Phylogeny of Dalytyphloplanida (Platyhelminthes: Rhabdocoela): single escape from the marine environment?

Abstract

Flatworms (Platyhelminthes) traditionally consist of the paraphyletic “turbellaria” and the parasitic Neodermata. The last two decades, molecular phylogenetic research has completely altered our views of flatworm systematics. However, phylogenetic relations within many turbellarian groups are far from understood. In terms of species numbers, Rhabdocoela (± 1500 species) is one of the largest turbellarian taxa. Former studies on rhabdocoel relationships based on morphological and molecular data have given new insights into the evolutionary history of this cosmopolitan and important meiofaunal taxon (Willems et al. 2006). Rhabdocoels now consist of two monophyletic sistertaxa: Kalyptorhynchia (± 500 species) and Dalytyphloplanida (± 1000 species), the latter clade comprising all former “Typhloplanoida”, “Dalyellioida” and Temnocephalida interspersed throughout the phylogeny. Consequently, a number of new clades quite different from the traditional rhabdocoel taxa have been defined. For instance, the existence of a monophyletic freshwater clade, comprising the bulk of the limnic dalytyphloplanids (Dalyelliidae, Typhloplanidae, Temnocephalida) was considered, suggesting a single invasion of the freshwater environment by a marine ancestor that was followed by a spectacular radiation. However, this could not be corroborated, because few taxa were used in these studies and molecular analyses were based on 18S rDNA only. In addition, the phylogenetic position of some symbiotic Dalytyphloplanida also triggered new questions on the origins of commensalism and eventually parasitism within freeliving flatworms. In this study I try to address these questions by elaborating the phylogeny of Dalytyphloplanida including more taxa and using a widened molecular approach. During the coarse of this work, dalytyphloplanids have been sampled in nearly all major zoogeographical regions (Palearctic, Nearctic, Afrotropics, Neotropics, Oriental, Australian, Pacific). Many of the collected taxa appeared to be new to science and a number of them have been formally described in five !-taxonomical papers: (1) an overview of the marine rhabdocoels from Uruguay, with the description of two new genera and six new species, (2) the description and ecology of a new limnoterrestrial representative of Protoplanellinae from Alabama (USA), (3) an account of the Dalytyphloplanida from Andalusia (Spain), with the description of four new species, (4) the description of one new genus of Dalyelliidae and one new species of Gieysztoria from Alabama (USA), together with an overview of all other dalyelliid representatives collected in Ontario (Canada), and Michigan and Alabama (USA), (5) the erection of a new species group of Gieysztoria, the “Falcatae”, based on a comparative morphological study and the description of five new species from India, South Africa and Australia. After DNA extraction, amplification and sequencing, ribosomal DNA datasets of 156 18S rDNA and 125 partial 28S rDNA dalytyphloplanid sequences were aligned and analysed as individual genes and as a concatenated dataset in a maximum likelihood and Bayesian framework. Two kalyptorhynch rhabdocoels were used as outgroup. The previously found new dalytyphloplanid clades, i.e. Neotyphloplanida, Neodalyellida and Thalassotyphloplanida, are confirmed in our topologies as monophyletic assemblages. Many of the traditional non-kalyptorhynch rhabdocoel families are not monophyletic (Trigonostomidae, Promesostomidae, Byrsophlebidae, Typhloplanidae, Dalyelliidae, Provorticidae, Graffillidae). In addition, alternative hypothesis testing constraining these families in the topologies and using the approximately unbiased test, also statistically rejects the monophyly of these families. The enigmatic Kytorhynchidae are most likely basal thalassotyphloplanids. Our phylogenies indicate that dalytyphloplanids have their origins in the marine environment, but were able to massively colonise a wide range of limnic and limnoterrestrial habitats, when a neotyphloplanid ancestor escaped its marine environment. The 18S and combined phylogenies clearly support the existence of a large, species-rich, monophyletic freshwater clade, Limnotyphloplanida n.c., comprising Dalyelliidae, Temnocephalida and most Typhloplanidae. Moreover, Temnocephalida can be considered ectosymbiotic Dalyelliidae as they are embedded within this group. Additionally, some thalassotyphloplanids and neodalyellids also invaded limnic environments, albeit very sporadically and not followed by spectacular speciation events as in Limnotyphloplanida n.c. Secondary returns to brackish water and marine environments occurred relatively frequently in several dalyeliid and typhloplanid taxa. The distinct phylogenetic positions of some symbiotic taxa (Umagillidae, Pterastericolidae, Graffillidae, Temnocephalida) also confirm multiple origins for commensal and parasitic life strategies within Dalytyphloplanida. The above-mentioned results are thoroughly discussed in an ecological and taxonomical context. Finally, these phylogenies undoubtedly evoke much more questions regarding the evolutionary history of this group. Some future considerations and possible research topics are briefly mentioned in the end.

