Phylogeny, divergence time estimates and systematics of African cichlids (Cichlidae: Pseudocrenilabrinae), with a focus on the rheophilic cichlids of East and Central Africa

Schedel, Frédéric Dieter Benedikt (2020): Phylogeny, divergence time estimates and systematics of African cichlids (Cichlidae: Pseudocrenilabrinae), with a focus on the rheophilic cichlids of East and Central Africa. Dissertation, LMU München: Fakultät für Biologie

Abstract

The teleost family Cichlidae (Teleostei: Percomorphaceae), comprising almost two thousand described species, clearly ranks among the largest fish families. Their outstanding morphological, behavioral and ecological diversity and their propensity to generate adaptive radiations made cichlids prime model systems in various fields of biology. Consequently, tremendous efforts have been devoted into the reconstruction of their evolutionary history, albeit with yet partial success. The relationships between major lineages of the megadiverse East African cichlid radiation (EAR) as well as the precise reconstruction of their evolutionary time line remain still hotly debated. This apparent intractability can be partially attributed to their complex evolutionary history, which includes phases of ancient hybridization leading to massive introgression, and to the rapid origin of multiple major lineages. The reconstruction of the spatio-temporal scene that enabled the evolutionary success of African austrotilapiine cichlids is further hampered by the yet unsettled age of the origin of the family Cichlidae, which is due to the paucity of suitable calibration points. This dissertation focuses on the evolutionary history of African austrotilapiine cichlids (Pseudocrenilabrinae), with particular attention to the riverine haplochromine lineages from Southern-Central Africa. In contrast to the famous EAR of the African Great Lakes, their riverine precursor lineages have been considerably less well studied, which applies both to their phylogenetic relationships as well as to their systematics and taxonomy. The first section of this thesis concentrates on the classification and taxonomy of several riverine cichlid lineages endemic to the Upper Congo drainage as well as on selected taxa of neighbouring Lake Tanganyika (chapters 1 – 3). In total, eight new species and two new genera were described including one ancient member of the EAR, a Hemibates species from Lake Tanganyika. Further five species of the rheophilic genus Orthochromis are described from isolated rivers from the southeastern Democratic Republic of the Congo (DRC) and Zambia, and finally two new species belonging to two new genera Lufubuchromis and Palaeoplex. The latter are endemic to two neighbouring areas in northeastern Zambia. These descriptions represent an important contribution to the knowledge on the still underexplored cichlid diversity of the Katanga-Chambeshi region (see discussion). The second section provides new insights into the complex phylogenetic history of African cichlids related to the EAR. They are analyzed and presented in the geomorphological context of the palaeo-drainage evolution of the East African Rift and tectonically related areas (chapters 4 – 5 & discussion). First, new divergence age estimates were obtained for the phylogeny of the family Cichlidae and particularly for austrotilapiine Pseudocrenilabrinae. These are based on an extensive mitogenomic data set with DNA sequences of ten protein coding genes from 180 cichlid species. The corresponding molecular clock analyses were conservatively constrained by carefully selected calibration points including six fossils and one geological event. The divergence of the monophyletic African Pseudocrenilabrinae and American Cichlinae was dated to the Late Cretaceous, thus tentatively supporting the “Marine Dispersal Hypothesis” and thus contradicting a strict Gondwana-break up scenario for the origin of the two continental cichlid radiations. In the same analyses the origin of the EAR was dated to as early as of Late Eocene/Early Oligocene age, and more importantly, the divergence ages of multiple endemic Lake Tanganyika cichlid tribes were firmly estimated to predate the formation of extant Lake Tanganyika basin itself. This result supports the recently suggested “Melting-pot Tanganyika hypothesis”, which hypothesized Lake Tanganyika to be a comparatively young reservoir of lineages partially originating from hybridization of more ancient precursor lineages. Finally, a refined and comprehensive phylogenetic hypothesis based on a comprehensive genomic nuclear DNA (ddRAD) dataset is provided for all major australotilapiine cichlid lineages related to the EAR. This massive dataset not only includes representatives of all major lacustrine tribes and lineages but particularly all potential riverine precursor lineages, altogether 206 specimens from 160 species. This dataset, in combination with a further increased taxon-sampling of the mitogenomic dataset, now with about 330 cichlid species, was used to infer candidate ancient hybridization events among australotilapiines lineages that may have contributed to the complex network-like evolutionary history and success of the EAR. This was done applying statistical methods previously applied to reconstruct the equally complex human phylogenetic history, i.e. the so-called D-statistics or the genomic evaluation of cyto-nuclear discordances. Apart from many previously reported candidate cases of ancient hybridization, numerous new ones were detected especially within major haplochromine lineages. The analysis of these results in the light of recent tectonic re-arrangements in the region strongly suggest that hybridization has played an even more important role in shaping the evolutionary history of African cichlids than already presumed. An important methodogical result of the comparative mitogenomic and nuclear genomic molecular clock analyses contrasts with previous assumptions, i.e. surprisingly divergence time estimates based on mitochondrial and nuclear (ddRAD) data emerged as largely comparable across austrotilapiine cichlids and Neogene timescales.

