Genetic Diversity and Cryptic Speciation in Planktonic Foraminiferal Morphotaxa

Abstract

Die rezenten Vertreter planktonischer Foraminiferen werden anhand morphologischer Merkmale ihrer kalzitischen Schale in etwa 40-50 Arten unterteilt. Abstammung und Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der planktonischen Foraminiferen sind durch den außergewöhnlich umfangreichen Fossilbefund dieser Protistengruppe sehr gut untersucht. Anhand molekulargenetischer Untersuchungen des Gens, welches für die RNA der 30S Untereinheit des Ribosoms kodiert (die small subunit ribosomal DNA, kurz SSU rDNA), konnten die phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse moderner Foraminiferen in weiten Teilen bestätigt werden. Das untersuchte Fragment der SSU rDNA stellt ein Mosaik aus konservativen, variablen und hochvariablen Sequenzbereichen dar. Die phylogenetische Information aus den konservierten Regionen zeigt eine gute bis sehr gute Übereinstimmung mit den, aus dem Fossilbefund abgeleiteten, verwandtschaftlichen Beziehungen innerhalb der einzelnen Großgruppen (Spinose, Makroperforate und Mikroperforate non-spinose), wie auch in der Mehrzahl der rezenten Arten untereinander. Anhand der variablen und hochvariablen Bereiche wiederum lassen sich innerhalb verschiedener Morphospezies wenige bis mehrere Genotypen voneinander unterscheiden.Wie bei vielen anderen rein morphologisch beschriebenen Arten auch, finden sich mit den Methoden der molekularen Genetik eine hohe Anzahl genetisch distinkter aber morphologisch identischer (oder nahezu identischer) Typen. Aufgrund der sehr langsamen Evolutionsrate der SSU rDNA liegt die Vermutung nahe, dass es sich bei diesen genetischen Typen um eigenständige, "kryptische" Arten handelt. Ziel der vorliegenden Dissertation war es, anhand neuer SSU rDNA Sequenzen die Phylogenie der planktonischen Foraminiferen zu erweitern, die genetische Diversität in ausgewählten Arten zu untersuchen und deren geographische und jahreszeitliche Verteilung aufzunehmen. Mit den Resultaten dieser Untersuchungen soll die Grundlage für eine morphometrisch quantifizierbare Unterscheidung verschiedener Genotypen innerhalb einer Morphospezies erarbeitet werden.

Die Verwendung automatisierter multipler Alignments für die Rekonstruktion der verwandtschaftlichen Verhältnisse planktonischer Foraminiferen ermöglicht eine vollständige Reproduzierbarkeit der Ergebnisse. Die Resultate dieser Methode sind vergleichbar mit der traditioneller manueller Alignments; im Gegensatz zu letzteren sind diese aber vollständig objektiv und unter deutlich geringerem Zeitaufwand erstellbar. Die Methode der multiplen Alignments ist damit eine wichtige Vorrausetzung für eine kontinuierlich und objektiv erweiterbare Phylogenie der planktonischen Foraminiferen, vor allem in Bezug auf die Erkennung und Klassifizierung neuer SSU rDNA Genotypen.

Die Diversität, Häufigkeit und Verbreitung von SSU rDNA Genotypen der spinosen Art Globigerinoides ruber wurde im östlichen Atlantischen Ozean und im Mittelmeer untersucht. Die Verteilung der fünf gefundenen Genotypen (Pink, Ia, IIa1, IIa2, IIb) zeigt sowohl saisonale als auch geographische Unterschiede in der relativen Häufigkeit der einzelnen genetischen Typen. Ein hier erstmals beschriebener Genotyp (IIb) scheint nach diesen Ergebnissen im Mittelmeer endemisch zu sein. Zwei sehr nah verwandte Genotypen, IIa1 und IIa2, die im Kanarenstrom zusammen vorkamen, zeigten im Mittelmeer eine strikte Trennung auf je eines der beiden Hauptbecken. Die zeitliche und räumliche Verteilung der Genotypen in G. ruber deutet darauf hin, dass genetische Schwester-Typen um eine ökologische Nische konkurrieren und sich in stabilen Habitaten ausschließen.

