Deep evolutionary relationships of Monogenea: a window on how parasitic flatworms colonized vertebrate hosts

Abstract

Neodermata is a super-class of flatworms, the members of which are exclusively parasitic. Neodermatans are characterized by a syncytial tegument, a specialized outer layer that facilitates nutrient absorption and evasion of host immune responses. This tegument represents key innovation to the parasitic lifestyle which has resulted in the subsequent radiation of neodermatans into thousands of diverse forms across the classes Monogenea, Cestoda and Trematoda. Members of the latter two classes are primarily endoparasitic with some posing a direct threat to human health. Contrary to this, monogeneans are primarily, although by no means universally, ecto-parasites of fish and as such have received somewhat less attention from the research community than cestodes and trematodes. This thesis consists of a general introduction to the topic of parasitism and its evolutionary significance, as well as a basic biology of flatworms and the three component classes of Neodermata. This is followed by three stand-alone chapters. The first of these deals with a single monogenean species, Sphyranura euryceae Hughes & Moore, 1943 a polystomatid parasite of the Oklahoma salamander (Eurycea tynerensis Moore & Hughes, 1939). Here, we provided an amended diagnosis of Sphyranura, generated the first molecular data for S. euryceae in the form of a mitochondrial genome and nuclear (18S, 28S rRNA) markers. We further inferred the phylogeny of Polystomatidae, a family of monogeneans, the members of which primarily infect aquatic and semi-aquatic tetrapods. Although the phylogenetic reconstruction supports Sphyranura as early branching in the lineage of polystomatid monogeneans infecting batrachians, certain nodes remain unresolved. This chapter was published in the journal “Parasite” in the summer of 2023 with the DOI:10.1051/parasite/2023025. Chapter 2 introduces MitoComp, an original mitochondrial genome assembly pipeline with the aim of providing a flexible, user-friendly, platform independent approach to producing assemblies from short read data. Subsequent annotation, visualisation and comparison of successful assemblies allows users to then pick the best assembly. MitoComp is freely available and distributed via GitHub at https://github.com/SamLMG/MitoComp. This chapter is currently in the advanced stages of preparation for submission to the journal “Methods in Evolution and Ecology”. Chapter 3 aims to resolve the deep phylogenetic relationships within Neodermata. This was addressed through phylogenetic inference of mitochondrial protein coding genes from 114 taxa. Mitochondrial genomes used in this analysis include publicly available resources from GenBank as well as 25 samples which were newly assembled and annotated via MitoComp, hence providing a solid use case of MitoComp’s capabilities and applicability to phylogenetic workflows. We employed six combinations of trimming, model selection and tree-building algorithms to infer the phylogeny of Neodermata. All phylogenies support Monogenea as paraphyletic, with a split between Polyopisthocotylea and a group consisting of Monopisthocotylea, Trematoda and Cestoda. However, the relationships between these latter three groups could not be consistently resolved between treebuilding methodologies. In an effort to ease readability of this thesis and maintain the standalone nature of each chapter, figures and tables in this thesis are numbered according to the chapter they appear in. Hence the first figure in the introduction is labelled Figure I.1., likewise the first figure in Chapter 1 is labelled Figure 1.1. Further to this end, taxon names are written in full, and an authority is given once per chapter.