Abstract

Die Knochenfischfamilie Cichlidae gehört mit fast zweitausend beschriebenen Arten eindeutig zu den größten Fischfamilien. Ihre außergewöhnliche morphologische, verhaltensbiologische und ökologische Vielfalt, als auch ihre Tendenz adaptive Radiation hervorzubringen, machte Buntbarsche zu erstklassigen Modelorganismen für verschiedenste biologische Forschungsfelder. Trotz der großen Bemühungen um die Rekonstruktion der evolutionären Entwicklungsgeschichte der Buntbarsche ist diese bis heute nicht vollständig verstanden. Dabei werden nicht nur die Verwandtschaftsverhältnisse zwischen den Haupt-Entwicklungslinien der sogenannten „East African cichlid radiation (EAR)“, sondern auch der genaue zeitliche Ablauf der Evolutionsgeschichte dieser hochdiversen Buntbarschgruppe kontrovers diskutiert. Die Rekonstruktion der räumlich-zeitlichen Prozesse, die den evolutionären Erfolg der afrikanischen austrotilapiinen Buntbarsche ermöglichten, wird auch durch das noch immer ungeklärte Entstehungsalter sowie durch den bisher nicht präzisierten zeitlichen Ursprung der Familie Cichlidae erschwert. Der Grund dafür ist teilweise auf den Mangel geeigneter Kalibrierungspunkte für entsprechende Rekonstruktionen zurückzuführen. Die vorgelegte Dissertation beschäftigt sich primär mit der Evolutionsgeschichte afrikanischer austrotilapiiner Buntbarsche mit einem besonderem Fokus auf die fluviatilen haplochrominen Buntbarsch-Linien des südlichen Zentralafrikas. Im Gegensatz zu den berühmten Entwicklungslinien der EAR in den Grabenbruchseen Ostafrikas, wurden den fluviatilen Linien der EAR und ihrer Vorläuferlinien bedeutend weniger Beachtung geschenkt. Dies betrifft sowohl die Erforschung der phylogenetischen Verwandtschaftsverhältnisse, als auch ihre Systematik und Taxonomie. Der erste Abschnitt dieser Dissertation befasst sich daher mit der systematischen Einordnung und der Taxonomie mehrerer fluviatiler Buntbarschlinien, allesamt Endemiten des oberen Einzugsgebiets des Kongo, als auch ausgewählter Taxa aus dem benachbarten Tanganjikasee (Kapitel 1 – 3). Insgesamt wurden acht neue Arten sowie zwei neue Gattungen beschrieben. Darunter eine neue Hemibates Art aus dem Tanganjikasee, die einer alten Linie (Tribus) der EAR angehört. Außerdem wurden fünf Arten der rheophilen Gattung Orthochromis beschrieben, die in verschiedenen isolierten Flusssystemen Sambias und der südöstlichen Demokratischen Republik Kongo (DRC) vorkommen. Weiter wurden zwei neue Arten beschrieben, die jeweils ebenfalls zwei neu aufgestellten Gattungen Lufubuchromis und Palaeoplex angehören. Diese Beschreibungen stellen einen wichtigen Beitrag zur Erfassung der bis heute wenig erforschten Diversität der Buntbarsche der Katanga-Chambeshi Region dar (siehe Diskussion). Der zweite Abschnitt liefert neue Erkenntnisse über die komplexen phylogenetischen Zusammenhänge der afrikanischen Buntbarsche aus der Verwandtschaftsgruppe der EAR. Diese wurden im Kontext der Entwicklung der Paläo-Flusssysteme des ostafrikanischen Grabenbruchs sowie tektonisch angrenzender Gebiete analysiert und präsentiert (Kapitel 4 – 5 & Diskussion). Dabei wurden zuerst neue Altersabschätzungen für die Phylogenie der Buntbarsche und insbesondere der austrotilapiiner Pseudocrenilabrinae berechnet. Diese basieren auf einem umfangreichen mito-genomischen Datensatz, der DNS Sequenzen von zehn proteincodierenden Genen von 180 Buntbarscharten