęcze drzewo życia, gdy te pozornie niezwiązane ze sobą rodziny pająków połączyły się w jedną całość. pojedyncza rozgałęziona linia. Było to zaskakujące, ponieważ grupa zbiorowa nie miała możliwej do zidentyfikowania synapomorfii morfologicznej ani unikalnej wspólnej cechy, która mogłaby zostać wykorzystana do zidentyfikowania grupy o wspólnym pochodzeniu.

Autorzy tej publikacji nazwali tę grupę „kladem marronoidalnym”, od hiszpańskiego słowa Marrón, co oznacza brązowy — chociaż nie wszystkie gatunki w tej grupie są brązowe! Wydaje się, że historycznie wiele małych, brązowych, niczym nie wyróżniających się pająków zostało przypisanych do tej grupy niemal przypadkowo i choć panuje przekonanie, że pająki te są ze sobą spokrewnione, natura tych powiązań jest nadal niejasna.

Dlaczego warto uczyć się LBJ? Kolor i rozmiar to tylko dwie osie różnorodności. Klad marronoidów jest żywicielem około 3400 gatunków pająków – czyli połowy liczby wszystkich znanych ssaków! Co więcej, pająki te wykazują szereg różnorodnych ekologii i zachowań, które nie są często spotykane na pajęczym drzewie życia. Do tej grupy należą gatunki społeczne, gatunki międzypływowe, gatunki tolerujące ostry chłód Syberii, inne, które tolerują uciążliwy upał Doliny Śmierci oraz jedyny znany pająk w pełni wodny, Argyroneta aquatica. Tak, te pająki mogą być (zazwyczaj) brązowe i (zazwyczaj) małe, ale są niezwykle interesujące i możemy się od nich wiele dowiedzieć o pająkach i szerzej o ewolucji.

Jako część zespołu badawczego Kalifornijskiej Akademii Nauk, wspieranego przez grant National Science Foundation przyznany dr Sarah Crews i dr Lauren Esposito, staraliśmy się zrozumieć relacje rodzinne w układzie marronoidalnym klad wykorzystujący dane genomiczne — lub całą informację genetyczną (DNA) zawartą w ciele organizmu. Przed sekwencjonowaniem genomu badacze sekwencjonowali poszczególne geny w procesie zwanym sekwencjonowaniem Sangera. Choć na krótką metę jest opłacalne, dostarcza mniej danych i jest ogólnie droższe. Co więcej, z poprzedniego badania pajęczego drzewa życia wiedzieliśmy, że geny użyte w sekwencjonowaniu Sangera nie dostarczyły wystarczających danych, abyśmy mogli przeanalizować zależności, które chcieliśmy zbadać.

Podczas sekwencjonowania genomów tych pająków musieliśmy pokonać kilka wyzwań. Większość tych prac przeprowadzono bezpośrednio po pandemii COVID-19, uniemożliwiając podróże międzynarodowe w celu zebrania świeżych okazów pająków. W związku z tym musieliśmy polegać na okazach ze zbiorów muzealnych, które mają zwykle bardziej uszkodzone lub zdegradowane DNA w wyniku rozkładu z biegiem czasu. Ponieważ wiele pająków w tej grupie jest bardzo małych, w najlepszym razie zaledwie kilku milimetrów, pojawił się dodatkowy problem w postaci bardzo ograniczonej ilości tkanki, z której mogliśmy wyodrębnić DNA.

Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Kalifornijskiej Akademii Nauk odkrywa wyraźniejsze drzewo ewolucyjne szerokiej grupy pająków, które wcześniej okazywało się trudne do sklasyfikowania, i ilustruje rosnący potencjał wydobywania przydatnych informacji genetycznych nawet z najmniejszych okazów w muzealnych kolekcjach stawonogów. Tutaj pokazano drzewo podsumowujące marronoidów. (Więcej informacji można znaleźć na rysunku i pełnym podpisie w opracowaniu w Systematyka i różnorodność owadów.) Po prawej stronie znajdują się przykłady pająków w każdej rodzinie; obramowania obrazu są pokolorowane zgodnie z kolorami nazwisk. Wszystkie zdjęcia pochodzą z iNaturalist. Pierwsza kolumna, od góry do dołu: Amaurobius fenestralis przez użytkownika iNaturalist wp-polzin, Cykloktenus sp. autorstwa Dustina LaMonta, Badumna longinqua autorstwa Andresa Costy, Neoantistea magna przez Ruana Booysena, Cicurina cicur przez Juliena C., Toxopsoides huttoni przez Camerona Roddę. Druga kolumna, od góry do dołu: Amaurobiusz ferox w typowej sieci Cavemana, Stiphidion facetum przez Lindę Coster, Desis martensi przez Marcusa FC Ng, Cybeus sp. przez Tony’ego Iwane’a, Argyroneta aquatica przez Bena Williamsa, Nigma Puella mężczyzna i kobieta w sieci – David Gil Pérez. Trzecia kolumna, od góry do dołu: Agelena labyrinthica Sabine Gasparitz, Agelena labyrinthica strona internetowa autorstwa Lenniego Gottlieba, Stiphidion facetum web autorstwa użytkownika iNaturalist davidkaipatiki, Malenella Nana przez Matíasa Gargiulo, Calymmaria persica w internecie: Candice Talbot, Nigma Walkenaeri Eweliny Oszust. (Wykres pierwotnie opublikowany w Gorneau i in. 2023, Systematyka i różnorodność owadów)

