[Seite 35↓]

Einzelstudien

Die in dieser Arbeit untersuchten Fragestellungen werden mehrteilig unter unterschiedlichen Aspekten dargestellt. Die beiden Hauptabschnitte präsentieren die Resultate der phylogenetischen Untersuchungen der Phyllopoda (Branchiopoda) und der Astacoidea (Astacida) mit jeweils einer Einleitung zur Organismengruppe, den dazugehörigen Analysen und einer Diskussion. Die Analysen sind jeweils unterteilt in die computerkladistischen Einzelanalysen der Gene und den Analysen der kombinierten Datensätzen. Alle Analysen werden unter Parsimonie und Maximum Likelihood Kriterien und im Fall der Phyllopoda mit verschiedenen Alignmentmethoden dargestellt. Im Abschnitt Phyllopoda werden zusätzlich die Resultate der Sekundärstrukturanalyse der 12S rRNA beschrieben und ein auf dieser Basis erstelltes Alignment mit der anschließenden computerkladistischen Auswertung den anderen Ergebnissen gegenübergestellt. Die im Gen EF-1α existierenden Introns werden bezüglich ihrer Position gesondert betrachtet.

3.1 TEIL A:Die Branchiopoda

3.1.1 Einleitung - Historie der Hypothesenbildung

Die Branchiopoda, auch Blattfußkrebse genannt, sind mit ca. 800 beschriebenen Arten weltweit verbreitet. Das bislang älteste bekannte Fossil, Rehbachiella kinnekullensis (Anostraca), das in den südschwedischen Fundschichten "Orsten" entdeckt wurde, wird auf das Obere Kambrium vor ca. 500 Millionen Jahren datiert Walossek (1993).

Das Taxon Branchiopoda vereinigt in der traditionellen Classifikation vier rezente Gruppen: Die Anostraca (Feenkrebse), Notostraca (Rückenschaler), Conchostraca (Muschelschaler) und Cladocera (Wasserflöhe). Sie sind vermutlich marinen Ursprungs, die meisten Vertreter sind aber schon vor langer Zeit ins Süßwasser ausgewichen. Dieser Habitatwechsel wurde wahrscheinlich durch räuberische Fische ausgelöst Kerfoot undLynch (1987). Seitdem leben einige Gruppen der Branchiopoda, wie Anostraca, Notostraca und Conchostraca, in temporären Süßgewässern wie z.B. Tümpel und Laken. Diese sehr instabilen Habitate, die durch periodisches Austrocknen oder Ausfrieren gekennzeichnet sind, erfordern ein hohes Maß an Anpassung an z.B. Temperaturtoleranz oder auch wechselnden Sauerstoffgehalt. So können bespielsweise die Eier von Triops cancriformis (Notostraca) mehrere Jahrzehnte im Trockenschlamm „überleben". Bei erneut eintreffenden günstigen Bedingungen wie Regen und Temperaturoptima, beginnt die Entwicklung der Embryonen, sodass mit dem Schlüpfen der Larven ein neuer Lebenszyklus beginnt. Die meisten Arten der Cladocera (Wasserflöhe) leben dagegen in permanenten Süßgewässern, einige Vertreter sogar in marinen Gewässern.


[Seite 36↓]

Branchiopoda ernähren sich durch Filtration von z.B. Detritus oder Algen aus dem freien Wasser. Einige Vertreter der Cladocera leben räuberisch (z.B. Bythotrephes oder Leptodora).

Schon bei oberflächlicher Betrachtung der Morphologie unterscheiden sich die einzelnen Branchiopoden-Taxa erheblich voneinander. So haben die Notostraca einen schildförmigen, platten Carapax, während die Conchostraca und Cladocera einen zweiklappigen oder muschelförmigen Carapax besitzen. Die Conchostraca werden durch ihren Carapax fast vollständig umhüllt, während der Carapax bei den Cladocera den Rumpf umschließt oder sehr stark reduziert ist und häufig als Brutbeutel fungiert. Die Anostraca besitzen keinen Carapax, wobei nicht geklärt ist, ob der Carapax nie angelegt war oder ob es sich um eine völlige sekundäre Reduktion handelt. Laut Ax (1999) bestehen keine Indizien für eine sekundäre Reduktion, sodass man das Fehlen eines Carapax (wie auch bei den Cephalocarida) als plesiomorph bewerten müsse. Innerhalb der einzelnen Branchiopoden-Taxa, ausgenommen bei den Cladocera, ist die Morphologie sehr konserviert. So gleichen z.B. die rezenten Arten der Notostraca und Conchostraca weitestgehend den fossilen Funden aus dem Silur Walossek (1993). Auch die rezenten Anostraca verfügen über einen sehr konservierten Phänotyp. Morphologisch unterscheiden sie sich allerdings erheblich von den Phyllopoda, da sie keinen Carapax besitzen. Das ausgestorbene Taxon Rehbachiella kinnekullensis, welches einen Carapax aufweist, wird von Walossek Walossek (1995) allerdings als Vertreter der Stammlinie der Anostraca gewertet. Insofern muss das Fehlen eines Carapax bei den Anostraca als sekundärer Verlust gewertet werden.

Im Gegensatz zu allen anderen Hauptgruppen der Branchiopoda erfahren die Vertreter der Cladocera eine enorme morphologische Vielfalt, was die Bewertung der verwandtschaftlichen Verhältnisse der Taxa zueinander in der Vergangenheit sehr erschwerte.

Phylogenie

Die Branchiopoda werden von den meisten Autoren als monophyletisch anerkannt, was auf morphologischen Negrea et al. (1999),Walossek (1995),Wingstrand (1978) und auch jüngeren molekularen Analysen Spears undAbele (2000) beruht (Abbildung 1 A). Es sei jedoch erwähnt, dass von Ax (1999) eine entgegengesetzte Auffassung vertreten wird: In seinem Buch „Das System der Metazoa, Band 2“ werden die Branchiopoda als paraphyletisch gewertet, mit den Anostraca gegenüber den verbleibenden Phyllopoda. Die Phyllopoda bilden, laut Ax, ein Schwestergruppenverhältnis mit den Malacostraca (Abbildung 1 B). Auch Preuss wies schon 1951 darauf hin Preuss (1951), dass die Branchiopoda häufig nur aufgrund plesiomorpher Merkmale als geschlossene Abstammungsgemeinschaft beschrieben wurden - ein Vorgehen, das nach phylogenetischer Methode unzulässig ist.

Heutige phylogenetische Rekonstruktionen innerhalb der Branchiopoda gehen auf das von Calman Calman (1909) aufgestellte System zurück . Dieses System gruppiert die branchiopoden Crustacea in vier Ordnungen: Die Anostraca, Notostraca, Conchostraca und die Cladocera. Notostraca, Conchostraca und Cladocera werden zu dem gut begründeten Monophylum Phyllopoda zusammengefaßt Olesen (1998) und den Anostraca als Schwestergruppe gegenübergestellt Walossek (1995). Als Apomorphie [Seite 37↓]der Phyllopoda gelten z.B. die versenkten, eng zusammen stehenden Komplexaugen in der Mitte der Kopfoberfläche; im Gegensatz dazu haben die Anostraca gestielte Komplexaugen.

Über die phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Phyllopoda entstanden in den letzten Jahrzehnten kontroverse Diskussionen. Die wesentlichen hier im Folgenden beschriebenen Diskussionspunkte sind in Abbildung 1 C-D dargestellt. Als Schwerpunkte sind hier die traditionell als Monophyla angesehenen Conchostraca und Cladocera zu nennen: Obwohl einige Autoren auf die enormen Unterschiede innerhalb der Conchostraca (Laevicaudata und Spinicaudata) hinweisen Linder (1945), werden beide Subtaxa traditionell zu den Conchostraca vereinigt. Die Taxa Anomopoda, Ctenopoda, Haplopoda und Onychopoda werden in der traditionellen Sichtweise zum Monophylum Cladocera zusammengefaßt. Da aber innerhalb der Cladocera eine enorme Diversität besteht, bekamen auch die Teiltaxa Anomopoda, Ctenopoda, Onychopoda und Haplopoda von Fryer Fryer (1987b) den Status von Ordnungen. Nach Fryers eingehender Analyse aller Branchiopoden Teiltaxa Fryer (1987a) wurden von ihm 10 Ordnungen benannt, phylogenetische Beziehungen der einzelnen Taxa zueinander bezeichnet er jedoch nicht.

1. Anostraca

2. Lipostraca (†) 1

3. Notostraca

4. Kazacharthra (†)

5. Spinicaudata

6. Laevicaudata

7. Anomopoda

8. Ctenopoda

9. Onychopoda

10. Haplopoda

Walossek Walossek (1993),Walossek (1995) beschreibt zwei Hauptlinien innerhalb der Phyllopoda: Die Calmanostraca (das Taxon vereinigt die Notostraca und die ausgestorbenen Kazacharthra) und die Onychura (Conchostraca und Cladocera) als Schwestergruppe zu den Calmanostraca. Mit diesem System folgt er einer schon durch Gerstaecker Gerstaecker (1866-1979) formulierten Idee, dass Conchostraca und Cladocera zusammen ein Monophylum bilden. Gerstaecker fasst beide Gruppen als Diplostraca zusammen; der von Walossek verwendete Begriff „Onychura" wird erstmals 1934 von Eriksson Eriksson (1934) eingeführt. Onychura und Diplostraca werden als Synonyme verwendet.


[Seite 38↓]

Abbildung 1: Hypothesen über die Verwandtschaftsbeziehungen der Branchiopoda und innerhalb der Phyllopoda (Branchiopoda). (A) Hypothese der Monophylie der Branchiopoda auf der Basis von 18S rDNA Daten Spears undAbele (2000). (B) Hypothese der Paraphylie der Branchiopoda nach Ax (1999). (C) Verwandtschaftliche Beziehungen innerhalb der Phyllopoda unter Einbeziehungen fossiler Daten nach Walossek Walossek (1995). (D) Die Paraphylie der Spinicaudata; 18S rDNA Daten Spears undAbele (2000). (E und F) Gegensätzliche Hypothesen der Beziehungen innerhalb der Cladocera bezüglich der Stellung der Haplopoda, (E) das Gymnomera- Konzept und (F) das Leptodorida- Konzept Negrea et al. (1999). Das Leptodorida- Konzept entspricht bezüglich der Namensgebung dem Eucladocera- Konzept Spears undAbele (2000).

Hervorgerufen durch die unklaren Beziehungen der Laevicaudata und Spinicaudata (Conchostraca), Martin undCash-Clark (1995),Olesen et al. (1996) und der vier Teiltaxa der Cladocera Schminke (1996) innerhalb der Phyllopoda, wurde auch das Monophylum „Diplostraca“ immer wieder hinterfragt. Durch molekulare Analysen der 18S rDNA Spears undAbele (2000) und der 18S rRNA Sekundärstruktur der V4 und V7 Regionen Crease undTaylor (1998) wird eine Paraphyly der Conchostraca unterstützt. Demnach sind die Spinicaudata paraphyletisch, da Cyclestheria hislopi (einziger rezenter Vertreter der Cyclestheriidae und traditionell zu den Spinicaudata gehörig) Schwestertaxon zu den Cladoceren ist. Konsequenterweise muß Cyclestheria hislopi daher aus den verbleibenden Spinicaudata ausgeschlossen werden; das Monophylum Spinicaudata würde damit zerfallen (Abbildung 1D). Dieses [Seite 39↓]Konzept wird auch von Ax Ax (1999) favorisiert, der Cyclestheria hislopi und die Cladoceren als monophyletisch begründet und den Namen Cladoceromorpha vorschlägt. Die Cladoceromorpha werden den verbleibenden Spinicaudata als Schwestergruppe gegenübergestellt.

Die Stellung der Laevicaudata innerhalb der Phyllopoda ist ungewiss. Fryer Fryer (1987a) deutet zwar einerseits auf die oberflächlich betrachtete Ähnlichkeit der Laevicaudata und der Spinicaudata hin und spricht damit insbesondere den zweiklappigen Carapax an, der die Tiere fast oder vollständig umhüllt, wertet aber die meisten in der Literatur angeführten potentiellen Apomorphien, die für ein Schwestergruppenverhältnis der Laevicaudata zu den Spinicaudata sprechen, als Konvergenzen. Botnariuc Botnariuc (1947) wies auf die ähnlichen Strukturen des ersten Rumpfbeinpaares bei den Männchen beider Taxa hin. Dieses Beinpaar fungiert als Greiforgan während der Kopulation. Er betont allerdings die unterschiedliche Entwicklung dieses Greiforgans und bewertet es deshalb als konvergent. Im Gegensatz dazu steht wiederum die unterschiedliche Anordnung der Antennenmuskulatur bei Laevicaudata und Spinicaudata. Die Anordnung der Muskulatur der Laevicaudata weist gewisse Ähnlichkeiten zu der Anordung in den Cladocera auf Fryer (1987a). Einer morphologischen Analyse zufolge kamen Negrea et al. Negrea et al. (1999) zu dem Resultat, dass die Laevicaudata Schwestergruppe zu den Spinicaudata (ohne Cyclestheria hislopi) sind. Molekulare Analysen der 18S rDNA zur Stellung der Laevicaudata sind wiederum ohne Auflösung Spears undAbele (2000).

Schon Claus (1876) wurde von Claus die Hypothese aufgestellt, dass die Cladocera möglicherweise durch Neotenie aus verschiedenen Conchostraca Linien hervorgegangen sein könnten . Die Konsequenz wäre, dass die Conchostraca paraphyletisch und die Cladocera polyphyletisch sind Schminke (1981),Schminke (1996). Bezogen auf die Cladocera betont Fryer Fryer (1987b) die immensen morphologischen Unterschiede zwischen den vier Gruppen Anomopoda, Ctenopoda, Haplopoda und Onychopoda und kommt zu dem Ergebnis, dass die Cladocera keine geschlossene taxonomische Einheit bilden. Martin und Cash-Clark Martin undCash-Clark (1995) hingegen postulieren die Monophyly der Cladocera und nehmen an, dass die Stammart ein cyclestheriiden-artiger Vorfahre war. Die Annahme der Monophylie der Cladocera wird auch durch neue morphologische und molekulare Analysen gestützt Negrea et al. (1999),Olesen (1998),Olesen (2000),Spears undAbele (2000).