Platwormen (Platyhelminthes) werden traditioneel ingedeeld in de parafyletische “turbellaria” en de parasitaire Neodermata. De voorbije twee decennia heeft moleculair fylogenetisch onderzoek onze visie op de systematiek van platwormen grondig gewijzigd. Niettegenstaande blijven de fylogenetische verwantschappen binnen veel groepen van turbellaria zeer slecht gekend. Wat soortenrijkdom betreft, vormen de rhabdocoelen (± 1500 species) één van de belangrijkste taxa. Voorbije studies gebaseerd op moleculaire en morfologische data hebben ons heel wat nieuwe evolutionaire inzichten verschaft over dit wijdverspreide en belangrijke meiofauna taxon (zie Willems et al. 2006). Rhabdocoela bestaat nu uit twee monofyletische zustertaxa: Kalyptorhynchia (± 500 soorten) en Dalytyphloplanida (± 1000 soorten). Het laatste taxon omvat daarbij alle “Typhloplanoida”, “Dalyellioida” en Temnocephalida, verspreid doorheen de hele fylogenie. Bijgevolg werden een aantal nieuwe clades die sterk verschillen van de traditionele Rhabdocoela taxa gedefinieerd. Zo werd onder andere het bestaan van een monofyletische zoetwaterclade die het merendeel van de limnische Dalytyphloplanida (Dalyelliidae, Typhloplanidae, Temnocephalida) omvat, gesuggereerd. Dit duidt op een éénmalige invasie van het zoetwater door een mariene voorouder, gevolgd door een spectaculaire radiatie binnen de zoetwaterclades. Dit kon echter niet bevestigd worden aangezien te weinig taxa in deze studies gebruikt werden en moleculaire analyses enkel op het 18S rDNA gebaseerd waren. De fylogenetische positie van een aantal symbiotische Dalytyphloplanida riep een aantal vragen op in verband met de oorsprong van commensalisme en de uiteindelijke overgang naar parasitisme bij vrijlevende platwormen. In deze studie wordt geprobeerd een antwoord te voorzien op bovenstaande vragen door de fylogenie van de Dalytyphloplanida verder uit te werken met meer taxa en een bijkomende moleculaire merker. Gedurende het verloop van dit werk werden Dalytyphloplanida bemonsterd in nagenoeg alle belangrijke zoögeografische regio’s (Palearctische, Nearctische, Afrotropische, Neotropische, Orientaalse, Australische, Pacifische). Veel van de verzamelde taxa bleken nieuw te zijn voor de wetenschap en een aantal werden bijgevolg formeel beschreven in vijf !-taxonomische werken: (1) een overzicht van de mariene Rhabdocoela van Uruguay, inclusief de beschrijving van twee nieuwe genera en zes nieuwe soorten, (2) de beschrijving en ecologie van een nieuwe limnoterrestrische vertegenwoordiger van de Protoplanellinae uit Alabama (USA), (3) een overzicht van de Dalytyphloplanida van Andalusië (Spanje), met de beschrijving van vier nieuwe soorten, (4) de beschrijving van één nieuw genus en één nieuwe soort Dalyelliidae, alsook een overzicht van andere vertegenwoordigers van dit taxon verzameld in Ontario (Canada), en Michigan en Alabama (USA), (5) de oprichting van een nieuwe soortengroep, de “Falcatae”, binnen het genus Gieysztoria (Dalyelliidae) gebaseerd op een vergelijkende morfologische studie en de beschrijving van vijf nieuwe soorten uit India, Zuid-Afrika en Australië. Na DNA extractie, amplificatie en sequenering werden ribosomale DNA datasets van een groot aantal Dalytyphloplanida sequenties (156 18S rDNA en 125 partieel 28S rDNA) gealigneerd en geanalyseerd, zowel als individuele genen als in een geconcatineerde dataset, met maximum likelihood en Bayesiaanse fylogenetische methoden. Twee Kalyptorhynchia werden gebruikt als outgroup. De voorheen gedefinieerde Dalytyphloplanida clades, i.e. Neotyphloplanida, Neodalyellida en Thalassotyphloplanida, worden bevestigd in onze topologiën als monofyletische clades. Een groot aantal traditionele, nietkalyptorhynche Rhabdocoela families blijken niet monofyletisch te zijn (Trigonostomidae, Promesostomidae, Byrsophlebidae, Typhloplanidae, Dalyelliidae, Provorticidae, Graffillidae). Bijkomend werden een aantal alternatieve hypotheses waarbij een aantal van de traditionele families als monofyletisch werden gefixeerd en getest ten opzichte van de werkelijke fylogenie (ongefixeerd), met behulp van de approximately unbiased test statistisch verworpen. De Kytorynchidae zijn naar alle waarschijnlijkheid basale Thalassotyphloplanida. Onze fylogeniën tonen aan dat Dalytyphloplanida een mariene oorsprong hebben, maar in staat zijn gebleken nagenoeg alle zoetwater- en limnoterrestrische habitats te koloniseren na de invasie van een Neotyphloplanida voorouder uit het mariene milieu. De 18S en gecombineerde fylogeniën ondersteunen duidelijk het bestaan van een grote, soortenrijke, monofyletische zoetwaterclade, Limnotyphloplanida n.c., die alle Dalyelliidae, Temnocephalida en de meeste Typhloplanidae omvat. Bovendien kunnen de Temnocephalida beschouwd worden als ectosymbiotische Dalyelliidae aangezien ze volledig binnen deze groep vallen. Een aantal Thalassotyphloplanida en Neodalyellida worden ook aangetroffen in zoetwatermilieus. Dit suggereert een aantal bijkomende, zij het sporadische, invasies van het zoetwater die niet gevolgd werden door spectaculaire speciaties zoals bij de Limnotyphloplanida. Een secundaire terugkeer naar brakwater en mariene milieus komt relatief frequent voor binnen de Dalyelliidae en Typhloplanidae. De verspreide fylogenetische posities van sommige symbiotische taxa (Umagillidae, Pterastericolidae, Graffillidae, Temnocephalida) bevestigen dat commensale en parasitaire levenswijzen eveneens verschillende keren onafhankelijk van elkaar zijn ontstaan binnen de Dalytyphloplanida. De hierboven vermelde resultaten worden uitgebreid bediscussieerd in een ecologische en taxonomische context. Deze resultaten roepen natuurlijk ongetwijfeld heel wat nieuwe vragen op wat betreft de evolutionaire geschiedenis van deze groep. Ter afsluiting worden een aantal toekomstige overwegingen en mogelijke onderzoekstopics kort opgelijst en besproken.