umfasst. Die „Molekulare Uhr“ der korrespondierenden altersabschätzenden Analysen wurde dabei mittels vorsichtig ausgewählter Kalibrierungspunkte kalibriert, darunter sechs Fossilien sowie ein geologisches Ereignis. Dabei wurde das Divergenzereignis zwischen den jeweils monophyletischen afrikanischen Pseudocrenilabrinae sowie der amerikanischen Cichlinae als in der Oberkreide liegend datiert. Dies spricht zumindest vorläufig für die sogenannte „Marine Dispersal Hypothesis“ und widerspricht somit der Annahme, dass die Divergenz der beiden kontinentalen Buntbarschradiationen direkt auf dem Auseinanderbrechen von Gondwana basiert. In der gleichen Analyse wurde der Ursprung der EAR in das späte Eozän bis frühes Oligozän datiert. Darüber hinaus wurde das Divergenzalter mehrerer im Tanganjikasee endemischer Triben als deutlich älter als die Entstehung des rezenten Tanganjikasee-Beckens selbst abgeschätzt. Dies unterstützt die vor kurzem vorgeschlagene „Melting-pot Tanganyika“-Hypothese, die formuliert, dass der Tanganjikasee ein verhältnismäßig junges Reservoir für verschiedene evolutionär alte Linien sowie Linien, die aus Hybridisierungen ebendieser hervorgegangen sind darstellt. Des Weiteren wurde basierend auf einem umfangreichen kerngenomischen DNS (ddRAD) Datensatz eine überarbeitete und umfassende Phylogenie der australotilapiinen Buntbarsche erstellt. Der Datensatz bestand aus 206 Individuen, die 160 Arten zugeordnet werden, und enthielt dabei nicht nur Vertreter aller lakustrischen Triben und Linien der EAR, sondern auch Vertreter aller potentieller Vorgängerlinien aus den Flüssen. In Kombination mit einem noch weiter vergrößerten mitochondrialen Datensatz, der etwa 330 Buntbarscharten berücksichtige, wurde der kerngenomische Datensatz genutzt um potentielle alte Hybridisations-Ereignisse zwischen den australotilapiinen Linien zu detektieren. Diese könnten möglicherweise nicht nur den evolutionären Erfolg der EAR erklären, sondern auch ihre komplexen, teilweise retikulären Verwandtschaftsverhältnisse. In dieser Teilstudie wurden vor allem statistische Analysen durchgeführt, die kürzlich zur Analyse der ebenfalls hochkomplexen Evolutionsgeschichte des Menschen zum Einsatz gekommen waren, z.B. die so genannte „D-statistics“ oder die genomische Auswertung von cyto-nuklearen Diskordanzen. Neben vielen bereits schon früher dokumentierten potentiellen alten Hybridisations-Ereignissen konnten dabei auch zahlreiche neue detektiert werden, vor allem zwischen und innerhalb der Hauptlinien des Tribus Haplochromini. Die Analyse dieser Ergebnisse im Kontext der jüngeren tektonischen Umlagerungen in der Region zeigt deutlich, dass der Hybridisierung als Evolutionsfaktor eine noch wichtigere Rolle in der Evolutionsgeschichte der afrikanischen Buntbarsche zukommt als bisher angenommen. Ein wichtiges methodisches Ergebnis resultierte aus dem Vergleich altersabschätzender Analysen, die entweder auf mitochondrialen Daten oder auf kerngenomischen Daten basierten. Entgegen früherer Annahmen, waren die korrespondierenden Altersabschätzungen der beiden Analysen für die austrotilapiinen Buntbarsche (Zeitraum: Neogen) erstaunlicherweise weitgehend miteinander vergleichbar.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
• Fakultäten: Fakultät für Biologie
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 11. September 2020
• 1. Bericht­erstatter:in: Haszprunar, Gerhard