Die Schwestergruppenbeziehungen innerhalb der Cladocera werden seit einigen Jahrzehnten kontrovers diskutiert. Mordukhai-Boltovskoi Mordukhai-Boltovskoi (1968) ging sogar soweit, anzunehmen, die Subtaxa Onychopoda und Haplopoda seien möglicherweise keine Branchiopoda. Die Annahme begründet sich auf das Fehlen der typischen blattartigen Thoracopoden mit Epipoditen, die als Atmungsorgane fungieren. Diese Hypothese ist jedoch eine Ausnahme. Im allgemeinen ist akzeptiert, dass die Subtaxa Anomopoda, Ctenopoda, Haplopoda und Onychopoda dem Taxon Branchiopoda angehören. So wird einerseits durch morphologische und molekulare Daten die Hypothese gestützt, dass Onychopoda und Haplopoda Schwestergruppen sind (Abbildung 1 E), die zusammen als Gymnomera bezeichnet werden Braband et al. (2002),Olesen (1998),Richter et al. (2001),Schwenk et al. (1998),Taylor et al. (1999), andererseits werden die Haplopoda den verbleibenden drei Subtaxa als Schwestergruppe gegenüber gestellt und als Eucladocera zusammengefaßt Bowman undAbele (1982),Eriksson (1934),Spears undAbele (2000),Wingstrand (1978) bzw. als Leptodorida bezeichnet Negrea et al. (1999) (Abbildung 1D und F). Letztere Hypothese stützt sich auf den [Seite 40↓]Entwicklungsmodus der Haplopoda (Leptodora kindtii ist die einzig bekannte, rezente Art des Taxons) mit frei schwimmenden Larven versus der direkten Entwicklung der anderen Cladoceren.

Die Anomopoda und Ctenopoda werden als zweite Entwicklungslinie diskutiert und bilden nach den Ergebnissen von Negrea et al. Negrea et al. (1999) ein Schwestergruppenverhältnis (Calyptomera). Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu den Befunden von Martin und Cash-Clark Martin undCash-Clark (1995), die eine basale Stellung der Ctenopoda innerhalb der Cladocera favorisieren. DNA-Daten der mitochondrial codierten großen ribosomalen Untereinheit (16S) unterstützen letztere Hypothese Schwenk et al. (1998).

Die hier nur im Ansatz beschriebene Historie von Hypothesenbildungen zur Phylogenie der Branchiopoda und der dazugehörenden Gruppen ist in Abbildung 1 zusammenfassend dargestellt. Die Klärung der Stellung der Laevicaudata und Spinicaudata im System der Phyllopoda und deren Beziehung zu den Cladocera betrifft im erheblichen Maß die Existenz eines Monophylums Diplostraca (Spinicaudata + Laevicaudata + Cladocera), schließt aber zunächst nicht die Monophyla der einzelnen Teiltaxa mit ein.

Desweiteren sind die verwandtschaftlichen Beziehungen innerhalb der Cladocera nach wie vor ungeklärt. Dies betrifft die beiden kontroversen Hypothesen der Eucladocera (Leptodorida) und das Gymnomera Konzept.

Folgende Fragestellungen bezüglich der Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Phyllopoda werden anhand des mitochondrialen Gens 12S rRNA, des kerncodierten Gens EF-1α nebst seiner Intronpositionen und einer Analyse der Sekundärstruktur der 3. Domäne der kleinen ribosomalen Untereinheit betrachtet:

  1. Die Wahl der Aussengruppe zur Klärung der verwandtschaftlichen Beziehungen innerhalb der Phyllopoda.
  2. Sind die vier Haupttaxa innerhalb der Phyllopoda, die Notostraca, Laevicaudata, Spinicaudata, Cladocera, monophyletisch?
  3. Welche Hypothese bezüglich der verwandtschaftlichen Beziehungen der Haupttaxa zueinander kann durch die Datensätze favorisiert werden? Das heißt im Einzelnen:
    - Kann ein Taxon Diplostraca (Spinicaudata, Laevicaudata, Cladocera) durch die Daten gestützt werden?
    - Sind die Conchostraca (Laevicaudata + Spinicaudata) monophyletisch?
    - Welche phylogenetische Stellung nimmt Cyclestheria hislopi innerhalb der Phyllopoda ein?
    - Sind die Cladoceromorpha (C. hislopi + Cladocera) monophyletisch und damit die Spinicaudata im traditionellen Sinn (incl. C. hislopi) paraphyletisch?
    - Sind die drei Taxa der Cladocera (Anomopoda, Ctenopoda und Onychopoda) monophyletisch?
    [Seite 41↓]- Welche Beziehungen innerhalb der Cladocera, insbesondere bezüglich der Stellung der Haplopoda (Eucladocera/Leptodorida- respektive Gymnomera- Konzept), werden durch die Daten gestützt?

3.1.2 Ergebnisse

3.1.2.1  Die Frage der Außengruppe für die Phyllopoda (Branchiopoda)

Um einen Beitrag zur Klärung der Probleme innerhalb der Phyllopoda zu leisten, ist zunächst die Frage nach der Außengruppenwahl zu stellen. Dies betrifft ganz entscheidend die Frage, ob die Branchiopoda (Anostraca und Phyllopoda) monophyletisch sind bzw. in welcher Beziehung die Anostraca zum gut begründeten Monophylum der Phyllopoda stehen. Da das hier verwendete Gen 12S rRNA sehr variable Regionen aufweist, sollte die Außengruppe in recht naher Verwandtschaft zu den Phyllopoda stehen. Zur Klärung wird hier ein Cladogramm auf der Basis von 12 Aminosäuresequenzen des mitochondrialen Genoms gezeigt. Als Basis wird ein Alignment Hwang et al. (2001) aus der EBI Datenbank (ftp://ftp.ebi.ac.uk/pub/databases/embl/align) genutzt und mit den Aminosäuresequenzen der Proteine ND6, ND5, ND4, ND4L, ND3, ND2, ND1, cytb, cox I, cox II, cox III und ATP 6für folgende Arten mit dem Alignmentprogramm Clustal X ergänzt:

Abbildung 2 zeigt eine Gegenüberstellung der Maximum Likelihood Analyse (``strict´´ consensus´´, siehe auch Kapitel: 2.2.7.3) und der Parsimonie Analyse der mitochondrialen Proteinsequenzen. Für die Maximum Likelihood Berechnung wurde das Modell mtRev24+Γ4 Adachi undHasegawa (1996) verwendet. Diese Berechnungsgrundlage, sowie die Wahl der Außengruppen folgt den Angaben der Autoren Hwang et al. (2001). Die Parsimonie Analyse (``heuristic search, TBR branch swapping´´) ohne Gewichtung einzelner Merkmale resultierte in einem kürzesten Baum mit einer Schrittlänge von 12077. Die ``bootstrap´´ Analyse wurde mit 1000 Replikaten durchgeführt.

Bezüglich der Branchiopoda sind beide Analysen inkongruent. Die ML Analyse (Abbildung 2A) zeigt mit hoher Unterstüzung eine Paraphylie der Branchiopoda mit dem Maxillopoden Tigriopus japonicus als Schwestergruppe zu den Anostraca (vertreten durch Artemia franciscana), die Parsimonie Analyse (Abbildung 2B) favorisiert dagegen ein Monophylum Branchiopoda, allerdings nur mäßig unterstützt.


[Seite 42↓]

Dennoch geht aus den Analysen eine nähere Verwandtschaft der Anostraca und Phyllopoda zueinander hervor, als zu den Malacostraca, die von AxAx (1999) als Schwestergruppe der Phyllopoda hypothetisiert werden. Darüber hinaus zeigen beide Analysen die Paraphylie der Crustacea. Dies soll allerdings in dem hier gezeigten Rahmen nicht näher diskutiert werden.

In Abbildung 3 wird die phylogenetische Analyse des Gens EF-1α dargestellt. Die Wahl der Außengruppe richtete sich für diese Berechnung nach der Verfügbarkeit von Daten in der Genbank. Es wurde jeweils an Limulus polyphemus (Chelicerata, U90051, Regier undShultz (1997) und Scutigera coleoptrata (Myriapoda, AF251763-67, Carapelli et al. (2000) gewurzelt. Der Maxillopode Eurytemora affinis (Copepoda, AF063408, Regier undShultz (1998) wurde bezüglich seiner möglichen näheren verwandtschaftlichen Beziehungen zu den Branchiopoda, bzw. Artemia spec. (Anostraca) mit in die Berechnungen aufgenommen. Die ML Analyse (Abbildung 3A) wurde mit dem Modell TN+Γ8 durchgeführt. Die Grundlage für die Parsimonie Berechnung (Abbildung 3B) sind: ``heuristic search´´, ``TBR branch swapping´´ mit einer ``bootstrap´´ Analyse von 1000 Replikaten.

Sowohl die Parsimonie- als auch die Maximum Likelihood Analyse weisen die Branchiopoda als Monophylum aus. Die Unterstützung ist allerdings mit knapp über 50 % in beiden Analysen als relativ gering anzusehen. Die Phyllopoda werden dagegen in beiden Analysen gut unterstützt (QP 76 % und BA 96 %), sodass von einer Monophylie der Phyllopoda ausgegangen werden kann.

Die Analyse der mitochondrialen Proteinsequenzen und die des Gens EF 1-α zeigen übereinstimmend eine nähere Verwandtschaft der Anostraca zu den Phyllopoda. Die Monophylie der Branchiopoda findet nur geringe Unterstützung, wird allerdings ebenfalls von mehreren morphologischen Walossek (1993),Walossek (1995),Wingstrand (1978) und auch molekularen Studien Giribet et al. (2001),Giribet undRibera (2000),Regier undShultz (1997),Spears undAbele (2000) einheitlich unterstützt. Für alle weiteren phylogenetischen Analysen bieten sich als Außengruppe daher die Anostraca an.


[Seite 43↓]

Abbildung 2: Phylogenetische Analyse der Arthropoda eines kombinierten Datensatzes, bestehend aus 12 Aminosäuresequenzen mitochondrialer Proteine zur Wahl einer geeigneten Aussengruppe für die Phyllopoda (Branchiopoda). Die Alignmentlänge beträgt 2560 Merkmale. (A) ``Strict consensus´´ Dendrogramm aus 212 Quartet-Puzzle-Topologien (Maximum Likelihood) mit einer Wahrscheinlichkeit von logL. –61583.46. Zugrundegelegtes Modell: mtREV24+Γ4. Es wurden insgesamt 632 Topologien getestet, davon waren 211 Topologien nicht signifikant schlechter als der ``best ML´´ (logL. –61527.90). Astlängen und ``likelihood´´ vom ``strict consensus´´ Dendrogramm wurden als ``user tree´´ berechnet. Der Consensus wurde mit dem Programm Phylip Vers. 3.5c generiert. Die Unterstützung der Dichotomien beziehen sich auf die Anzahl der in den 212 Topologien gefundenen Splits (in %). (B) ``Most parsimonious´´ Cladogramm mit 12077 Schritten (Paup Vers. 4). Es wurde keine Gewichtung der Positionen vorgenommen. Die ``bootstrap´´ Analyse (1000 Replikate) wurde separat durchgeführt und ist an den entsprechenden Dichotomien vermerkt (>50%). Farbliche Markierungen der Crustacea- Taxa: Branchiopoda (hellgelb), Malacostraca (mittelgelb) und Maxillopoda (dunkelgelb). Die Außengruppen (grau) sind H. sapiens, X. laevis (beide Deuterostomia), K. tunicata (Mollusca), L. terrestris und P. dumerilii (Annelida).


[Seite 44↓]

Abbildung 3: Phylogenetische Analyse des Gens EF-1α einiger Branchiopoda- Spezies und aus der Datenbank verfügbarer Außengruppen zur weiteren Eingrenzung einer geeigneten Außengruppe bezüglich der Anostraca und oder Maxillopoda. Das Alignment umfasst 942 Nukleotidpositionen. (A) Quartet- Puzzle- Dendrogramm (``50% majority rule´´) mit einer Wahrscheinlichkeit von logL. –5450.00 unter dem Modell TN+Γ8. Der ``QP-support´´ (>50%) ist an den Dichotomien angegeben. (B) ``Strict consensus´´ Cladogramm von 2 gleich sparsamen Topologien mit je 1047 Schritten. Es wurde keine Gewichtung der 304 Parsimonie- informativen Positionen vorgenommen. Die ``bootstrap´´ Berechnung (1000 Replikate) wurde separat durchgeführt und sind ebenfalls vermerkt. Verwendete Programme für die Parsimonie Analyse: Nona, Winclada. Farbliche Markierungen: Maxillopoda E. affinis (rot), Branchiopoda (gelb), Phyllopoda (hellgelb). Außengruppen: L. polyphemus (Chelicerata) und S. coleoptrata (Myriapoda).


[Seite 45↓]

3.1.2.2  Die phylogenetische Analyse der Phyllopoda mit der Außen­gruppe Anostraca

Trotz der universell einsetzbaren PCR-Primer kam es in einigen Fällen vor, dass die gewünschten Genbereiche in nur so geringer Menge amplifiziert werden konnten, dass auch eine Aufkonzentration der PCR nicht ausreichend gewesen wäre, um das Produkt direkt zu sequenzieren. In diesen seltenen Fällen erwies sich eine Klonierung als sinnvoll. Es wurden folgende Produkte kloniert: 12S von Leptodora, Ceriodaphnia, Evadne und Polyphemus.

Insgesamt sind für die Branchiopoda 35 Taxa (12S rDNA) sequenziert. Der Datensatz umfasst 41 Taxa (inclusive weiterer sechs Taxa aus der Literatur, Hanner undFugate (1997)).

3.1.2.3 Die Wahl eines zuverlässigen Alignments für die 12S Analyse (ohne Berücksichtigung der Sekundärstruktur)

Der erste Schritt zur Durchführung einer phylogenetischen Analyse mit DNA- Daten ist die Erstellung eines Alignments, d.h. einer Datenmatrix basierend auf den erhobenen Sequenzdaten. Diese Matrix ist Ausgangspunkt für eine Vielzahl von unterschiedlichen computercladistischen Methoden bzw. Rechenalgorithmen wie z.B. Maximum Parsimonie oder Maximum Likelihood. Die Ergebnisse dieser Berechnungen ermöglichen, am Ende eine Aussage über das phylogenetische Signal eines gewählten Genabschnittes zur Bearbeitung eines Taxons zu treffen und die phylogenetischen Beziehungen innerhalb dieses Taxons zu evaluieren.

Um einen besseren Einblick über beide Alignmentverfahren (Clustal X und POY) zu erhalten, wurde die Auswirkung beider Alignments auf die ``likelihood´´ Werte unter dem Modell TN+ Γ8 und auch der Schrittanzahl unter Parsimonie Kriterien (NONA) zuvor getestet und miteinander verglichen. Das Ergebnis dieses Vergleichs rechtfertigte die Verwendung des unter Parsimonie Kriterien maximierten Alignments (1:1:2) für die Maximum Likelihood Analysen. Dieser etwas ungewöhnliche Weg wurde gewählt, um die Vergleichbarkeit der einzelnen Topologien zu gewährleisten.

