Integrative taxonomy of decapod crustaceans with traditional and modern methods

Meyer, Roland (2014): Integrative taxonomy of decapod crustaceans with traditional and modern methods. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

Die als Zehnfußkrebse oder auch als Decapoda bezeichneten Arthropoden sind eine weltweit verbreitete, zum Teil hoch spezialisierte und vielseitig angepasste Gruppe, die in fast allen aquatischen Ökosystemen, aber auch in terrestrischen Habitaten zu finden ist. Die enorme Artenzahl von 17,635 rezent und fossil bekannten Arten (De Grave et al., 2009) sowie das hohe Alter der Gruppe an sich erschwert die systematische Eingliederung einzelner Arten. Fossile Funde von Dekapoden wurden bis ins Devon (vor 415 bis 359,2 Millionen Jahren) datiert (Schram et al., 1978). Damit haben die rezenten Vertreter viele Millionen Jahre Evolution durchlaufen und die Ergebnisse dieses langwierigen Prozesses schlagen sich in einer hohen morphologischen Vielfalt zwischen den Arten nieder. Um eine zuverlässige Phylogenie aufstellen und Arten eindeutig charakterisieren zu können sind neue Merkmale, Methoden und Ansätze erforderlich. Eine zuverlässige Bestimmung und Einordnung der verschiedenen Arten bildet die Basis für verschiedene Datenbanken und Projekte wie z.B. GenBank, Barcoding of Life (BOLD), German Barcode of Life (GBOL) oder Barcoding Fauna Bavarica und zeigt, welch hohen Stellenwert die Taxonomie besitzt. Ziel dieser kumulativen Dissertation ist es mit Einsatz von verschiedenen modernen morphologischen und molekularen Methoden wie der Rasterelektronenmikroskopie, der Fluoreszenzmikroskopie und der Analyse von mitochondrialen DNA-Sequenzen (Cytochrom-c-Oxydase) neue Merkmalssätze zur besseren Charakterisierung der verschiedenen Arten und deren Artabgrenzungen zu erarbeiten. Aber auch klassische Methoden wie das Abwägen von morphologischen Merkmalen, kommen in einem integrativen Ansatz zur Artabgrenzung zur Anwendung. Die in den Arbeiten angewandte Rasterelektronenmikroskopie erlaubt eine weitaus höhere Vergrößerung als die klassische Lichtmikroskopie bei gleichzeitig höherer Auflösung und Schärfentiefe. Somit konnten auch kleinste eidonomische (Bestimmungs-) Merkmale wie das Dorsalorgan oder einzelne Setae-Typen bei Zoea-Larven detailliert beschrieben und als neue oder früher wenig beachtete morphologischen Merkmale zur systematischen Einordnung herangezogen werden (Publikationen I, II und III). Des Weiteren konnte mit Hilfe der Fluoreszenzmikroskopie anhand von DAPI-Färbungen gezeigt werden, dass die Anordnung der Zellkerne von Zoea-Larven aus den verschiedenen Unterordnungen Caridea, Anomura und Brachyura charakteristische Muster aufweist. Dieses Kriterium wird als möglicher Merkmalssatz in der Taxonomie diskutiert (Publikation VI). Ein weiteres Feld der modernen Taxonomie wird durch Publikation V abgedeckt: molekulare Analysen auf der Basis des mitochondrialen proteincodierenden Genes COI (cytochrome oxidase subunit 1) bzw „barcoding“-Gens. Zum ersten Mal für die südchilenische Fjordregion wurde mit dem Ansatz der integrativen Taxonomie die dortige Dekapoda-Fauna erfasst und analysiert. Nahe verwandte Arten der Gattungen Eurypodius Guérin, 1825 und Acanthocyclus Lucas, in H. Milne Edwards & Lucas, 1844, die morphologisch schwer zu trennen sind, konnten neu charakterisiert werden. In der Arbeit wurden klassische, morphologische Merkmale mit molekularen, morphologieunabhängigen Merkmalen kombiniert. Durch eine vorherige Inventarisierung der südchilenischen Dekapodenfauna während zahlreicher Expeditionen in die Region konnte zudem die Basis für die taxonomische Arbeit (ca. 650 Samples sind in der Zoologischen Staatssammlung München hinterlegt) geschaffen werden. Eine ausführlichen Dokumentation mit verschiedenen bildgebenden Methoden wie der Verwendung von tiefenscharfen Aufnahmen und in situ Fotos der verschiedenen Arten dieser noch nahezu unerforschten Region bildet das Rückgrat der taxonomischen Arbeiten und ist als Kapitel in dem zweisprachigen (Spanisch und Englisch) Standardwerk für die Region publiziert (PublikationVI).

Abstract

Decapod crustaceans are a highly diverse and well adapted group belonging to the phylum Arthropoda. Representatives can be found in most aquatic ecosystems and in terrestrial habitats. The huge number of species, about 17,635 recent and fossil species are known (De Grave et al., 2009), but also the old age of the group makes a systematic classification of single species difficult. Fossil decapods were dated back to the Devonian (about 415 Mya to 359,2 Mya) (Schram et al., 1978). Because of the old age of the group there has been ample time for evolution. The results of this ongoing process are reflected in an enormous morphological variety among the species. For a coherent classification of this group and species determination it could be essential to establish new morphological features and combine new methods. Furthermore a proper identification and classification of species forms the basis of various databanks and projects e.g. GenBank, Barcoding of Life (BOLD), German Barcode of Life (GBOL) and the Barcoding Fauna Bavarica show the high significance of taxonomist’s work. The aim of this dissertation is to find and establish new features for the classification of decapods by various modern morphological methods i.e. scanning electron microscopy (SEM), fluorescence microscopy and morphology independent features like the analyses of gene sequences (cytochrome oxidase subunit 1). But additionally, classical methods like the use of morphological features in a combined, integrative approach are used for species delineation. In different publications we used SEM techniques which allow us in comparison to light microscopy a closer examination of morphological features (article I, II and III). It was possible to describe the dorsal organ and the different types of setae of zoea larvae in detail and use these features for systematic classification. Furthermore we used fluorescence microscopy and DAPI staining to describe and characterize nucleus patterns in various representatives of Decapoda of the Infraorders Caridea, Anomura and Brachyura. Results of these examinations show that nucleus patterns are characteristic for each Infraorder. In Article VI this feature is discussed as possible taxonomic criterion. In recent times molecular taxonomy gains more and more in importance. Integrative taxonomy combines sequence analyses of the COI gene (cytochrome oxidase subunit 1) or “barcoding gene” with classic morphological features. It is used to characterize and analyze the decapod fauna of the southern Chilean fjord region (article V). Furthermore, on the basis of our data, it was possible to give exact species descriptions for closely related and not always clear to distinguish representatives of the genera Eurypodius Guérin, 1825 and Acanthocyclus Lucas, in H. Milne Edwards & Lucas, 1844. As a backbone for this study serve the results of an intensive inventory of the southern Chilean fiord region. During various expeditions in that region about 650 samples of decapods were collected and are now deposited for further investigations at the Bavarian State Collection of Zoology. Samples are documented in detail using different imaging methods i.e. in situ pictures and high resolution photos of the different species of this unique and unexplored region are published as a chapter in the bilingual (Spanish and English) standard work for the Chilean fjord region (article VI).

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: Taxonomy, Decapoda, Chile, Integrative
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 24. Juni 2014
• 1. Bericht­erstatter:in: Melzer, Roland