Phylogeny of Echiura (Annelida, Polychaeta) inferred from morphological and molecular data-implications for character evolution

Abstract

Contrary to echiuran monophyly, which is unambiguously supported by several autapomorphies, echiuran phylogenetic intra-relationships are still unknown to date. In order to contribute to a clarification this thesis investigates the phylogenetic relationships of all high-ranking subgroups using morphological and molecular phylogenetic analyses. In order to enlarge the morphological dataset, two traditional diagnostic character complexes were studied comparatively on the basis of light and scanning electron microscopy as well as histological investigations (anal sacs: seven species, gonostomal lips: five species). For one species (<i>Thalassema thalassemum</i>, Thalassematidae) the ultrastructure of the anal sacs including their funnels was studied. In addition, the ultrastructure of spermatozoa was investigated in two species, each assigned to one subgroup. The ultrastructure of the larval protonephridia was made accessible for <i>T. thalassemum</i>. After a critical evaluation of the relevant states, potentially phylogenetic informative characters were compiled within a data matrix. The data matrix was complemented by literature data for missing representatives of all subgroups and additional diagnostic characters from literature. In total, a cladistic analysis was conducted using 47 morphological characters. A molecular phylogeny (18S rDNA + 16S rRNA + MT-CO1) was established on the basis of 16 new gene sequences together with already published data from Genbank. Regardless of the method used, all analyses recover a resolution that opposes to the traditional classification and to previous phylogenetic hypotheses. Favoured morphological and molecular tree are congruent in identifying two major clades, hitherto referred to as <i>Bonellia</i>-group and <i>Urechis</i>-group, as well as a basal resolution of some traditional thalassematid taxa (i.e., Arhynchite pugettensis). The <i>Bonellia</i>-group includes monophyletic traditional Ikedaidae within paraphyletic traditional Bonelliidae. Monophyly of the <i>Bonellia</i>-group is well supported by the molecular tree. The <i>Urechis</i>-group is highly supported by both analyses and incorporates traditional Echiuridae + Urechidae. Traditional Urechidae are recovered as a clade. Due to the molecular tree a sister group relationship of <i>Bonellia</i>- and <i>Urechis</i>-group is well supported. The favoured morphological tree in contrast supports a sister group relationship of <i>Bonellia</i>-group and the remaining echiurans (Arhynchite pugettensis excluded). However, thus far no morphological characters are known that could sustain any of the two sister group hypotheses. The main difference between morphological and molecular tree concern the resolution of “Thalassematidae”: they either form a paraphyletic assemblage to the remaining echiurans (favoured by molecular sequences), or they are polyphyletic, with Arhynchite pugettensis as basalmost offshoot within Echiura (favoured by morphology). In the latter case the remaining thalassematids are resolved as paraphyletic assemblage with respect to the <i>Urechis</i>-group. Subsequently, a final conclusion is not possible so far, because neither the analyzed sequence data, nor the enlarged morphological dataset provide an apomorphy for “Thalassematidae”.

<strong>Phylogenie der Echiura (Annelida, Polychaeta) auf der Basis von morphologischen und molekularen Daten-Implikationen für die Merkmalsevolution ausgewählter Merkmalskomplexe</strong> <br /> Während die Monophylie der Echiura aufgrund einer Reihe von Autapomorphien sicher begründet ist, sind die phylogenetischen Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Echiura bisher ungeklärt. In der vorliegenden Dissertation werden die phylogenetischen Verwandtschaftsbeziehungen aller hochrangigen Teilgruppen der Echiura mittels morphologischer und molekularer Stammbaumanalysen untersucht. Dazu wurden zwei traditionell genutzte diagnostische Merkmalskomplexe für Vertreter der meisten hochrangigen Teilgruppen anhand von licht- und rasterelektronenmikroskopischer sowie histologischer Methoden vergleichend untersucht (Analsäcke: sieben Arten, gonostomale Lippen: fünf Arten). Für eine Art (<i>Thalassema thalassemum</i>, Thalassematidae) wurde die Ultrastruktur der Analsäcke inklusive Trichter untersucht. Desweiteren wurden neue Merkmalskomplexe erschlossen: die Spermienultrastruktur für je einen Vertreter zweier hochrangiger Teilgruppen und die Ultrastruktur der larvalen Protonephridien bei <i>T. thalassemum</i>. Die Auswertung der Ergebnisse führte zu der Zusammenfassung potentiell phylogenetisch informativer Merkmale in einer Merkmalsmatrix. Für fehlende Teilgruppen und weitere diagnostische Merkmale wurde die Matrix mit bereits publizierten Daten ergänzt. Die kladistische Analyse der morphologischen Daten umfasste insgesamt 47 Merkmale. Durch die erfolgreiche Sequenzierung von 16 neuen DNA-Sequenzen konnte ein molekularer Stammbaum (MT-CO1 + 16S rRNA + 18S rDNA) erstellt werden. Die molekularen Datensätze und der favorisierte Baum der morphologischen Analyse unterstützen übereinstimmend eine Auflösung die den traditionellen Klassifikationen und Verwandtschaftshypothesen widersprechen. Im Ergebnis beider Analysen werden zwei große monophyletische Gruppen unterstützt, die hier als <i>Bonellia</i>-Gruppe und <i>Urechis</i>-Gruppe bezeichnet werden. Außerdem werden manche traditionelle thalassematide Arten basal aufgelöst (i.e., Arhynchite pugettensis). Die <i>Bonellia</i>-Gruppe besteht aus paraphyletischen traditionellen Bonelliidae und monophyletischen traditionellen Ikedaidae. Die Monophylie der <i>Bonellia</i>-Gruppe ist molekular gut unterstützt. Die <i>Urechis</i>-Gruppe wird durch beide Analysen stark unterstützt und beinhaltet die traditionellen Taxa Echiuridae und Urechidae. Basierend auf der molekularen Analyse wird eine Schwestergruppen Beziehung von <i>Bonellia</i>- und <i>Urechis</i>-Gruppe gut unterstützt. Dagegen unterstützt der favorisierte morphologische Baum schwach eine Schwestergruppenbeziehung von <i>Bonellia</i>-Gruppe und den verbleibenden Echiuren (ohne Arhynchite pugettensis). Morphologische Synapomorphien für beide Hypothesen sind nicht bekannt. Der Hauptunterschied zwischen den Bäumen besteht in der Auflösung der „Thalassematidae“ als Abstammungsgemeinschaft. Diese sind entweder paraphyletisch als Schwestergruppe zu allen anderen Echiuren (molekulare Analyse), oder polyphyletisch mit Arhynchite pugettensis als Schwestergruppe zu allen anderen Echiuren (morphologische Analyse). Die restlichen thalassematiden Arten clustern im favorisierten morphologischen Baum als paraphyletische Gruppierung mit der <i>Urechis</i>-Gruppe. Beide Analysen lassen keinen eindeutigen Schluss über die Stellung der „Thalassematidae“ innerhalb der Echiura zu, da weder die erhobenen Sequenzdaten noch der morphologisch erweiterte Datensatz eine Apomorphie der Gruppe liefert.