Tabelle 4zeigt eine Gegenüberstellung eines in POY generierten Alignments mit einem entsprechenden Alignment des Programms Clustal X (unter ``default´´ Optionen). Beide Alignments wurden als Basis für eine Parsimonie- und eine Maximum Likelihood Analyse berechnet.

Für eine effizientere Nutzung von POY wurde der 12S Datensatz in drei Teile geteilt Giribet (2001). Die Teilung des Datensatzes wurde auf der Basis der ribosomalen Sekundärstruktur vorgenommen, d.h. jeder Datensatz beginnt und endet mit verhältnismäßig konservierten ``stem´´-Bereichen. Um diese ``stem´´-Regionen zu definieren wurden Informationen des Sekundärstrukturmodells für Artemia franciscana Van de Peer et al. (2000) aus der Antwerpener RNA Datenbank (http://oberon.fvms.ugent.be) hinzugezogen. Obwohl die 12S der Branchiopoda fast vollständig sequenziert wurde, wurden nur ~380 bp phylogenetisch analysiert. Diese Sequenzen repräsentieren hauptsächlich die dritte Domäne (s. auch Abbildung 5). Eine Zuordnung der Sequenzen der ersten und zweiten Domäne zu charakteristischen ``stems´´ und ``loops´´ des Modells war nicht möglich.


[Seite 46↓]

Tabelle 4: Gegenüberstellung eines Clustal X (``default´´-Optionen)- und eines POY Alignments (1:1:1) des 12S Datensatzes der Branchiopoda. Die phylogenetischen Berechnungen wurden mit den Programmen Nona (Parsimonie) und TREE-PUZZLE (ML) durchgeführt.

Methode

Anzahl der Merkmale

Parsimonie-informative Merkmale

Anzahl der Schritte kürzeste Topologie

Log likelihood Modell: TN+Γ8

Clustal X

410

280

2025

- 8011.51

POY

466

281

1863

- 7778.04

Die Gesamtlänge der Alignments unterscheidet sich in beiden Fällen um 56 Positionen. Das ergibt sich durch Insertionen 56 zusätzlicher ``gaps´´ in POY. Demgegenüber ist aber zu bemerken, dass die Anzahl der Parsimonie-informativen Merkmale nahezu gleich bleiben (280 zu 281). Erwartungsgemäß resultierte die Parsimonie Analyse des POY Alignments in einem kürzesten Baum mit deutlich weniger Schritten, als das unter Zugrundelegung des Clustal X Alignments der Fall war. Interessanterweise ergibt das POY Alignment auch unter Maximum Likelihood Kriterien ein signifikant wahrscheinlicheres Dendrogramm als das Clustal X Alignment. Wegen dieser wesentlich höheren Wahrscheinlichkeit liegt auch dem dargestellten Dendrogramm, welches unter Maximum Likelihood Kriterien errechnet wurde, das 12S Alignment des Programmes POY zugrunde.

3.1.2.4 Die 12S rDNA Analyse

In Abbildung 4 ist die beste Maximum Likelihood Analyse (A) und das strikte Consensus-Cladogramm der Parsimonie Analyse (B) von 35 Phyllopoda Taxa und 6 Anostraca Spezies als Aussengruppe dargestellt. Zur Berechnung der ML Topologie wurde das Modell TN+Γ8 zugrundegelegt. Die beste ML Analyse wurde mittels des Kishino-Hasegawa-Tests aus 10.000 intermediären ``Quartet-Puzzling- steps´´ (QP) ermittelt (siehe Kapitel: 2.2.7.5.3) und hat eine Wahrscheinlichkeit von logL –7778.04. Die Unterstützung der einzelnen Äste wird als ``QP-support´´ gezeigt und ermittelte sich aus den zuvor errechneten QP-Schritten. Es wurden nur die Werte ≥ 50 % angegeben.

Für die Parsimonie Analyse wurde das favorisierte Gewichtungsschema (1:1:2) genutzt und resultierte in drei gleich sparsamen ``most parsimonious trees´´ mit jeweils 2126 Schritten. Abbildung 4B zeigt den strikten Consensusbaum. Die Unterstützungen der Dichotomien wird einerseits mit ``decay´´ Indices belegt, andererseits befinden sich für die jeweiligen Gewichtungsschemen der Sensitivitätsanalyse Symbole an den Verzweigungen (siehe Kapitel: 2.2.7.5.4).

Die Ergebnisse beider Analysen sind im wesentlichen kongruent bezüglich der Monophyla der Phyllopodenhaupttaxa. Die Monophyla der Notostraca, Laevicaudata und Spinicaudata (exclusive Cyclestheria hislopi) werden in der Maximum Likelihood Analyse (``QP-support´´ für Spinicaudata ohne C. hislopi 67 %, Notostraca 80 % und Laevicaudata 96 %), sowie mit den meisten Gewichtungen der Sensitivitätsanalyse in der Parsimonie Analyse unterstützt (``decay´´ Index für Matrix 1:1:2 = 11 für Spinicaudata, exclusive C. hislopi, 22 für Notostraca und 20 für Laevicaudata). Eine sichere [Seite 47↓]Monophylie der Cladocera wird durch keine der beiden Analysen unterstützt, wohl aber der Cladoceromorpha (Cladocera + Cyclestheria hislopi). Auch dieses Monophylum wird mit einem hohen ``decay´´ Index (11) belegt. Eine nähere Verwandtschaft von C. hislopi und den Spinicaudata, wie es das traditionelle Spinicaudata Konzept fordert, findet weder in der ML Analyse noch in irgendeiner Sensitivitätsanalyse unter Parsimonie Kriterien Unterstützung. Ein Schwestergruppenverhältnis der Spinicaudata (ohne C. hislopi) und den Cladoceromorpha wird dagegen in beiden Analysen unterstützt, wobei der ``decay´´ Index mit 11 recht hoch ist, der ``QP-support´´ allerdings unter 50 % liegt. Die Astlängen der Phyllopoda (0,392), Laevicaudata (0,294), Notostraca (0,199) und auch Cladoceromorpha (0,223) in der ML Analyse zeigen im Gegensatz zu den Längen innerhalb der Cladoceromorpha (0,137-0,004) und der Spinicaudata (0,050) eine relativ hohe Anzahl an Substitutionen pro Zeiteinheit.

Die Abstammung der Laevicaudata ist in beiden Analysen inkongruent. Die ML Analyse zeigt ein nicht signifikantes Schwestergruppenverhältnis (< 50%) von Laevicaudata und Notostraca. Dieses Ergebnis wurde, ebenfalls nur gering unterstützt, auch in einigen Analysen der 18S rDNA erzielt Spears undAbele (2000). Die direkte Optimierung der Parsimonie Analyse (POY) favorisiert dagegen unter drei verschiedenen Gewichtungsschemen eine basale Stellung der Laevicaudata als Schwestergruppe zu allen übrigen Phyllopoda. Die Parsimonie Analyse unter der Gewichtung 1:2:2 unterstützt, ebenso wie die ML Analyse, das Schwestergruppenverhältnis zwischen Notostraca und Laevicaudata (Parsimonie Cladogramm hier nicht gezeigt). In keiner der Analysen konnte jedoch ein Schwestergruppenverhältnis der Laevicaudata zu den Spinicaudata Walossek (1995), und Cladocera bzw. Cladoceromorpha gezeigt werden. Somit kann anhand der mitochondrialen 12S rDNA Analyse ein Monophylum der Diplostraca (Laevicaudata + Spinicaudata + Cladocera, respektive Cladoceromorpha) nicht unterstützt werden.

Für die wesentlichen hier zu erörternden Fragen der Verwandtschaftsbeziehungen innerhalb der Cladoceren-Taxa zeigen beide Analyseverfahren kongruente Ergebnisse. Die Ctenopoda und auch die Onychopoda werden sowohl in der ML Analyse, als auch in allen fünf Gewichungsschemata übereinstimmend als Monophylum gezeigt. Eine Monophylie der Anomopoda wird dagegen nicht unterstützt. In dieser Studie erscheinen sie paraphyletisch. Dies betrifft auch das verwandtschaftliche Verhältnis von Cyclestheria hislopi zu den Cladocera. Beide Berechnungen unterstützen das Cladoceromorpha- Konzept, wonach Cyclestheria hislopi in näherer Verwandtschaft zu den Cladocera steht als zu den verbleibenden Spinicaudata. Die Cyclestheriidae haben allerdings ein Schwestergruppenverhältnis zu den Chydoridae (Eurycercus lamellatus und Pseudochydorus globosus). Dieses Resultat zeigt sich in der ML Analyse und in der Parsimonie Analyse mit der favorisierten Gewichtung 1:1:2. Es sei jedoch erwähnt, dass durch die Gewichtungen 1:2:2 und 1:2:4 eine Schwestergruppenbeziehung von Cyclestheria hislopi zu den in diesen Fällen monophyletischen Cladoceren unterstützt wird. Die inkongruenten Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse zeigen zumindest, dass eine Monophylie der Cladocera anhand dieses Datensatzes nicht gezeigt werden kann. Die Resultate bezüglich der Stellung von Leptodora kindtii innerhalb der Cladocera (Gymnomera- versus Eucladocera- Konzept) zeigen übereinstimmend die Monophylie der Gymnomera mit einem Schwestergruppenverhältnis von L. kindtii zu den Onychopoda. Das Verhältnis wird durch zwei [Seite 48↓]Gewichtungen, und mit einem DI von 2 in der Parsimonie Analyse und <50% (QP) in der ML Analyse allerdings nur schwach bzw. nicht signifikant unterstützt. In diesem Zusammenhang erscheint es interessant zu erwähnen, dass die Ctenopoda als Schwestertaxon zu den Gymnomera in beiden Analysen favorisiert werden, in der Parsimonie Analyse sogar mit relativ hoher Unterstützung (drei Gewichtungen, DI 7). Morphologische Analysen unterstützen eher eine basale Stellung der Ctenopoda als Schwestergruppe zu den Anomopoda + Gymnomera Martin undCash-Clark (1995). Innerhalb der Anomopoda, die hier nicht als monophyletisch gezeigt werden, ist das Monophylum Daphniidae in der Parsimonie Analyse gut unterstützt (vier Gewichtungen, DI 7).

Innerhalb der Spinicaudata werden die drei Familien (Leptestheriidae, Cyzicidae, Limnadiidae) in der Parsimonie Analyse als Monophyla ausgewiesen. Keine Unterstützung finden die Cyzicidae in der ML Analyse. Hier erscheint Eocyzicus spec. als Schwestertaxon zu den Limnadiidae. Auch die Stellung der Leptestheriidae als Schwestertaxon zu den Cyzicidae und Limnadiidae (vier Gewichtungen, DI 5) findet keine Unterstützung in der ML Analyse. Dieses Ergebnis ist unter dem Gesichtspunkt der unterschiedlichen Analyseformen (Parsimonie und Maximum Likelihood) bemerkenswert, da ein offensichtlich gut unterstütztes Schwestergruppenverhältnis (Leptestheriidae (Cyzicidae, Limnadiidae)) in der Parsimonie Analyse keine Kongruenz in der ML Analyse findet.


[Seite 49↓]

Abbildung 4: Phylogenetische Analyse der dritten Domäne (und partiell der 2. Domäne) der mitochondrialen 12S rDNA der Phyllopoda (Außengruppe: Anostraca). Das zugrundeliegende Alignment wurde mit dem Programm POY erzeugt und weist eine Länge von 465 Positionen auf. (A) ``Best´´ Maximum Likelihood Dendrogramm (logL.–7778.04), ermittelt aus 10.000 Quartet- Puzzle- Topologien (s.o. Text) unter dem Modell TNΓ8. Die Astlängen beziehen sich auf den gezeigten Stammbaum, der ``QP-support´´ (>50%) bezieht sich auf die Consensustopologie mit einem logL. –7931.91 (hier nicht gezeigt). (B) Parsimonie Analyse. Gezeigt ist das strikte Consensuscladogramm aus drei gleich sparsamen Topologien á 2126 Schritten unter dem Gewichtungsschema Transition:Transversion:``gap´´ (1:1:2). ``Gaps´´ wurden als fünftes Merkmal gewichtet. Oberhalb der Dichotomien wird der ``decay´´ Index gezeigt, unterhalb das Ergebnis der Unterstützung unter fünf verschiedenen Gewichtungsschemata der Sensitivitätsanalyse: ■1:1:2, □1:1:1, ●1:2:2, ○1:2:4, ˜1:1:10. Programme: POY (Parsimonie), jack2hen.exe (Consensus), PHAST (``decay´´ Indices). Farbliche Markierung innerhalb der Cladoceromorpha (gelb) : Daphniidae (weiß), Gymnomera (grün), Onychopoda (hellgelb).


[Seite 50↓]

3.1.2.5  Die Analyse der Sekundärstruktur der 3. Domäne der mito­chondrialen 12S rRNA

Die meisten rRNA Alignments, die die strukturellen Komponenten einer ribosomalen RNA berücksichtigen, basieren auf einem comparativen Ansatz jeder einzelnen Sequenz mit einem (oder mehreren) Modell(en).

Das in Abbildung 5 dargestellte Modell der 12S rRNA von Artemia franciscana (X69067) wird als Grundlage für die weiteren Betrachtungen der dritten Domäne und partiell der zweiten Domäne (beide grau) der 12S rRNA der Branchiopoda verwendet. Auf diese Weise konnten die konservierten Helixregionen für die ``stems´´ 31, 32, 33, 34, 35, 36 und 38 relativ leicht identifiziert werden. Schwieriger stellte es sich allerdings für die in Abbildung 5 in den gelb markierten Bereichen zu findenden ``stems´´ 39-42 und ``stems´´ 45-48 dar. Die Bereiche um die ``stems´´ 39 bis 40 und 45 bis 48 weisen in ihrer primären RNA- Struktur wenig Ähnlichkeiten zu dem vorgegebenen Modell auf (siehe unten).

Für ``stem´´ 27 liegen die Sequenzdaten nicht vollständig vor, dennoch konnte aufgrund einer recht hohen Konservierung das Ende der ``stem´´-Hälfte 27, sowie der Beginn der korrespondierenden ``stem´´-Hälfte 27’ festgelegt werden.

