Studies on neoteny in Coleoptera: phylogenomics, classification, and evolutionary interactions

Mgr. Dominik KUSÝ

Doctoral thesis

Abstract:

Brouci vděčí za svůj evoluční úspěch metamorfóze. Nicméně jejich vzájemné vztahy zůstávají kontroverzní, což brzdí pokrok ve výzkumu evoluce jejich rozmanitých fenotypů. Elateriformní brouci, kteří zahrnují skupiny známé jako krasci, světlušky, páteříčci, kovaříci a jejich příbuzné, patřící mezi nejhlubší větve tzv. "core" Polyphaga (Coleoptera), skupinu tvoří 31 recentních čeledí a přibližně 43 000 druhů. Tito brouci vykazují značnou morfologickou a ekologickou diverzitu. Avšak právě jejich ekologická i morfologická rozmanitost vedly k nestabilní klasifikaci. Tato disertační práce se zabývá evolucí linií měkkotělých brouků s důrazem na jejich fylogenetické vztahy, časovou dynamiku a vznik modifikovaných linií. V osmi komplexních studiích zahrnujících pokročilé fylogenomické metody, sekvenování nové generace, molekulární systematiku a morfologii, jsem se snažil vyřešit evoluční vztahy studovaných skupin. Tyto studie zkoumaly evoluci brouků s využitím různých zdrojů dat, jako jsou mitogenomy, nukleární geny či transkriptomy. Zabýval jsem se základními otázkami příbuznosti a zdůraznil efektivitu molekulárních technik v odhalování složitých fylogenetických vztahů a možných nekonzistencí. Hlavním cílem této studie je objasnit vyšší fylogenezi a fylogenetické umístění záhadných neotenických linií brouků uvnitř Elateriformia. Molekulární analýzy byly použity k určení taxonomické příslušnosti rodů Paulusiella, Analastesa a Thylodrias. Tyto analýzy vedly k přehodnocení tradičních metod klasifikace kvůli paralelním modifikacím morfologických znaků u těchto druhů. To ukazuje na nedostatečný taxonomický signál morfologických znaků pro přesné určení evolučních vztahů uvnitř linií měkkotělých brouků. Další studie se zabývá pozicí čeledi Sinopyrophoridae. Tato práce poskytuje nové pohledy na vztahy linií v elateroid-lampyroidním kládu a ukazuje, že jejich předek byl ve skutečnosti brouk podobný kovaříkům. Dále jsem se věnoval vyřešením vnitřní klasifikace čeledí Elateridae, Cantharidae, Lycidae a Dermestidae s využitím různých molekulárních datových sad. Mimo to se mé studie soustředily na evoluci životních strategií, bioluminiscenci a mimikry. A jejich vliv na diverzifikaci a evoluční úspěch studovaných skupin v čase. Využitím molekulárních technik a interdisciplinárních přístupů jsem snad přispěl k našemu chápání evoluce brouků s "měkkým tělem" a přispěl k širší diskusi o biodiverzitě, adaptaci a evoluční biologii.

Abstract:

Beetles owe their evolutionary success to metamorphosis. However, their relationships remain controversial, hindering progress in understanding the evolution of different beetle phenotypes. Elateriformia, which includes jewel beetles, pill beetles, fireflies, click beetles, and their relatives, are members of the deepest branch of the "core" Polyphaga (Coleoptera), containing 31 extant families and approximately 43,000 species. These beetles exhibit considerable morphological and ecological diversity. However, their characteristics have led to an unstable classification. This dissertation investigates the evolution of soft-bodied beetle lineages, focusing on their phylogenetic relationships, temporal dynamics, and the emergence of modified lineages. With eight comprehensive studies, state-of-the-art phylogenomic methods, next-generation sequencing, molecular systematics, and morphology, I aimed to unravel the evolutionary relationships of the studied lineages. The included studies investigated beetle evolution using different data sources such as mitogenomes, nuclear genes, and transcriptomes. I addressed fundamental questions and highlighted the effectiveness of molecular techniques in revealing complex phylogenetic relationships while addressing the possible incongruences and challenges when resolving deep splits. The primary objective of this study is to clarify the higher phylogeny and phylogenetic placement of enigmatic neotenic soft-bodied lineages within the beetles, especially within Elateriformia. For example, molecular analyses were used to determine the taxonomic affiliations of Paulusiella, Analastesa, and Thylodrias. These analyses challenged conventional classification methods due to the altered morphologies of these species. This highlights the inadequacy of relying solely on morphological characters to accurately infer evolutionary relationships within soft-bodied beetle lineages. Additionally, my research reveals the position of the family Sinopyrophoridae, providing novel insights into the relationships of lineages in elateroid-lampyroid clade and showing that their ancestor was, in fact, a hard-bodied elaterid-like beetle. Moreover, I address the uncertainty surrounding the internal classification of Elateridae, Cantharidae, Lycidae, and Dermestidae by utilizing various molecular datasets. In addition, my research focuses on the evolutionary basis of life history traits, bioluminescence, and mimicry. Studying the genetic basis and ecological implications of these traits elucidates the adaptive significance of evolutionary innovations and provides a comprehensive picture of beetle diversification through time. By harnessing the power of molecular techniques and interdisciplinary approaches, I have advanced our understanding of the evolution of soft-bodied beetles and contributed to the broader discourse on biodiversity, adaptation, and evolutionary biology.

Keywords

Fylogenomika, evoluce, Coleoptera, Elateriformia, Dermestidae, Lycidae, Elateridae, Cantharidae, neotenie, systematika, ontogenetické modifikace, molekularní datování, bioluminescence, mimikry

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 3. 2024

Thesis defence

• Supervisor: prof. Ing. Ladislav Bocák, Ph.D., prof. Ing. Ladislav Bocák, Ph.D.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Zoology / Zoology