Neodermata ist eine Überklasse von Plattwürmern, deren Mitglieder ausschließlich parasitisch leben. Neodermata zeichnen sich durch ein synzytiales Tegument aus, eine spezialisierte äußere Schicht, die die Nährstoffaufnahme und die Umgehung von Immunreaktionen des Wirts erleichtert. Dieses Tegument stellt eine Schlüsselinnovation der parasitären Lebensweise dar, die zur anschließenden Ausstrahlung von Neodermatanen in Tausende verschiedener Formen in den Klassen Monogenea, Cestoda und Trematoda geführt hat. Die Mitglieder der beiden letztgenannten Klassen sind hauptsächlich Endoparasiten, von denen einige eine direkte Gefahr für die menschliche Gesundheit darstellen. Im Gegensatz dazu sind Monogenea hauptsächlich, aber nicht ausschließlich, Ektoparasiten von Fischen und haben als solche etwas weniger Aufmerksamkeit von der Forschung erhalten als Cestoda und Trematoda. Diese Doktorarbeit besteht aus einer allgemeinen Einführung in das Thema Parasitismus und seine evolutionäre Bedeutung sowie einer grundlegenden Biologie der Plattwürmer und der drei Teilklassen der Neodermata. Daran schließen sich drei eigenständige Kapitel an. Das erste dieser Kapitel befasst sich mit einer einzigen monogenen Art, Sphyranura euryceae Hughes & Moore, 1943, einem polystomatiden Parasiten des Oklahoma-Salamanders (Eurycea tynerensis Moore & Hughes, 1939). Hier haben wir eine geänderte Diagnose von Sphyranura vorgelegt und die ersten molekularen Daten für S. euryceae in Form eines mitochondrialen Genoms und nuklearer (18S, 28S rRNA) Marker erstellt. Darüber hinaus haben wir die Phylogenie der Polystomatidae abgeleitet, einer Familie von Monogenen, deren Mitglieder hauptsächlich aquatische und semiaquatische Tetrapoden infizieren. Obwohl die phylogenetische Rekonstruktion Sphyranura als frühen Split im Stammbaum der Polystomatidae-Monogeneen, die Batrachiden infizieren, unterstützt, können einige Knoten im Stammbaum nicht aufgelöst werden. Dieses Kapitel wurde in der Zeitschrift "Parasite" im Sommer 2023 mit dem DOI:10.1051/parasite/2023025 veröffentlicht. In Kapitel 2 wird MitoComp vorgestellt. MitoComp ist eine originelle Pipeline für die Zusammenstellung mitochondrialer Genome mit dem Ziel, einen flexiblen, benutzerfreundlichen und plattformunabhängigen Ansatz für die Erstellung von Zusammenstellungen aus Short-Read-Daten zu bieten. Die anschließende Annotation, Visualisierung und der Vergleich erfolgreicher Zusammenstellungen ermöglicht es den Benutzer, die beste Kandidaten auszuwählen. MitoComp ist frei verfügbar auf GitHub unter https://github.com/SamLMG/MitoComp. Dieses Kapitel befindet sich derzeit in einer fortgeschrittenen Phase der Vorbereitung für die Einreichung bei der Zeitschrift "Methods in Evolution and Ecology". Kapitel 3 zielt darauf ab, die tiefen phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Neodermata zu klären. Dies basierte auf phylogenetischen Analysen der mitochondrialen proteincodierende Gene von 114 Taxa. Die in dieser Analyse verwendeten mitochondrialen Genome inkludieren frei über GenBank verfügbare Daten, sowie Mitogenome von 25 Proben, die mit Hilfe von MitoComp neu assembliert und annotiert wurden und somit einen soliden Anwendungsfall für die Fähigkeiten und die Anwendbarkeit von MitoComp in phylogenetischen Arbeitsabläufen darstellen. Wir verwendeten sechs Kombinationen von Trimming-, Modellauswahl- und Baumerstellungsalgorithmen, für die phylogenetische Analyse der Neodermata. Alle Phylogenien stützen die Monogenea als paraphyletisch, mit einer Aufspaltung zwischen Polyopisthocotylea und einer Gruppe, die aus Monopisthocotylea, Trematoda und Cestoda besteht. Die Beziehungen zwischen den drei letztgenannten Gruppen konnten jedoch nicht eindeutig geklärt werden. Um die Lesbarkeit dieser Doktorarbeit zu erleichtern und die Eigenständigkeit der einzelnen Kapitel zu wahren, sind die Abbildungen und Tabellen in dieser Arbeit entsprechend dem Kapitel, in dem sie erscheinen, nummeriert. So ist die erste Abbildung in der Einleitung mit Abbildung I.1. gekennzeichnet, ebenso die erste Abbildung in Kapitel 1 mit Abbildung 1.1. Außerdem werden die Namen der Taxa vollständig ausgeschrieben, und pro Kapitel wird einmal eine Autorität angegeben.