Um die potentiellen Nukleotidhomologien der Bereiche 39-42 und 45-48 für ein entsprechendes Alignment zu erkennen, wurde für die Regionen das vorgeschlagene Modell von Hickson et al. Hickson et al. (1996) verwendet. Ausschnitte des Modells sind ebenfalls in Abbildung 5 in generalisierter Form dargestellt. Das Modell weicht in den fraglichen Bereichen leicht vom Vorschlag der Antwerpener Datenbank De Rijk et al. (2000) ab und wurde aufgrund größerer Übereinstimmung mit dem Datensatz der Branchiopoda übernommen. Für einige Vertreter aller Haupttaxa der Branchiopoda sind die Bereiche von ``stem´´ 38 bis 42 und 45 bis 48 (Abbildung 6) schematisch dargestellt.

Alle folgend beschriebenen Sequenzmotive sind in den Abbildung 5 und Abbildung 6 rot bzw. grün dargestellt. Im Text beschriebene Ambiguitäten (z.B. „R“) richten sich nach dem IUPAC- IUB ``ambiguity set´´ Code und verweisen darauf, dass diese Positionen innerhalb der Metazoa zwischen – im genannten Beispiel - zwei Basen (A/G) variabel sind. Kleine Buchstaben bezeichnen einen Konservierungsgrad von 78% innerhalb aller von Hickson et al. Hickson et al. (1996) untersuchten Metazoa.

Die dritte Domäne beginnt unmittelbar nach dem unpaaren Bereich stromabwärts der ``stem´´-Hälfte 31’ mit ``stem´´ 32 , der bei allen Branchiopoda in der angenommenen Form gefunden werden kann. Das Motiv „GRCGG“ (R=G/A) der ``stem´´-Hälfte 32 wird auch hier, wie in allen zuvor untersuchten Metazoa Hickson et al. (1996) realisiert. ``Stem´´ 33 ist ebenfalls mit einer Länge von fünf Basenpaaren konserviert und verfügt über eine signifikante GU-Basenpaarung, die 100%-ig in allen weiteren untersuchten Branchiopoda vorkommen. Zwei der sogenannten ``non Watson-Crick´´ (GU) Basenpaarungen werden auch im folgenden ``stem´´ 34 als nicht variabel innerhalb der Branchiopoda beobachtet. Ein nicht paarendes Adenin in der ``stem´´-Hälfte 34’, wie bei Artemia beobachtet wird, kann für die Branchiopoda für nur fünf Taxa bestätigt werden. In den meisten Fällen wird hier ein Guanosinrest beobachtet. ``Stem´´ 35 ist zwei Basenpaare lang, wobei das zweite Basenpaar (GC) [Seite 51↓]sowohl bei den Branchiopoda als auch bei allen übrigen untersuchten Metazoa nicht variabel ist Hickson et al. (1996). Das dem ``stem´´ 35 unmittelbar vorangehende konservierte Nukleotid Adenin wurde in den Branchiopoda in nur zwei Taxa (Artemia und Leptodora) gefunden und ist in allen anderen Fällen durch Uracil ersetzt. Für gewöhnlich wird ``stem´´ 36 als sieben Basenpaare lange Helix dargestellt, unmittelbar nach einem konservierten Adeninrest des vorangehenden unpaaren ``loop´´-Bereiches. Dies kann i.a. für die Branchiopoda bezüglich der Länge der Helix bestätigt werden. Das konservierte Adenin wird allerdings nur in 78% aller untersuchten Branchiopoda beobachtet. ``Stem´´ 38 beginnt nach einem konservierten Adeninrest, welcher auch innerhalb der Branchiopoda in 93% der Fälle gefunden wird. Nukleotide, die an der Bildung des ``stem´´ 38 beteiligt sind, gehören zu den am stärksten konservierten Nukleotiden der dritten Domäne, können aber wie in Abbildung 5 (Vergleich des Ausschnittmodells mit der Struktur von Artemia) auf unterschiedliche Weise miteinander paaren. Die Nukleotidfolge „URURUA“ wird in allen untersuchten Metazoa als sehr konserviert beobachtet und wird in beiden hier gezeigten Modellen von van de Peer et al. Van de Peer et al. (1994), Gutell et al. Gutell et al. (1994) und Hickson et al. Hickson et al. (1996) in gleicher Weise bezüglich der Paarung mit der ``stem``-Hälfte 38’ hypothetisiert. Dieser ``stem´´-Bereich beinhaltet einen asymetrischen ``bulge loop´´ „UA“ und kann für die hier untersuchten Branchiopoda bestätigt werden (Ausnahme: Pseudochydorus und Eurycercus). Ein großer Unterschied in ``stem´´ 38 zwischen dem Modell von van de Peer et al. Van de Peer et al. (1994), Gutell et al. Gutell et al. (1994) und dem hier angewendeten Modell Hickson et al. (1996) besteht in dem Postulat eines wahrscheinlicheren symmetrischen, sechs Basen umfassenden ``bulge loops´´ „rcc|yaA“ (y=C/T) gegenüber einem asymmetrischen (CAA). Ein symmentrischer ``bulge loop´´ in diesem Bereich wirkt sich thermodynamisch wesentlich günstiger auf die Stabilität des ``stems´´ aus Hickson et al. (1996). Ausschlaggebend ist hierfür das proximal gelegene Motiv „rcc“. Insbesondere bei einigen Insekten (z.B. Cicada, Odonata) findet sich hier häufig statt eines Purins („r“) ein Uracil (Pyrimidin). Dieses Uracil würde bei einer Paarung nach Gutell und van de Peer in einem höchst ungewöhnlichen vier Basen umfassenden ``bulge´´ im distalen Bereich resultieren Hickson et al. (1996). Im Datensatz der Branchiopoda wurde ebenfalls ein Uracil statt eines Purins in 27% aller untersuchten Spezies gefunden. Es wird daher für die Branchiopoda hier ebenfalls ein symmetrischer ``bulge loop´´ angenommen. Das Motiv „yaA“, meist in Form eines „CAA“, ist in jedem Fall innerhalb aller untersuchten Metazoa konserviert und verhält sich immer unpaar zur ``stem´´-Hälfte 38.

Während van de Peer ``stem´´ 39 als zwei basenpaarigen ``stem´´ beschreibt, besteht dieser ``stem´´ nach Hickson et al. Hickson et al. (1996) und Gutell Gutell et al. (1994) für gewöhnlich aus sechs Nukleotidpaarungen und folgt unmittelbar auf ein konserviertes Adenin. Sowohl der Adeninrest (100% bei Branchiopoda), als auch die postulierten Nukleotidpaarungen „ry“ und „yr“ können bei den Branchiopoda gefunden werden, allerdings weicht die Nukleotidkomposition in der ``stem´´-Hälfte 39’ an diesen Positionen häufig ab. ``Stem´´-Hälfte 40 („yyy“) folgt ohne unpaaren Bereich im Modell nach Hickson et al. Hickson et al. (1996) sofort auf ``stem´´-Hälfte 39 und ist zu 88% bei den Branchiopoda zu finden (Ausnahme: Anostraca mit „urr“). ``Stem´´-Hälfte 40’ mit dem Motiv „rrr“ kommt in den Branchiopoda zu 76% vor. Die ``stem´´-Hälften 40’ und 39’ sind i.d.R. durch ein Nukleotid voneinander getrennt, wobei hier eine Insertion von einem oder mehreren Nukleotiden innerhalb der Metazoa beobachtet wird und für die Spezies Simocephalus innerhalb der Branchiopoda bestätigt werden kann. Die ``hairpin´´-Struktur des ``stems´´ 42 wird als drei bis vier basenpaarige hochvariable Helix mit dem in der dritten Domäne [Seite 52↓]am stärksten variierenden ``loop´´- Bereich beschrieben. Die hohe Variabilität des ``hairpins´´ wird auch in den Branchiopoda sichtbar, wobei ``stem´´ 42 i.d.R. aus vier Paarungen besteht und der ``loop´´ dagegen durch einige Insertionen charakterisiert ist. Der unpaare Bereich zwischen ``stem´´ 42 und ``stem´´ 38 verfügt innerhalb der Branchiopoda ebenfalls über das durch Hickson et al. Hickson et al. (1996) postulierte Motiv „AyryYA“. Helices 45 und 47 sind ebenfalls hochvariabel, können allerdings durch das Vorkommen stark konservierter Motive innerhalb der unpaaren ``loop´´-Bereiche bei den Branchiopoda postuliert werden. So folgt ``stem´´ 45 (vermutlich drei Nukleotidpaarungen innerhalb der Branchiopoda) unmittelbar dem Motiv „UACAnU“, wobei das letzte Uracil in der ersten Basenpaarung der Helix involviert ist.


[Seite 53↓]

Abbildung 5: 12S rRNA Sekundärstruktur von Artemia spec. (X69067). Numerierung der ``stems´´ erfolgte gemäß dem Vorschlag der ``European Ribosomal RNA Database´´ (http://www.oberon.fvms.ugent.be:8080/rRNA/ index.html). Die dritte Domäne wurde dunkelgrau markiert, der hellgraue Bereich markiert partiell die zweite Domäne. Die gelb markierten Bereiche wurden gesondert nach dem Modell von Hickson et al. Hickson et al. (1996) betrachtet (siehe Text), welches in generalisierter Form für die entsprechenden Ausschnitte dargestellt ist. Symbole: = variable Position, ∧ Insertionen möglich. Für weitere Erläuterungen der Symbole siehe ebenfalls Text.


[Seite 54↓]

Abbildung 6: Ausschnitt (``stem´´ 38, 39, 40, 42) der 12S rRNA Sekundärstruktur der 3. Domäne einiger Vertreter der Anostraca, Notostraca und Laevicaudata, basierend auf dem Modell von Hickson et al. Hickson et al. (1996). Am Beispiel von Artemia spec. sind Sequenzmotive gemäß Abbildung 5 rot und die entsprechenden Nukleotide von Artemia in grün bezeichnet.


[Seite 55↓]

Weitere Vertreter der Spinicaudata, Cyclestheria hislopi und der Cladocera (``stem´´ 38, 39, 40, 42).


[Seite 56↓]

Ausschnitt (``stem´´ 33, 34, 45, 47, 48) der 12S rRNA Sekundärstruktur einiger Anostraca, Notostraca und Laevicaudata.


[Seite 57↓]

Ausschnitt (``stem´´ 33, 34, 45, 47, 48) der 12S rRNA Sekundärstruktur einiger Spinicaudata, Cladocera und Cyclestheria.


[Seite 58↓]

Länge und Position des ``stems´´ 47 variieren stark, insbesondere innerhalb der Invertebrata Hickson et al. (1996), allerdings ist nahe seinem Beginn das Motiv „rYgrr“ zu beobachten. Die Nukleotide „Y“ und „g“ dieses Motivs binden innerhalb der Tertiärstruktur vermutlich mit den Nukleotiden „R“ und „a“ aus dem Motiv „yRaarr“ des ``loop´´- Bereiches zwischen ``stem´´ 47 und 33. Diese Tertiärstruktur ist meistens als G-C bzw A-G Paarung manifestiert Gutell et al. (1994). Die entsprechenden Motive können in den meisten Fällen durch die Branchiopoda bestätigt werden. Der ``hairpinloop´´ der Helix 47 ist durch das Motiv „yrarr“ charakterisiert, scheint aber bei den Branchiopoda nur in einigen Fällen erhalten zu sein (z.B. Spinicaudata).

``Stem´´ 48 ist ebenfalls in Länge und Position variabel und beginnt mit dem letzten Nukleotid des konservierten ``loop´´-Motivs „GUAA“, welches auch in der Consensussequenz der Branchiopoda invariabel vorkommt. Die genaue Länge des ``stems´´ kann allerdings innerhalb der Branchiopoda nicht festgestellt werden aufgrund einer offensichtlich erheblich längeren Deletion innerhalb der Anostraca und Pseudochydorus (Cladocera). Als einzige konservierte Nukleotidpaarung kann hier lediglich die Bindung A-U beobachtet werden. Diese Bindung definiert Beginn und Ende der jeweiligen ``stem´´-Hälften.

Auf der Basis der für die Branchiopoda definierten Sekundärstruktur wurde ein manuelles Alignment erstellt. Bereiche, deren homologe Positionen nicht klar manifestiert werden konnten (z.B. ``stem/loop´´ 48, ``hairpinloop´´ 42), wurden gesondert aligned (Clustal X) und nachträglich eingesetzt. Das auf diese Weise generierte Alignment weist mit einer Gesamtlänge von 408 Nukleotiden im Vergleich zum POY Alignment (465 Merkmale) wesentlich weniger Positionen auf, was sich in der Anzahl der ``gaps´´ wiederspiegelt. Diese ``indels´´ befinden sich im POY Alignment im wesentlichen in den ``loop´´ Bereichen aber auch in einigen ``stem´´-Hälften (z.B. ``stem´´-Hälfte 38 und ``stem´´-Hälfte 34’). Übereinstimmungen zwischen den beiden Alignments finden sich bei den ``stems´´ 31, 32, 35 und 36. Die anderen ``stems´´ wurden durch das POY Alignmentverfahren entweder nicht gefunden (``stems´´ 42, 45, 47) oder weichen in Einzelpositionen (``stems´´ 34, 38) innerhalb der ``stems´´ vom Strukturalignment ab. Beide Alignments sind als Anhang der Arbeit beigefügt.

Zur Verdeutlichung der Unterschiede der Alignments ist in Abbildung 7 ein Ausschnitt des POY Alignments und der korrespondierende Ausschnitt des Sekundärstrukturalignments im Vergleich dargestellt. Betrachtet wird hier beispielsweise die ``stem´´-Hälfte 38 und die flankierenden ``loop´´-Bereiche (s.a. Abbildung 5). Das POY Alignment favorisiert einen erheblich größeren Anteil an Insertionen / Deletionen im proximalen ``loop´´-Bereich, wobei der endständige Adenosinrest (rot dargestellt; zu 93% vorhanden in den Branchiopoda) nicht einheitlich homologisiert wird. Die Homologisierung des endständigen Adenosinrestes im Sekundärstrukturalignment führte hier zunächst zu einer erheblichen Stauchung des ``loops´´ (Eliminierung von ``gaps´´). Desweiteren wurden derartige Nukleotide homologisiert, wie z.B. der Uracilrest von Cyclestheria und Eulimnadia im POY Alignment, verdeutlicht durch den vertikal verlaufenden Pfeil oder auch der Adenosinrest im stromaufwärts gelegenen ``loop´´-Bereich zwischen Lepidiurus bilobatus und Triops longicaudatus (grün dargestellt). Die ``stem´´-Hälfte 38 wurde durch das POY Alignment ebenfalls mit einigen zusätzlichen ``gaps´´ versehen, die durch die Homologisierung des ``loop´´-endständigen Nukleotidrestes einiger Taxa (dargestellt durch gebogene Pfeile) mit dem ersten Nukleotid der [Seite 59↓]``stem´´-Hälfte der verbleibenden Arten zustande kommen. Auch dieser Bereich wurde im Strukturalignment entsprechend berichtigt, was ebenfalls zu einer Eliminierung von ``gaps´´ führt.

