Polyfázický přístup ke studiu diverzity rozsivek

Mgr. Jan KOLLÁR

Doctoral thesis

Polyphasic approach in study of diatom diversity

Abstract:

Rozsivky jsou jednou z druhově nejbohatších skupin řas. Jako skupina jsou kosmopolitní a adaptovány na život téměř ve všech vodních a mnohých terestrických habitatech. Využití nacházejí v mnoha odvětvích základního (např. biodiverzita, evoluční biologie, ekologie, paleolimnologie) i aplikovaného výzkumu (nebo přímo jeho aplikacích; např. biomonitoring, biotechnologie, nanotechnologie). Pro mnohá z nich je klíčové pracovat se správným taxonomickým určením, které odráží evoluci daných evolučních linií. V této souvislosti je jedním z nejvážnějších problémů současných diatomologů tzv. kryptická a pseudokryptická druhová diverzita. V posledních desetiletích se ukazuje že mnohé tradičně popsané rozsivkové druhy jsou ve skutečnosti komplexy několika (pseudo)kryptických druhů. Několik z předpokládaných (pseudo)kryptických druhových komplexů obsahuje i rod Pinnularia. Jedním z nich je tzv. skupina P. gibba. V této disertační práci jsem shromáždil dataset 105 kmenů skupiny P. gibba a polyfázicky v něm druhy delimitoval. Primární (tj. na DNA založená) delimitace druhů s využitím dvou genetických markerů a tří auto-matizovaných molekulárně-delimitačních metod odhalila, že dataset pokryl 15 druhů skupiny P. gibba. Sekundární delimitace pak spočívala v konfrontaci této primární hypotézy s veškerými morfologickými, geografickými, environmentálními a reprodukčními daty dostupnými k daným kmenům. Finální hypotézou je, že dataset skutečně zahrnuje 15 druhů. Většina z nich je (pseudo)kryptická a vykazuje omezené geografické rozšíření. Po přidání dalšího genetického markeru a dat z fosilního záznamu jsem dále zkonstruoval časově kalibrovaný evoluční strom. Ten dále umožnil formulaci a (v některých případech i) statistické testování evolučních či biogografickcých hypotéz. Mimo jiné byl v různých částech stromu objeven signifikantní rozdíl v buněčné velikosti daných druhů, který je nejlépe vysvětlitelný evolučním původem. Bylo též zjištěno, že genetické markery navržené pro DNA barkóding rozsivek (rbcL a SSU rDNA) dokážou jednoznačně rozlišit i (pseudo)kryptické sesterské druhy studované skupiny. V této práci byla zahájena i taxonomická revize skupiny a to popisem jednoho z delimitovaných druhů jako P. lacustrigibba sp. nov. Tato disertační práce dále vedla k vývoji nového probabilistického modelu speciace, který by snad v budoucnu mohl posloužit jako teoretický základ k vývoji nových probabilistických delimitačních metod, které by teoreticky mohly být aplikovatelné nejen na mladé druhy (z nichž mnohé mohou být kryptické), ale dokonce i na většinu asexuálních linií.

Abstract:

Diatoms are one of the most species-rich groups of algae. As a group, they are cosmopolitan and adapted to almost all aquatic and some terrestrial habitats. Consequently, they are of great significance not only to fundamental research in the fields of biodiversity, evolutionary biology, ecology, and paleolimnology, but also for applied disciplines such as biomonitoring, biotechnology, and nanotechnology. For many of them, it is key to use correct taxonomic identifications which reflect an evolutionary history of the lineages in question. In this regard, one of the most serious challenges faced by contemporary diatomologists is the problem of cryptic and pseudocryptic species diversity. In the light shed by new technologies and approaches, many traditionally described diatom species appeared to be (pseudo)cryptic species complexes rather than single species. Several presumed species complexes are included in the genus Pinnularia, the P. gibba group among them. In this dissertation, I have gathered a data set of 105 P. gibba group strains with worldwide origin and used it to delimit species by means of a polyphasic approach. The primary (i.e., DNA-based) species delimitation based on two genetic markers and three automatized species delimitation methods revealed that the data set covered 15 species of the group. The secondary species delimitation rested in confrontation of this primary hypothesis with other available lines of evidence, namely with morphological, geographic, environmental and/or reproductive data. I conclude that the data set indeed covered 15 species many of which are (pseudo)cryptic with limited geographic distributions. An addition of more conserved genetic marker along with the fossil data allowed for an inference of time-calibrated phylogeny. The phylogeny further allowed for formulation and (in same cases) statistical testing of some evolutionary and biogeographic hypotheses. For example, significant difference in cell-size was detected in different parts of the tree and the difference is currently best explained by an evolutionary origin. Concerning the identification of the delimited species, proposed diatom DNA barcode markers in rbcL and SSU rDNA can unambiguously distinguish even between (pseudo)cryptic sister species of the group. Furthermore, the taxonomic review of the group was initiated by formal description of one of the delimited species as P. lacustrigibba sp. nov. Finally, the dissertation led to a development of a novel probabilistic model of speciation which, perhaps, may form a theoretical basis for future development of a new kind of probabilistic species delimitation methods applicable even to incipient species (many of which are presumably cryptic) and most of the asexual lineages.

Keywords

biogeografie, cox1, druh, kryptická druhová diverzita, LSU rDNA, morfologie, Pinnularia, polyfazická systematika, rbcL, SSU rDNA, taxonomie

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 11. 8. 2020

Thesis defence

• Supervisor: prof. RNDr. Aloisie Poulíčková, CSc., prof. RNDr. Aloisie Poulíčková, CSc.

Palacký University Olomouc

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Biology / Botany