Anhand des digitalen Bildmaterials der Schalen von G. ruber konnten erstmals direkte morphometrische Vergleichsmessungen zwischen Genotypen dieser Art ausgeführt werden. Im Abgleich mit Messdaten an Schalen aus rezenten Sedimenten, Museen und der neueren Literatur wurde der Grad der Kompression in der letzten und vorletzten Kammer untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass sich bereits anhand dieser zwei Faktoren die Gruppen von G. ruber im engeren Sinne und G. ruber im weiteren Sinne voneinander unterscheiden lassen. Eine Kombination von Molekularer Uhr und den Erkenntnissen aus dem fossilen Befund unterstützt die Ergebnisse der morphometrischen Analysen. Die Art Globigerinoides ruber enthält demnach mindestens zwei differenzierte Arten, von denen eine mit der morphologischen Definition der Art Globigerinoides elongatus übereinstimmt.

Zusammenfassend sind die Erkenntnisse über die genetische Diversität in Globigerinoides ruber ein deutlicher Hinweis dafür, dass das morphologische Artkonzept in planktonischen Foraminiferen auf dem Niveau der biologischen Art in weiten Teilen nicht ausreichend präzise ist.

Modern planktonic foraminifera comprise 40-50 species that are defined by morphologic characters of their calcite shells. Due to their exceptionally good fossil record, the phylogenetic relationships in this group are well established. From the analyses of a gene fragment coding for the RNA of the ribosomal small subunit (the SSU rDNA), most of the fossil phylogeny was confirmed, but incomplete taxonomic sampling and large differences in the rate of molecular evolution leave several key evolutionary events unresolved. Further, within several morphospecies, up to seven distinct SSU rDNA genotypes were found. These morphologically inseparable but genetically clearly diverged genetic types are thought to represent cryptic species. The aims of this dissertation were i) to augment the SSU rDNA based phylogeny of planktonic foraminifera with new genetic data and new computational methods, ii) to analyse the genetic diversity in selected species and their geographical and seasonal distribution and iii) to evaluate possible correlations between distinct genotypes and certain phenotypes reported whitin morphospecies.

Traditionally, alignments of planktonic foraminiferal SSU rDNA sequences are manually checked for nucleotide homology and sites where this homology be established discarded. In a new approach tested within this thesis, phylogenetic reconstructions on the basis of unreduced, automated alignments were shown to resolve the phylogeny of this group equally good or even better than manually culled alignments. The multiple alignment approach generates multiple alternative phylogenetic topologies in a time-efficient and objective manner. The topologies from these automated alignments are fully reproducible and represent an important step towards the application of SSU rDNA sequences in a genetic taxonomy of planktonic foraminifera.

In the morphospecies Globigerinoides ruber, the diversity, abundance and distribution of five SSU rDNA genotypes in individuals from the Northeast Atlantic Ocean and Mediterranean Sea has been monitored. A newly described genotype (IIb) was found to be endemic in the Mediterranean Sea. Individuals of G. ruber pink corresponded to a single genetic type, namely Type Pink. Two genetic subtypes, IIa1 and IIa2 co-occurred in the Canary Current, yet each of the types was found exclusively in one of the Mediterranean basins. The spatial and temporal distribution of the genotypes of G. ruber indicate that closely related genotypes compete for very similar niches and that niche-partitioning between these genotypes under stable habitat conditions results in a pattern of mutual exclusion.

In a bid to understand the link between the genetic diversity in G. ruber and the morphological variability within this species, morphological characters of shells from genotyped individuals, recent sediments, museum collections and the recent literature have been compared. The statistical analysis of these morphometric data shows that the degree of compression of the ultimate and penultimate chambers can be used to separate the genotypes IIa, Pink and Ib from each other phenotypically. The same degree of morphometric divergence was found between individuals of G. ruber and those identified in the past as G. elongatus from museum material. In combination with results from molecular clocks based on multiple assumptions of divergence dates from the fossil record, our data strongly suggest that the definition of G. ruber as it is used today comprises at least 3 different extant species and an extinct lineage in the early to middle Miocene. One of the extant species, represented by the genetic type IIa, corresponds to the species definition of G. elongatus.