Abbildung 7: Darstellung der Vorgehensweise zur Erstellung eines visuellen Alignments am Beispiel der``stem´´-Hälfte 38 und der flankierenden ``loop´´-Regionen. Links: Ausschnitt aus dem POY Alignment. Rechts: Ausschnitt aus dem Strukturalignment. Pfeile überhalb des POY Alignments deuten an, dass die ``loop´´-Region insgesamt für das Strukturalignment gestaucht wurde. Gebogene Pfeile weisen beispielartig auf einige Nukleotide, die durch POY als erstes Nukleotid der ``stem´´-Hälfte 38 homologisiert werden, im Strukturalignment aber als letztes Nukleotid der vorangehenden ``loop´´-Region. Die durch das Sekundärstrukturmodell putativen endständigen, konservierten Nukleotidreste sind rot dargestellt, die ``stem´´-Hälfte ist blau dargestellt.


[Seite 60↓]

3.1.2.6  Phylogenetische Analyse des 12S rRNA Sekundärstruktur
Alignments

Abbildung 8 zeigt das Ergebnis der Maximum Likelihood Analyse (A) und der Parsimonie Analyse (B) mit der Gewichtung Transition: Transversion: ``gaps´´ (1:1:2). Beide Analysen zeigen in den wesentlichen Punkten übereinstimmend die Monophylie der Haupttaxa Notostraca, Laevicaudata und Cladocera. Cyclestheria hislopi erscheint hier als Schwestergruppe zu den Cladocera. Somit zerfällt auch in dieser Analyse das traditionelle Taxon Spinicaudata. Die verbleibenden Spinicaudata bilden die Schwestergruppe zu den Cladoceromorpha (C.hislopi + Cladocera). Wie auch in der Einzelanalyse ohne Betrachtung der Sekundärstruktur bilden in der ML Analyse die Laevicaudata die Schwestergruppe zu den Notostraca und beide zusammen die Schwestergruppe zu allen übrigen Phyllopoda. Das Taxon Diplostraca findet hier in der ML Analyse abermals keine Unterstützung, wohl aber wird eine Schwestergruppenbeziehung der Laevicaudata zu den Spinicaudata und Cladoceromorpha in der Parsimonie Analyse gezeigt, jedoch ohne nennenswerte Unterstützung. Innerhalb der Cladocera bilden die Onychopoda in beiden Analysen ein Monophylum. Eine phylogenetisch nahe Verwandtschaft des Haplopoden Leptodora kindtii zu den Onychopoda kann auch hier gezeigt werden. Die Ctenopoda bilden in der ML Analyse ein Schwestergruppenverhältnis zu den Daphniidae.

Insbesondere bezüglich der Stellung von C.hislopi und seiner Beziehung zu den Cladocera bringt die phylogenetische Analyse auf der Basis eines anhand der Sekundärstruktur visuell korrigierten Alignments eine Verbesserung. In beiden Analysen wird C. hislopi als Schwestertaxon zu den Cladocera gezeigt. Eine vollständige Kongruenz zwischen beiden Methoden kann allerdings auch hier nicht erreicht werden. Dies betrifft besonders die Stellung der Laevicaudata. Insgesamt sind die einzelnen Unterstützungen im Durchschnitt allerdings als eher mäßig zu bewerten, was vermutlich mit der Kürze des Genabschnittes zusammenhängt.

Auffällig sind in der Parsimonie Analyse einige Splits innerhalb der Notostraca und Spinicaudata. Die durch die zuvor mittels POY favorisierten Schwestergruppenverhältnisse der Triopsidae ((L.apus, L. bilobatus) (T.cancriformis, T. australiensis, T. longicaudatus)) werden durch das Sekundärstukturalignment nicht mehr gestützt. Gleiches gilt auch für die Limnadiidae innerhalb der Spinicaudata. In Abbildung 8 werden sie als Monophylum dargestellt, dieses Verhältnis wird durch die Analyse des Sekundärstrukturalignments nicht bestätigt. Das Ergebnis der ML Analyse weicht im Vergleich zur ML Analyse des POY Alignments in diesen Gruppen nicht voneinander ab.


[Seite 61↓]

Abbildung 8: Phylogenetische Analyse der Phyllopoda basierend auf der 3. Domäne (und partiell der 2.) der mitochondrialen 12S rRNA. Das zugrunde liegende Alignment weist eine Länge von 408 Positionen auf und wurde auf der Basis der Sekundärstruktur visuell erstellt. (A) ``Best´´ Maximum Likelihood Dendrogramm (logL. –8160.02), ermittelt aus 10.000 Quartet- Puzzle-Topologien. Verwendetes Modell TN+Γ8. Unterstützungen der Dichotomien sind als ``QP-support´´ angegeben (wie für Abb. 4 erklärt). Die Astlängen beziehen sich auf den gezeigten Stammbaum. (B) ``Strict´´ Consensuscladogramm aus zwei gleich sparsamen Topologien á 2560 Schritten. Es wurde die Gewichtung Transition:Transversion:``gap´´ (1:1:2) angenommen (``gaps´´= 5. Merkmal). Die Unterstützungen resultieren aus einer ``bootstrap´´ Analyse (1000 Replikate) und sind für >50% angegeben. Programm (Parsimonie): Paup Vers.4 (beta).


[Seite 62↓]

3.1.2.7  Das hoch konservierte Gen EF-1α

Das zugrundeliegende Nukleotidalignment der 19 Arten mit 942 Merkmale weist keine Ambiguitäten auf (0 ``gaps´´). Es schien daher zweckmäßig die Sequenzen mit dem Programm Clustal X unter den vorgegebenen (``default´´) Optionen zu alignen. Abbildung 9A und B zeigen die Ergebnisse der Maximum Likelihood- und Parsimonie Analysen. Es wurden zunächst alle Nukleotidpositionen in die Analyse mit einbezogen (Abbildung 9) und in einer weiteren Berechnung die dritte Codonposition eliminiert (Abbildung 10). Für die ML Analysen (jeweils A) erwies sich ebenfalls das Modell TN+Γ8 als das geeignetste Modell (mit dem signifikant höchsten ``log likelihood´´). In der Parsimonie Analyse wurde keine Gewichtung zugrunde gelegt. Basierend auf allen Codonpositionen resultierte die Berechnung in einem sparsamsten Cladogramm (Parsimonie) mit einer Länge von 1411 Schritten. Die ``bootstrap´´ Analyse umfasste 1000 Replikate. Als Maximum Likelihood Analyse ist der strikte Consensus aus 391 Quartet-Puzzle-Topologien dargestellt.

In beiden Analysen erhalten auch hier, wie schon in den 12S Analysen, die gezeigten Monophyla der Notostraca (BA 70%, CML 96%) und Spinicaudata ohne C. hislopi (BA 94%, CML 94)sehr gute Unterstützung. Die Cladocera sind hier weder in der Parsimonie-, noch in der Maximum Likelihood Analyse monophyletisch. Innerhalb der Cladocera erfahren die Onychopoda ebenfalls eine gute bis sehr gute Unterstützung. (BA 88%, CML 100%). Obwohl eine Monophylie der Cladocera hier nicht gezeigt werden kann, da der Haplopode Leptodora kindtii (Parsimonie) bzw. L.kindtii und die Ctenopoda (ML) nicht innerhalb der Cladocera zu finden ist, sondern jeweils als Schwestergruppe der Spinicaudata (ohne C. hislopi) gezeigt wird, ist die relative Position von (Laevicaudata (Notostraca (Spinicaudata + Cladocera))) ähnlich den Beziehungen, die in der vorherigen 12S Analyse (Abbildung 4B) gezeigt wird. Einen wesentlichen Unterschied stellt die Beziehung von Cyclestheria hislopi zu den übrigen Phyllopoda dar. Diese Aufspaltung wird zwar verhältnismäßig gut in der Parsimonie Analyse gestützt (BA 76%), jedoch nicht in der ML Analyse. In der ML Analyse erscheint C. hislopi nicht in der Innengruppe. Die hier aufgezeigte basale Stellung von C. hislopi innerhalb der Phyllopoda oder sogar als Aussengruppe scheint artifiziell zu sein. Wie folgend gezeigt wird, gibt es Hinweise dafür, dass diese Stellung durch eine hohe Saturation der dritten Codonposition ausgelöst wird. Zu diesem Zweck wurde eine weitere Analyse unter Ausschluss der dritten Codonposition durchgeführt (Abbildung 10). In dieser Analyse erscheint das Taxon C.hislopi in näherer Verwandtschaft zu den Spinicaudata und Cladocera und ist in dieser Beziehung kongruent zu den zuvor gezeigten12S Analysen.

Eine entsprechende Analyse der alignten Aminosäuresequenzen resultierte mit beiden Methoden in einer nicht aussagekräftigen Polytomie (hier nicht gezeigt), was auf den starken Konservierungsgrad des Gens zurückzuführen ist.


[Seite 63↓]

Abbildung 9: Phylogenetische Analyse des Gens EF-1α der Phyllopoda (Außengruppe: Anostraca). Das Alignment weist eine Länge von 942 Nukleotidpositionen auf. Es wurden alle Positionen berechnet. (A) ``Strict´´ Consensus Dendogramm aus 391 Quartet- Puzzle- Topologien (Maximum Likelihood) mit einer Wahrscheinlichkeit von logL. –7073.37. Es wurden 983 Topologien getestet, davon waren 390 Topologien nicht signifikant schlechter als der ``best ML´´. (logL. –7068.50). Astlängen und logL. wurden für das gezeigte Dendrogramm als ``user tree´´ berechnet. Modell: TN+Γ8. Der Consensus wurde mit dem Programm Phylip Vers. 3.5c generiert. Die Unterstützung der Dichotomien bezieht sich auf die Anzahl der Splits in 391 Topologien (in %). (B) ``Most parsimonious´´ Cladogramm (307 informative Merkmale) mit einer Länge von 1411 Schritten. Es wurde keine Gewichtung der Positionen vorgenommen. Die ``bootstrap´´ Analyse (1000 Replikate) ist vermerkt. Programme (Parsimonie): Nona, Winclada. Farbliche Markierungen kennzeichnen: Notostraca (grün), Spinicaudata (orange), Onychopoda (Cladocera) (gelb), Laevicaudata (hellrosa) und Cyclestheria hislopi (dunkelrosa).


[Seite 64↓]

Abbildung 10: Phylogenetische Analyse des Gens EF-1α der Phyllopoda (Außengruppe: Anostraca). Es wurden nur die ersten und zweiten Codonpositionen berücksichtigt (=628 Positionen). (A) ``Strict´´ Consensus Dendrogramm aus 489 Quartet- Puzzle- Topologien (Maximum Likelihood) mit einer Wahrscheinlichkeit von logL. –2336.52. Modell: TN+Γ8. Es wurden insgesamt 1000 Topologien getestet, davon waren 488 Topologien nicht signifikant schlechter als der ``best ML´´ (logL. –2325.67). Astlängen und Wahrscheinlichkeit für das Consensus Dendrogramm wurde als ``user tree´´ berechnet. Der Consensus wurde mit dem Programm Phylip Vers. 3.5c generiert. Die Unterstützungen der Dichotomien beziehen sich auf die Anzahl der in den 489 Topologien gefundenen Splits (in %). (B) ``Strict´´ Consensus Cladogramm aus zwei gleich sparsamen Topologien á 285 Schritten der Parsimonie Analyse. Es wurde keine Gewichtung der Positionen vorgenommen. Die ``bootstrap´´ Analyse (1000 Replikate) ist an den Dichotomien vermerkt. Verwendete Programme: Nona, Winclada. Farbliche Markierungen wie in Abbildung 9.


[Seite 65↓]

3.1.2.8  Der kombinierte Datensatz 12S rRNA basierend auf der Sekundärstruktur und dem proteincodierenden Gen EF-1α

Dieser Analyse liegt das manuell erstellte 12S rRNA-Alignment kombiniert mit dem EF-1α Datensatz (exclusive der 3. Codonposition) zugrunde und hat eine Gesamtlänge von 1036 Positionen. Es wurden die 19 Spezies, für die beide Sequenzen vorliegen, berücksichtigt. Abbildung 11A zeigt ein ML Consensusdendrogramm (logL –7341.78) aus 260 verschiedenen QP-Topologien. Insgesamt wurden 974 Topologien zuvor getestet. Auch hier bezeichnen die angegebenen prozentualen Werte die Erscheinungshäufigkeiten der Dichotomien in den 260 Einzeltopologien. Das Ergebnis des besten ML Stammbaums mit einem logL von –7336.12 (hier nicht gezeigt) ist in vollständiger Übereinstimmung mit dem Consensusbaum.

Abbildung 11B zeigt das strikte Consensuscladogramm der Parsimonie Analyse, wobei keine Positionsgewichtung vorgenommen wurde. Dieser Weg wurde gewählt, um den Einfluss des EF-1α Datensatzes nicht zu unterdrücken. Die Analyse resultierte in drei gleich sparsamen Topologien mit 1406 Schritten. Die ``bootstrap´´ Analyse umfasste 1000 Replikate.

Beide Analysen ergaben kongruente Ergebnisse. Abermals werden die Hauptgruppen (Notostraca, Cladocera, Laevicaudata) mit hoher Unterstützung als jeweils monophyletisch ausgewiesen. Ein einheitliches Bild ergibt sich auch bei dem Schwestergruppenverhältnis C. hislopi zu den Cladocera. Dieser Split wird im Consensus der ML Topologien sehr hoch unterstützt (CML 94%), in der Parsimonie Analyse jedoch nur moderat (BA 62%). Die Gymnomera innerhalb der Cladoceraerhalten in beiden Analysen hohe Unterstützung (CML 87% und BA 86%).

Bemerkenswert ist die Stellung der Laevicaudata. Beide Analysemethoden ergeben übereinstimmend eine Schwestergruppenbeziehung der Laevicaudata zu den Spinicaudata + Cladoceromorpha. Somit wird erstmalig in den hier gezeigten Stammbäumen das Konzept der Diplostraca kongruent mit beiden Analysemethodenunterstützt.