Nasze rozwiązanie polegało na zastosowaniu sekwencjonowania całego genomu o niskim pokryciu (lcWGS) okazów ze zbiorów muzealnych, co umożliwia nam sekwencjonowanie na oślep większości DNA wyekstrahowanego od tych pająków. Kiedy otrzymaliśmy dane o sekwencji, następnie obliczeniowo „zebraliśmy” z danych ultrakonserwatywne elementy (UCE), które są częściami genomu, które są szczególnie konserwatywne w niektórych miejscach, ale są zmienne w innych. Ta mieszanka jest pomocna w filogenetyce (budowaniu drzew), ponieważ pomaga zrozumieć „kręgosłup” drzewa lub relacje głębsze w czasie (na przykład między rodzinami), a także relacje między bliżej spokrewnionymi gatunkami. Ten etap „zbierania” to w zasadzie polecenie wyszukiwania, które pozwala nam znaleźć części genomu, które mają dokładnie tę samą sekcję w każdym okazie.

Ponadto przeszukaliśmy nasze genomy pod kątem poszczególnych genów Sangera, które wykorzystano w poprzednich badaniach. W ten sposób moglibyśmy uwzględnić opublikowane dane dostępne bezpłatnie w Internecie i zwiększyć liczbę gatunków, które moglibyśmy uwzględnić w naszym badaniu. Dane te, a także dane wygenerowane na potrzeby naszego badania, są dostępne dla każdego na świecie do pobrania i włączenia do własnych badań za pośrednictwem publicznych repozytoriów genomów, takich jak GenBank i Sequence Read Archive.

W wyniku tego badania wywnioskowaliśmy najbardziej kompletną filogenezę (drzewo) pająków marronoidów z wysokim wsparciem statystycznym dla powiązań, na podstawie prawie 1300 UCE i sześciu genów Sangera. Na podstawie wyników zdaliśmy sobie sprawę, że niektóre rodzaje wymagają przeniesienia do innych rodzin, że grupę pająków zamieszkujących głównie jaskinie (Cicurinidae) należy ponownie przenieść do rodziny oraz że dobrze znana podrodzina pająków powinna zostać przeniesiona do rodziny po raz pierwszy zostały uznane za odrębną rodzinę (Macrobunidae).

Jeśli chodzi o przyszłe kierunki, bądźcie na bieżąco z dodatkowymi badaniami prowadzonymi w Laboratorium Arachnologicznym Kalifornijskiej Akademii Nauk — kończymy badania nad jedną z największych i prawdopodobnie najbardziej niechlujnych rodzin marronoidów, Dictynidae. W tej rodzinie występuje spora część osób z LBJ, charakteryzujących się dużą różnorodnością stylu życia i jest wiele pracy taksonomicznej do wykonania, aby zacząć naprawiać ten bałagan LBJ. Podobnie jak w przypadku pozostałych marronoidów, odkrycie pokrewieństwa ewolucyjnego dyktynidów opierało się w dużej mierze na okazach ze zbiorów muzealnych i całych genomach o niewielkim zasięgu, co dowodzi, że użyteczność tych cennych kolekcji to coś więcej niż tylko morfologia. Widzimy przyszłość, w której metody takie jak nasza mogą odkryć czynniki stojące za różnorodnością biologiczną pająków i owadów w szerokim zakresie!

Jakub A. Gorneau jest doktorem student Wydziału Entomologii Kalifornijskiej Akademii Nauk oraz Wydziału Nauk o Środowisku i Zarządzania Polityką Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley. E-mail: jgorneau@calacademy.org. Katherine O. Montana jest asystentem naukowym na Wydziale Entomologii Kalifornijskiej Akademii Nauk i absolwentem studiów magisterskich z biologii integracyjnej na Uniwersytecie Stanowym w San Francisco. E-mail: kmontana@calacademy.org. Doktor Lauren A. Esposito, jest zastępcą kuratora i katedrą arachnologii Schlingera w Kalifornijskiej Akademii Nauk. E-mail: lesposito@calacademy.org.

Powiązany