[Seite 66↓]

Abbildung 11: Phylogenetische Analyse des kombinierten Datensatzes bestehen aus der 12S rRNA (visuell erstelltes Alignment) und EF-1α der Phyllopoda (Außengruppe: Anostraca). Das Alignment weist eine Länge von 1036 Nukleotiden auf. (A) ``Strict´´ Consensusdendrogramm aus 260 Quartet-Puzzle-Topologien (Maximum Likelihood) mit einer Wahrscheinlichkeit von logL. –7341.87. Modell: TN+Γ8. Es wurden insgesamt 974 Topologien getestet, davon waren 259 Topologien nicht signifikant schlechter als der ``best ML´´ (logL. –7336.12). Astlängen und Wahrscheinlichkeit des Consensusdendrogramms wurden als ``user tree´´ berechnet. Programm zur Erstellung des Consensus: Phylip Vers. 3.5c. Die Unterstützungen beziehen sich auf den prozentualen Anteil der in den 260 Topologien gefundenen Splits. (B) ``Strict´´ Consensuscladogramm der Parsimonie Analyse aus drei gleich sparsamen Topologien á 1406 Schritten. Es wurde keine Gewichtung vorgenommen. Die ``bootstrap´´ Werte (1000 Replikate) sind an den entsprechenden Dichotomien vermerkt. Verwendete Programme: Nona, Winclada.


[Seite 67↓]

3.1.2.9  Die Vergleichbarkeit der verschiedenen Cladogramme

Um zu testen, inwieweit die verschiedenen Topologien, die auf der Grundlage verschiedener Methoden berechnet wurden, vergleichbar sind, wurde der Kishino-Hasegawa-Test Kishino undHasegawa (1989) mit einem statistischen Signifikanzlevel von 5% angewendet. Die Maximum Likelihood Analyse wurde jeweils als Hypothese A gesetzt, die Parsimonie Analyse (Gewichtungsschema 1:1:2 bei den 12S Analysen) als Hypothese B (Tabelle 5).

Tabelle 5: Resultate der Tests für die Einzelanalysen (12S und EF-1α) und den kombinierten Datensatz (ohne dritte Codonposition) auf der Basis von 19 Taxa.

Abbildungen

Datensatz

Log likelihood

Differenz

 

Signifikant schlechter(>5%)

 

12S rDNA (ohne Struktur)

    

Abbildung 4

Hypothese A (ML)

-7778.04

0.00

best

(41 Taxa)

Hypothese B (MP)

-7810.80

32.77

 

nein

      
 

12S rRNA (mit Struktur)

    

Abbildung 8

Hypothese A (ML)

-8160.02

0.00

best

(41 Taxa)

Hypothese B (MP)

-8231.07

70.25

 

ja

      
 

EF-1 α (ohne 3. P.)

    

Abbildung 10

Hypothese A (ML)

-2336.52

0.00

best

(19 Taxa)

Hypothese B (MP)

-2337.27

0.75

 

nein

      
 

12S rRNA/EF-1α

    

Abbildung 11

Hypothese A (ML)

-7341.87

2.17

 

nein

(19 Taxa)

Hypothese B (MP)

-7339.70

0.00

best

Die Testkriterien wurden, wie bei den ML Analysen, gemäß dem Substitutionsmodell TN+Γ8 festgelegt. Das Ergebnis, dass die Maximum Likelihood Hypothesen als die jeweils besseren gewertet werden (Ausnahme: kombinierte Analyse), erscheint nicht verwunderlich. Bemerkenswert ist jedoch, dass die Differenz der ``log likelihoods´´ beider Methoden bei der Berechnung des kombinierten Datensatzes erheblich kleiner ist als in den 12S-Einzelanalysen, was sicherlich mit der Kongruenz der Ergebnisse erklärbar ist. Der Vergleich macht es daher möglich, die verschiedenen Hypothesen gleichwertig zu diskutieren.


[Seite 68↓]

3.1.2.10  Introns in der codierenden Region des Gens EF-1α

Im Rahmen dieser Arbeit wurde das Gen EF-1α von 17 Taxa sequenziert (s. Tabelle 1). Die für die Amplifikation notwendigen Primer wurden so gewählt, dass ein 1063 Basenpaare langes Fragment zu erwarten war. Die erhaltenen PCR- Fragmente wiesen allerdings, abhängig vom Taxon, Längen von 1063 bp bis ~1200 bp auf. In der anschließenden Sequenzanalyse zeigte sich, dass die codierende Region bei vielen Taxa von kleinen ca 60-65 bp. langen spliceosomalen Introns durchbrochen ist.

Die codierende Region des Gens EF-1α erwies sich als sehr G/C- reich. Im Gegensatz dazu sind die Introns stark A/T- haltig (ca. 85% pro Intron). Die Adenosin-, bzw. Thymidin- Reste sind zudem häufig in langen sogenannten ``stretches´´ angeordnet. Insgesamt sind die Intronsequenzen hochvariabel. Versuche diese Sequenzen zu alignen waren aus diesen Gründen unmöglich. Darüber hinaus wäre eine Homologie der Intronsequenzen schwerlich postulierbar, da von einem gleichen Sequenzursprung nicht notwendigerweise ausgegangen werden kann (siehe Kapitel: 1.2.3). Im Gegensatz dazu sind die Positionen der Introns stark konserviert innerhalb der fünf Hauptaxa. Sie wurden immer bezüglich der einzelnen Haupttaxa in identischer Position homologer Tripletts gefunden. Aus diesem Grund werden die Positionen der Introns homologisiert und dienen als Argumentationsgrundlage für eine phylogenetische Betrachtung.

Abbildung 12 zeigt (A) den sequenzierten codierenden Bereich im Vergleich zur Referenzsequenz von Artemia spec. (X03704-08) mit der relativen Lage der Introns, der putativen Splicingstellen und den korrespondierenden Aminosäureresten. Insgesamt wurden fünf verschiedene Intronpositionen gefunden, die die Bezeichnungen A-E erhalten. Tabelle B der Abbildung 12 enthält Informationen zum Vorkommen der verschiedenen Introns in allen sequenzierten Spezies. Zusätzlich wird die Lage der Introns in den genomischen Referenzsequenzen von Artemia spec. (Anostraca), einigen Insecta, einem Nematoda und einigen Deuterostomia (Hemichordata, Urochordata, Chephalochordata, Echinodermata) als Aussengruppe mit berücksichtigt.

Die meisten hier sequenzierten Arten enthalten mindestens ein Intron in der betrachteten Region. Ausnahmen stellen die Spinicaudata und L. kindtii dar, die intronfrei sind. Die meisten Introns (drei) wurden bei den Cladocera beobachtet, wobei alle Cladoceren (ausser L. kindtii) ein Intron in Position A haben. Zusätzlich zur Position A werden in den Anomopoda Introns in den Positionen C und D gefunden (Ausnahme: Ceriodaphnia megops; Fehlen eines Introns in Position C). Die Ctenopodenspezies Sida crystallina zeigt ebenfalls das Verteilungsmuster der Anomopoda (A, C, D), im Gegensatz dazu fehlen Diaphanosoma brachyurum (Ctenopoda) die Introns in den Positionen C und D. Innerhalb der Cladocera scheint das Intronverteilungsmuster der Onychopoda ebenfalls abgeleitet zu sein, da Podon leuckarti nur die Introns A und D, Evadne nordmanni nur noch ein Intron in Position A hat.

Introns in Position D konnten nur in den Cladoceren nachgewiesen werden und können daher bezüglich des vorliegenden Datensatzes als Apomorphie der Cladocera gewertet werden. Der [Seite 69↓]Notostrace Lepidurus apus besitzt ein Intron in Position B, welches ebenfalls in keinem anderen Branchiopoden beobachtet wurde und daher vermutlich einzigartig innerhalb der Phyllopoda ist.

Abbildung 12: Verteilung der Introns im Gen EF-1α innerhalb der Branchiopoda und einigen in der Genbank verfügbaren Außengruppen der Hexapoda, Nematoda und Deuterostomia. (A) Beschreibung der Lage der aller Introns, die innerhalb der Branchiopoda identifiziert wurden, bezogen auf die codierende Region von Artemia spec. Die Nummerierung der Intronposition bezieht sich auf das erste sequenzierte Nukleotid (1). Unterhalb der Nummerierung ist die korrespodierende Position der Aminosäuresequenz benannt und die jeweilige Phase des Introns: „│“ Phase 0 (zwischen 3. Codonposition des vorangehenden und 1. Codonposition des folgenden Tripletts), „●“ Phase 1 (zwischen 1. und 2. Triplettposition der korrespondierenden Aminosäure). (B) Tabelle der Verteilung der Positionen innerhalb der Branchiopoda und Außengruppen. Nicht vorhandene Information wurde mit einem Fragezeichen vermerkt, nicht nachweisbare Introns mit einem „-„.


[Seite 70↓]

Bemerkenswert ist die Lage der Introns in Cyclestheria hislopi (traditionell Spinicaudata). Neben dem Intron A besitzt diese Spezies ein weiteres Intron in Position C. Introns in dieser Position wurden nur in den Cladocera beobachtet. Damit gibt die Intronposition C ein zusätzliches Argument für das Monophylum Cladoceromorpha (C. hislopi + Cladocera).

Es kann gezeigt werden, dass die Intronposition A innerhalb der Phyllopoda sehr stabil ist und ebenfalls in den Aussengruppen Anostraca, Apterygota und Deuterostomia zu finden ist.. Gleiches gilt für Intron E, welches innerhalb der Phyllopoda nur die Laevicaudata (Lynceus tatei) haben, diesen Zustand aber mit den Anostraca und darüber hinaus den Hymenoptera, Nematoda und Deuterostomia teilen. Beide Introns befinden sich bezüglich ihrer relativen Lage zu den Tripletts in Phase 0, d.h. zwischen der dritten Cosdonposition des vorangehenden Tripletts und der ersten Position des nachstehenden Tripletts. Das Vorkommen der Introns A und E innerhalb der hier betrachteten Bilateria-Taxa deutet auf den plesiomorphen Ursprung der Introns A und E hin. Eine eingehende Diskussion der Intronverteilung folgt in Kapitel: 3.1.3.2. der Diskussion.

3.1.3 Diskussion der vorliegenden Ergebnisse der Branchiopoda

3.1.3.1 Die phylogenetischen Beziehungen innerhalb der Phyllopoda

Für das Teilprojekt „Phyllopoda“ wurden ein Bereich der mitochondrialen 12S rDNA von 33 Taxa und des nuklearen Gens EF-1α von 17 Taxa sequenziert und in Verbindung mit einigen bereits in der Datenbank bzw. der Literatur Hanner undFugate (1997) existierenden Sequenzen phylogenetisch ausgewertet. In der Übersicht der Abbildung 13 werden die Ergebnisse zusammenfassend bezüglich der zu diskutierenden Fragestellungen dargestellt.

Die hier vorliegenden Analysen der 12S rDNA (Abbildung 13A), des Sekundärstrukturalignments (Abbildung 13B) sowie des kombinierten Datensatzes (Abbildung 13D) beider Gene zeigen eindeutig die Monophylie der Notostraca, Laevicaudata und Spinicaudata (exclusive C. hislopi).

Ebenso begründet erscheint das Cladoceromorpha Konzept Ax (1999),Braband et al. (2002),Crease undTaylor (1998),Spears undAbele (2000),Taylor et al. (1999), wobei Cyclestheria hislopi die Schwestergruppe zu den Cladocera ist. Letzteres kann jedoch in den Analysen der einzelnen Gene nicht eindeutig gezeigt werden (Ausnahme: Analyse des 12S Sekundärstrukturalignments). Dennoch wird in allen Einzelanalysen deutlich, dass das Taxon Cyclestheria hislopi eine enge Beziehung zu den Cladocera hat. Wie die Analyse des 12S Sekundärstrukturalignments zeigt (Abbildung 8), wird die undeutliche Stellung der Cladocera zu C. hislopi im wesentlichen auf fehlerhafte Positionshomologien innerhalb des Alignments (generiert durch POY) zurückgeführt. Möglicherweise wurden diese Fehler durch die sehr restriktive Taxonauswahl der Anomopoda innerhalb der Cladocera ausgelöst. Einige bedeutsame Taxa der Anomopoda (z. B. weitere Chydoridae und Macrothricidae) wurden in den Analysen nicht in ausreichendem Maß berücksichtigt, da hier weitere Proben nicht zur Verfügung standen. Das Vorhandensein des Introns C im Gen EF-1α in C. hislopi und den meisten Cladocera


[Seite 71↓]

Abbildung 13: Zusammenfassung der in dieser Abeit gezeigten Verwandtschaftshypothesen innerhalb der Branchiopoda. Die oberen drei Abbildungen stellen die Ergebnisse der (A) 12S rDNA Analyse (ohne Berücksichtigung der Sekundärstruktur) dar, (B) die Stellung der Haupttaxa der 12S rRNA Analyse (unter Berücksichtigung der Sekundärstruktur) und (C) die Beziehungen innerhalb der Cladocera, wie sie in den angegebenen Analysen Unterstützung finden. Unsichere Stellungen (Laevicaudata) bzw. Monophyla (Anomopoda) sind grün markiert. Die blaue Box (D) stellt die Hypothese dar, die aufgrund der Kongruenz verschiedener Berechnungsmethoden favorisiert wird (kombinierter Datensatz 12S rRNA + EF-1α).


[Seite 72↓]

spricht ebenfalls für die Monophylie der Cladoceromorpha (Abbildung 12) und wäre damit als Synapomorphie zu werten. In keiner der Analysen findet C. hislopi innerhalb der verbleibenden Spinicaudata, wie es das traditionelle Konzept vorschlägt, Unterstützung. Obwohl schon in der Vergangenheit morphologische Ähnlichkeiten zwischen C. hislopi und den Cladocera häufig Erwähnung fanden Martin undCash-Clark (1995),Tasch (1969), wurden erst in jüngster Zeit, zunnächst durch Olesen et al. Olesen et al. (1996) aber auch durch die sich mehrenden Erkenntnisse aus molekularen Daten, die Konsequenzen für die Spinicaudata und im weiteren Sinne für die Conchostraca neu überdacht. Morphologische Übereinstimmungen von C.hislopi und den Cladocera wie 1) die direkte Entwicklung, 2) verschmolzene Komplexaugen und 3) das Vorhandensein eines Ephippiums könnten somit tatsächlich einige „sichtbare“ Apomorphien für die Cladoceromorpha sein.

Innerhalb der Hauptgruppen der Branchiopoda gestaltet sich die Diskussion der korrekten Position der Laevicaudata am schwierigsten. Die Einzelanalysen ergeben ein sehr unterschiedliches Bild. Auffällig ist hier, dass die Ergebnisse aus einem Genbereich von der angewandten Berechnungsmethode abhängig sind. Während die Maximum Likelihood Analysen der 12S rDNA (DNA=ohne Berücksichtigung der Sekundärstruktur) und auch 12S rRNA (RNA=unter Einbeziehung von Sekundärstrukturelementen im Alignment) ein Schwestergruppenverhältnis der Notostraca und Laevicaudata favorisieren, zeigen die Parsimonie Analysen zum einen eine zu allen Phyllopoda basale Stellung der Laevicaudata (12S rDNA), zum anderen ein Schwestergruppenverhältnis der Laevicaudata zu Spinicaudata und Cladoceromorpha (12S rRNA). In jedem Fall erhalten die erwähnten Splits keine nennenswerten Unterstützungen. Ähnlich verschieden fallen die Ergebnisse mit dem Gen EF-1α aus. Die Kombination der Datensätze dagegen ergibt ein sehr einheitliches und damit bezüglich der Datensätze meines Erachtens nach überzeugendes Bild mit beiden Methoden, obwohl die Unterstützung der Monophylie der Diplostraca (mit einer basalen Stellung der Laevicaudata innerhalb der Diplostraca) nur moderat ist. Morphologische Merkmale wie: 1. Embryonen verbunden mit der dorsalen Verlängerung des Exopoditen Olesen et al. (1996), 2. zweiklappiger Carapax Walossek (1993) und 3. Umbildung des ersten Thoracopodenpaars zum Klammerorgan Martin undBelk (1988); Olesen et al. Olesen et al. (1996) erhärten die Monophylie der Diplostraca, obwohl diese Merkmale bezüglich ihrer phylogenetischen Aussagekraft nach wie vor heftig umstritten sind Fryer (1999),Fryer (2001),Fryer (2002),Olesen (2000),Olesen (2002). Ein mögliches Schwestergruppenverhältnis der Laevicaudata zu den Spinicaudata (ohne C. hislopi) wie durch Negrea et al. Negrea et al. (1999) diskutiert, kann in keinem Fall bestätigt werden. Weitere molekulare Analysen Spears undAbele (2000) und der EF-1α Intronpositionen konnten bezüglich der Diplostraca keine überzeugende Unterstützung finden.

Die durchgeführten phylogenetischen Analysen zeigen für die vier Hauptgruppen der Cladocera (Anomopoda, Ctenopoda, Onychopoda und Haplopoda) übereinstimmend die Monophylie der Ctenopoda und (Haplopoda + Onychopoda) (Abbildung 13C). Die Anomopoda sind in fast allen Analysen paraphyletisch (Ausnahme: Abbildung 13B, wobei die gezeigte Monophylie nur schlecht unterstützt wird). Die Paraphylie wird jedoch aufgrund des unausgewogenen ``taxon samplings´´ als möglicherweise artifiziell bewertet (siehe Kapitel: 4.2). Innerhalb der Anomopoda werden die Daphniidae gut unterstützt. Bezüglich der Stellung von [Seite 73↓] Leptodora kindtii als einzig bekannten rezenten Vertreter der Haplopoda wird das Gymnomera Konzept (Haplopoda + Onychopoda) favorisiert. Das Schwestergruppenverhältnis (oder zumindest eine sehr nahe Verwandtschaft) von L.kindtii zu den Onychopoda wird in fast allen Analysen deutlich, insbesondere aber in der Analyse des kombinierten Datensatzes (mit guter Unterstützung). Hinweise auf das vormals hypothetisierte Taxon Leptodorida/Eucladocera Negrea et al. (1999),Spears undAbele (2000) lassen sich in keiner Analyse finden. Die mögliche Schwestergruppenbeziehung von L. kindtii zu allen anderen Cladocera kann daher auf der Basis der vorliegenden Daten abgelehnt werden. Darüber hinaus wird eine nahe Beziehung der Ctenopoda zu den Gymnomera deutlich. Wenn gleich auch nur mit geringer Unterstützung, wird dieses Verhältnis in den Parsimonie Analysen direkt und in den Maximum Likelihood Analysen indirekt gezeigt. Unter Verwendung struktureller Komponenten der 18S und 28S rRNAs konnten Swain und Taylor Swain undTaylor (2003) jüngst das hier gewonnene Ergebnis bestätigen. Morphologisch bedeutet dies, dass die Spezialisierung der Beinsegmente der Anomopoda, Haplopoda und Onychopoda gegenüber den einfach aufgebauten, seriell angeordneten Beinen der Ctenopoda unabhängig voneinander entstanden ist oder bei den Ctenopoda sekundär verloren ging Martin undCash-Clark (1995),Swain undTaylor (2003) werten die einfach gebauten Beine der Ctenopoda als plesiomorph, was die Autoren dazu veranlasste, eine zu allen anderen Cladocera-Taxa basale Stellung der Ctenopoda zu favorisieren. Ältere molekulare Resultate der 16S rDNA Daten Schwenk et al. (1998) bestätigen letztgenannte Hypothese. Schwenk et al. Schwenk et al. (1998) kommen zu dem Ergebnis, dass die Ctenopoda das zu allen anderen Cladocera basale Taxon sind (jedoch nur gering unterstützt).

Hingewiesen sei in diesem Zusammenhang auch auf das morphologische Merkmal „Vorhandensein eines Ephippiums“ als mögliche Synapomorphie der Cladoceromorpha. Innerhalb der Cladocera verfügen nur die Anomopoda über ein Ephippium. Cyclestheria hislopi verfügt über eine dem Ephippium ähnliche Struktur mit einer ähnlichen Funktion (Aufbewahrung der Eier), die Homologie zum Ephippium der Anomopoda ist jedoch höchst fraglich Roessler (1995). Inwiefern dieses Merkmal einem Grundmuster der Cladoceromorpha zuzuordnen wäre, hängt damit von einer gesicherten Homologie des Ephippiums von C. hislopi und den Anomopoda ab. Die Ctenopoda und Gymnomera besitzen kein Ephippium. Auf der Basis des hier gewonnenen Ergebnisses, nebst der Bestätigung durch Swain und Taylor Swain undTaylor (2003), einer basalen Stellung der Anomopoda innerhalb der Cladocera, muss das Vorhandensein eines Ephippiums innerhalb der Cladocera als plesiomorph bewertet werden. Damit kann das Fehlen eines Ephippiums als abgeleitetes Merkmal die Ctenopoda + Gymnomera vereinen.

Hier bedarf es sicherlich weiterer eingehener morphologischer und entwicklungsbiologischer Untersuchungen, um die Frage des Merkmalkomplexes „Ephippium“ zu klären.

Zusammenfassend wird auf der Basis der Analysen des kombinierten Datensatzes die Paraphylie der Conchostraca favorisiert durch 1. das Ausscheiden von C. hislopi aus dem Monophylum der Spinicaudata und 2. die Paraphylie von (Laevicaudata + Spinicaudata). Diese Paraphylie betrifft allerdings nicht die hier favorisierte Hypothese zur Monophylie der Diplostraca. Das Konzept der Diplostraca bedarf jedoch weiterer Reevaluierung, insbesondere mit neuen molekularen Datensätzen und auch unter Einbeziehung nicht analysierter Taxa der Laevicaudata wie Lynceiopsis und [Seite 74↓] Paralimnetis. Desweiteren findet das Cladoceromorpha Konzept gute Unterstützung, wobei C. hislopi die Schwestergruppe zu den monophyletischen Cladocera ist. Innerhalb der Cladocera finden sich gute Argumente für die Monophylie der Gymnomera (Haplopoda + Onychopoda) und auch einige Hinweise für eine mögliche Schwestergruppenbeziehung der Ctenopoda (hier nur Sidiidae) zu den Gymnomera. An dieser Stelle sei noch einmal auf die Bestätigung dieser Hypothese von Swain und Taylor Swain undTaylor (2003) hingewiesen.

3.1.3.2  Betrachtungen zur Evolution von Introns im Gen EF-1α

Eine phylogenetische Bewertung der Verteilung spleiceosomaler Introns im Gen EF-1α kann nur über die Abschätzung plesiomorpher oder apomorpher Intronpositionen erfolgen. Um hier ein mögliches Evolutionsszenarium aufstellen zu können, ist es notwendig, vorhandene Literaturdaten über EF-1α Intronpositionen einzubeziehen. Wada et al. Wada et al. (2002) stellte eine detaillierte Analyse der Intronpositionen und deren mögliche Evolution innerhalb der Deuterostomia vor. Carapelli et al. Carapelli et al. (2000) untersuchten die phylogenetische Verteilung der Intronpositionen in den Diplura (Hexapoda). Desweiteren existieren Daten über die Lage zweier Introns in Hymenoptera Sanchis et al. (2001), Drosophila melanogaster (Diptera) Hovemann et al. (1988) und Caenorhabditis elegans (Nematoda) Wilson (1998). Abbildung 14 zeigt eine mögliche Evolution der Introns unter Berücksichtigung der vorhandenen Literaturdaten. Zu diesem Zweck wird die Verteilung der Introns anhand des in dieser Arbeit favorisierten Branchiopoda Stammbaums (Abbildung 11 und Abbildung 13D) diskutiert.

Demnach ergeben sich für Intron A zwei Möglichkeiten.

  1. Unter der Annahme, Intron A ist spätestens an der Basis der Bilateria insertiert (Abbildung 14, links oben), würde dies bedeuten, dass das Intron innerhalb der Phyllopoda zweimal unabhängig voneinander verloren ging.
  2. Intron A ging vor Abspaltung der Phyllopoda verloren, mit der Konsequenz der zweimaligen, unabhängigen Neuinserierung bei den Laevicaudata und Cladoceromorpha (Abbildung 14, oben rechts).

Daraus resultiert unter Zugrundelegung des Parsimonie Prinzips, dass die erste Hypothese aufgrund der geringeren Schrittzahl (2 gegenüber 3) Unterstützung findet.

Für Intronposition E ergeben sich ebenfalls zwei Möglichkeiten.

  1. Intron E war bereits an der Basis der Metazoa oder Bilateria vorhanden. Die Konsequenz wäre der zweimalige Verlust innerhalb der Notostraca und innerhalb des Monophylums Spinicaudata (exclusive C. hislopi) + Cladoceromorpha (Abbildung 14, zweite Reihe links).
  2. Intron E ist vor der Abspaltung der Phyllopoda verloren gegangen und müsste demnach zweimal unabhängig neu entstanden sein, bei den Anostraca und Laevicaudata (Abbildung 14, zweite Reihe rechts).


[Seite 75↓]

Beide Hypothesen sind mit je zwei Schritten gleich sparsam. Dennoch wird hier die erste These favorisiert, da die unabhängige Neuerwerbung eines Introns an exakt der gleichen Position für recht unwahrscheinlich gehalten wird Wada et al. (2002). Darüberhinaus wird eine direkte Korrelation von Introns der Phase 0 und einer sehr frühen Insertion an der Basis der Eukaryonten für möglich gehalten DeSouza et al. (1998). An dieser Stelle sollte jedoch der Umstand Erwähnung finden, dass es für die Evolution von Intron E eine sparsamere Erklärung gibt (mit nur einem Schritt), nämlich der einmalige Verlust von Intron E an der Basis eines putativen Monophylums bestehend aus Notostraca, Spinicaudata und Cladoceromorpha, wie es die Parsimonie Analyse der 12S rDNA (Abbildung 4B) favorisiert. Die Konsequenz wäre, dass der einmalige Verlust von Intron E als Synapomorphie dieses Monophylums zu werten wäre. Die Beobachtung, dass Introns häufig konvergent verloren gehen und damit Verluste eine eher zufällige Verteilung (phylogenetisch nicht informativ) aufweisen, spricht allerdings gegen die Annahme, dass ein Verlust als phylogenetisches Signal gewertet werden kann Wada et al. (2002) (siehe hierzu auch weiter unten: Intronverteilung innerhalb der Cladocera).

Die Existenz der Intronpositionen B, C und D wurde bislang nur innerhalb der Phyllopoda beobachtet, d. h. anhand des vorhandenen Datensatzes ist zu vermuten, dass es sich hier um Neuerwerbungen innerhalb der Phyllopoda handelt (Abbildung 14, dritte Reihe). Innerhalb der Cladocera zeigt die Verteilung der Introns C und D kein einheitliches Muster. Arten, wie z.B. Diaphanosoma und Ceriodaphnia müssen demnach unabhängig voneinander die für Cladocera typischen Introns (C und / oder D) verloren haben.

Da die Intronpositionen A und E offensichtlich plesiomorphen Ursprungs sind, scheiden sie für eine phylogenetische Betrachtung innerhalb der Branchiopoda aus. Intron B kann ebenfalls nicht in Betracht gezogen werden, da dies ein autapomorphes Merkmal der Notostraca zu sein scheint. Einzig Intronpositionen C und D lassen eine phylogenetische Aussage zu:

  1. Das Schwestergruppenverhältnis von C. hislopi zu den Cladocera wird repräsentiert durch die Hypothese des Neuerwerbs eines Introns in Position C.
  2. Die Monophylie der Cladocera wird gestützt durch den Neuerwerb des Introns D. Beide Hypothesen hätten demnach den mehrfach unabhängigen Verlust der Introns innerhalb der Monophyla zur Konsequenz.

In Abbildung 14B wird Gewinn und Verlust von Introns im Gen EF-1α zusammenfassend dargestellt. Introns A und E müssen während der Evolution der Phyllopoda zweimal unabhängig voneinander verloren gegangen sein, in der Linie zu den Notostraca und der Kronengruppe der Spinicaudata + Cladoceromorpha. Intron B ist einmalig in der Stammart der Notostraca inseriert. An der Basis der Cladoceromorpha ist eine Neuerwerbung (Intron C) zu beobachten. Intron C ist somit als eine Apomorphie der Cladoceromorpha aufzufassen. Intron D stellt wiederum eine Apomorphie der Cladocera dar. Dieses mögliche Szenarium umfasst sechs Schritte unter der Annahme, die Verluste der Introns A und E sind in den Notostraca als einmaliges Ereignis zu interpretieren. Die Annahme zweier voneinander unabhängigen Deletionen der fraglichen Introns würde die Schrittanzahl auf sieben Schritte erhöhen.


[Seite 76↓]

Abbildung 14: Betrachtung von Gewinn und Verlust der Introns A-E des Gens EF-1α. Es wurde die in Abbildung 13D favorisierte Hypothese zur Phylogenie der Branchiopoda zugrunde gelegt. (A) Hypothese zur Evolution der Introns A-E (Insertion: schwarz, Deletion: grau). (B) Zusammenfassung von Insertion und Deletion der Introns unter Berücksichtigung aller vorhandenen Daten der Bilateria. Weitere Erläuterungen siehe Text.


[Seite 77↓]

Anhand dieser gewonnenen Daten kann darüber hinaus vermutet werden, dass Introns B, C, D als Neuerwerbung innerhalb der Phyllopoda eine Bestätigung der ``intron late´´ Hypothese sind (siehe auch Kapitel: 1.2.3).

Die Datenlage für die Eukaryonten stellt sich folgendermaßen dar (SPAN database: http://www.molevol.org/camel/projects/introns/span.shtml.): Im Bereich der Protozoa wurden bislang keine Introns in diesem Gen nachgewiesen. Pflanzen und Pilze weisen, soweit bekannt, keine Introns in denen für Bilateria nachgewiesenen Positionen (A-E) auf. Die Intronpositionen A und E werden bei mehreren Haupttaxa innerhalb der Bilateria (Hexapoda, Nematoda, Deuterostomia) nachgewiesen. Lage und Vorhandensein von Introns im Gen EF-1α bei Cnidaria sind unbekannt, d.h. der Erwerb der Introns A und E kann spätestens für die Stammlinie der Bilateria vermutet werden. Ob die Introns A und E eine Neuerwerbung der Bilateria sind oder schon in der Stammlinie der Metazoa vorhanden waren, kann hier nicht gesagt werden, da der genaue Zeitpunkt des Auftretens aufgrund fehlender Daten nicht bestimmt werden kann. Introns in den Positionen B, C und D werden erstmals innerhalb der Branchiopoda beobachtet. Die sparsamste Erklärung hierfür ist der Neuerwerb dieser Introns innerhalb der Phyllopoda (``intron late´´).


[Seite 78↓]

3.2 TEIL B: Die phylogenetischen Beziehungen der Astacoidea
(Astacida, Decapoda)

3.2.1  Einleitung zum Crustaceataxon Astacida

Die sicherlich mit zu den bekanntesten Vertretern der Krebse gehörenden Flusskrebse spielen als Forschungsobjekte in vielen zoologischen Diziplinen aber auch wirtschaftlich als Nahrungsmittel eine große Rolle Scholtz (1995).

Wie schon der englische Trivialname "freshwater crayfish" verrät, sind die Astacida i. d. R. süßwasserbewohnend. Die Astacida sind weltweit sowohl in der Nord- als auch in der Südhemisphäre verbreitet, wobei im tropischen Gürtel nahe des Äquators und interessanterweise auch auf dem afrikanischen Festland, sowie auf dem indischen Subkontinent keine Flusskrebse vorkommen.

Ein großer Teil des mitteleuropäischen Flusskrebsbestandes ist durch das Auftreten der Krebspest (erstmalig ca. 1860 im Bereich des Po, Italien) vernichtet worden. Der Erreger der Krebspest ist der Fadenpilz3 Aphanomyces astaci, dessen Entdeckung als Erreger erst Anfang des 20. Jahrhunderts gelang. Hochempfänglich für die Krebspest sind alle nicht nordamerikanischen Flusskrebsarten, die nordamerikanischen Spezies der Cambaridae und Pacifastacidae gelten als unempfindlich. Das Auftreten der Erkrankung nach 1970 ist mit Ausnahme der Türkei auf den Import der nordamerikanischen Spezies Pacifastacus leniusculus (PCR-Nachweis) zurückzuführen. Um den wirtschaftlichen Verlust aufzufangen, bedingt durch das fast völlige Aussterben des europäischen Edelkrebses Astacus astacus, wurde der nordamerikanische Flusskrebs Orconectes limosus (Cambaridae) ausgesetzt, was für regionale Edelkrebsbestände verheerende ökologische Folgen mit sich führt.

Die Position der Astacida innerhalb der Reptantia (Decapoda)

Die Decapoda werden im klassischen Sinn geteilt in die Natantia (garnelenartige Crustaceen) und die Reptantia (z.B. Langusten, Hummer, Flusskrebse), wobei die Natantia paraphyletisch sind Scholtz undRichter (1995), die Reptantia als Monophylum hingegen akzeptiert sind Ax (1999).

Traditionellerweise werden die Astacida innerhalb der Repantia mit den Homarida in einem Monophylum Astacura vereinigt Gruner (1993). Scholtz und Richter Scholtz (1995) begründeten allerdings die Nicht-Monophylie der Astacura. Ihrer phylogenetischen Analyse zufolge sind die Homarida nicht näher mit den Astacida verwandt. Sämtliche morphologischen Übereinstimmungen beider Gruppe seien als plesiomorph zu bewerten. Dieser Analyse zufolge gehören die Flusskrebse zusammen mit den Thalassinida, Anomura und Brachyura zu der großen Gruppe der Fractosternalia [Seite 79↓](Autapomorphie der Fractosternalia: 8. Thorakalsternit beweglich). Die Homarida (8. Sternit unbeweglich) sind vermutlich die Schwestergruppe zu den Fractosternalia. Die Position der Astacida innerhalb der Fractosternalia ist allerdings unklar (Abbildung 15).

Abbildung 15: Das System der Reptantia (Decapoda) sensu Scholtz & Richter Scholtz (1995).

Molekulare Daten (18s, 16s und 28s rDNA) widersprechen dieser These und favorisieren die traditionelle Ansicht eines Schwestergruppenverhältnisses zwischen Astacida und Homarida Crandall et al. (2000).

Die Astacida werden in drei große Gruppen unterteilt: Die Astacidae und Cambaridae, die zu den Astacoidea zusammengefaßt werden und die Parastacoidea, die den Astacoidea gegenübergestellt werden Hobbs Jr. (1988).

Die Frage, ob die Astacida monophyletisch sind, wurde bislang kontrovers diskutiert. Aufgrund des Vorhandenseins von Gonopoden (Petasmata) bei den Astacoidea und des Fehlens der Petasmata bei den Parastacoidea wurde von einigen Autoren die unabhängige Entstehung der Astacoidea und Parastacoidea vertreten Huxley (1880),Smith (1912). Ortmann Ortmann (1897) hypothetisierte hingegen die Monophylie der Astacida. Auf der Basis einer phylogenetischen Analyse sensu Hennig von sowohl embryonalen - als auch Adultmerkmalen schlußfolgert Scholtz Scholtz (1993) ebenfalls die Monophylie der Astacida, wobei die Astacoidea die Schwestergruppe zu den Parastacoidea wären.

Die Astacoidea sind ausschließlich in der nördlichen Hemisphäre verbreitet, die Parastacoidea besiedeln die südliche Hemisphäre. Die auf der Nordhalbkugel lebenden Astacidae (z.Z. 12 anerkannte Arten) besiedeln Europa, Vorderasien und Nordamerika, westlich der Rocky Mountains. Die Cambaridae (ca. 200 Arten) leben im Osten und im Zentrum Nord- und Mittelamerikas und in Ostasien. Die Parastacidae auf der Südhalbkugel besiedeln Südamerika, Madagaskar, Neu-Guinea, [Seite 80↓]Neuseeland und am artenreichsten kommen sie in Australien vor (ca. 100 Arten). Abbildung 16 zeigt schematisch die weltweite Verteilung.

Abbildung 16: Weltweite Verteilung der Astacida (www.http//phylogeny.arizona.edu/eukaryotes /animals/ arthropoda/crustacea/decapoda/astacidea/astacidea.html). Die Dichotomien zeigen die Monophyla der Cambaridae (Nordostamerika und Asien) und Astacidae (Nordwestamerika und Europa).

Die zwei großen Taxa innerhalb der Astacida (Astacoidea und Parastacoidea) bilden jeweils ein gut begründbares Monophylum. So besitzen die Astacoidea z.B rückwärtsgekrümmte Haken an den distalen Gliedern des ersten Pereiopoden in den ersten Juvenilstadien. Die Kiemen in den 6. und 7. Thoraxsegmenten sind bei den Astacoidea zu fädigen Anhängen reduziert. Die Parastacoidea tragen in den ersten beiden postembryonalen Stadien spezielle Haken an den Dactyli der 4. und 5. Pereiopoden um sich am Muttertier festzuhalten. Desweiteren ist der Hinterrand des Schwanzfächers nur schwach kalzifiziert und daher weich.

Innerhalb der Astacoidea werden die Cambaridae ebenfalls als gesichertes Monophylum betrachtet. Insbesondere die Ausbildung einer Spermathek (Annulus ventralis) bei den Weibchen, die bei den Astacidae fehlt, dient hierbei als Argument für die Monophylie der Cambaridae. Die Monophylie der Astacidae ist nicht gesichert zu begründen. Hier wird z.B. das Vorhandensein einer Borstenanlage rundum das Telson im ersten postembryonalen Stadium Holdich undReeve (1988) als mögliche Autapomorphie diskutiert.

In Verbindung mit der Phylogenie der Astacida stellt sich auch die Frage nach der einmaligen oder mehrmaligen unabhängigen Einwanderung in das Süßwasser. Die Tatsache, dass alle rezenten Astacida Süßwasserbewohner sind, legt den Schluss nahe, dass bereits die Stammart der Astacida in Süßgewässern lebte Scholtz (1995). Scholtz’ Ansicht zufolge deuten gemeinsame Merkmale der Astacida, wie z.B. das Fehlen der Zoealarve und das Anheften der Jungtiere mittels eines Telsonfadens als Schutz vor Verdriftung in Fließgewässern, auf eine Anpassung an Süß- bzw. [Seite 81↓]Fließgewässer hin. Dieser Merkmalskomplex ist zugleich eine Apomorphie der Astacida, d.h. auch die Stammart der Astacida verfügte über diese Merkmale. Somit wird die einmalige Einwanderung der Astacida in Süßgewässer angenommen. Dieser Annahme zufolge müßten die Vorfahren der rezenten Astacida bereits Pangaea besiedelt haben, bevor der Superkontinent zerfallen ist, spätestens also vor ca 225 bis 190 Millionen Jahre, zur Zeit der Trias. Paläontologische Daten von Überresten decapoder Krebse aus Süßwassersedimenten der Trias, die auf Flußkrebsverwandtschaft hinweisen Hasiotis und Mitchell Hasiotis undMitchell (1989), stützen diese Hypothese. Morphologische Unterschiede der rezenten Astacoidea (nördliche Hemisphäre) und der Parastacoidea (südliche Hemisphäre), müssen sich demnach nach dem Zerfall von Pangaea in Laurasia und Gondwana (Zeitalter Jura), gebildet haben. Im Gegensatz dazu ist die geographische Verbreitung der Cambaridae und Astacidae auf der nördlichen Halbkugel nicht eindeutig zu erklären. Sofern es sich bei beiden Taxa um Monophyla handelt (dies ist zumindest bei den Astacidae umstritten), muß die „verschränkte" Verbreitung der Astacidae (Nordwestamerika und Europa) und der Cambaridae (Mitte und Osten Nordamerikas und Ostasien) erklärt werden (Abbildung 16): Scholtz Scholtz (1995) hypothetisiert eine Verbreitung der Astacidae im nördlichen Bereich Laurasiens und Cambaridae im südlichen Bereich Laurasiens. Nach Zerfall von Laurasia muß es zu einer weiteren Radiation der Astacidae im europäisch-asiatischen Raum und der Cambaridae im nordamerikanischen Raum gekommen sein Schram (2001). Folglich wären die rezenten Vertreter der Astacidae im Nordwesten Amerikas und die der Cambaridae in Ostasien Reliktpopulationen, die durch Gebirgszüge isoliert worden sind.

Vor dem Hintergrund der hier beschriebenen Probleme bezüglich der Radiation der Astacoidea gilt es zu klären, ob die Taxa Astacidae und Cambaridae monophyletisch oder möglicherweise paraphyletisch sind und in welcher verwandtschaftlichen Beziehung sie zueinander stehen.

3.2.2 Ergebnisse der phylogenetischen Analyse der Astacoidea

Um einen Beitrag zur Klärung der verwandtschaftlichen Verhältnisse innerhalb der Astacoidea zu leisten, wurde von 13 Spezies (Astacoidea) und drei Spezies (Parastacoidea) das 12S rRNA Gen (3. Domäne) und das ebenfalls mitochondrial codierte Proteingen cox1 (hier allerdings nur eine Spezies der Parastacoidea) sequenziert.

Die phylogenetische Berechnung des 12S Gens wurde unter der zusätzlichen Verwendung von Sequenzen einiger weiterer Taxa der Parastacoidea aus der Datenbank durchgeführt.

Für das cox1-Alignment standen nur 14 Taxa zur Verfügung. Aus diesen Gründen wurde auch der kombinierte Datensatz auf der Basis von 14 Taxa berechnet.


[Seite 82↓]

Sowohl morphologische Scholtz (1993) als auch molekulare Analysen Crandall et al. (2000) ergeben zweifelsfrei die Monophylie der Astacida mit den Parastacoidea der südlichen Hemisphäre als Schwestergruppe zu den Astacoidea der nördlichen Hemisphäre. Daher bieten sich für eine phylogenetische Betrachtung der Astacoidea als Außengruppe Vertreter des Taxons der Parastacoidea an. Die Analysen werden bezüglich der folgenden Fragestellungen dargestellt.

3.2.2.1 ``Likelihood mapping´´ zur Überprüfung des phylogenetischen
Signals der 12S rRNA und des cox1 Gens

Um das phylogenetische Signal der sequenzierten Bereiche des 12S Gens, cox1 und des kombinierten Datensatzes vorab zu testen, wurde die Methode des ``likelihood mappings´´ aus dem Programm Tree-Puzzle angewendet (siehe auch Kapitel: 2.2.7.5.6). Abbildung 17 zeigt jeweils einen Plot der Verteilung der P-Vektoren und die prozentuale Auswertung für die Bereiche innerhalb des Dreiecks. In Abbildung 17A ist das Ergebnis des 12S rRNA Datensatzes für 20 Taxa dargestellt. Der Anteil an nicht aufgelösten Quartetten im Zentrum ist mit 12,5% mäßig. Die prozentualen Anteile für eine „Baumhaftigkeit“ sind dagegen recht hoch (Eckpunkte des Dreiecks, insgesamt 83,4%). Für das cox1 Gen (14 Taxa) wurde die Auswertung zunächst für alle Codonpositionen durchgeführt und im weiteren nur für die erste und zweite Triplettpositionen (Abbildung 17B). Die Betrachtung aller Codonpositionen (obere Abbildung 17B) resultiert in einem Ergebnis, dass dem der 12S Berechnung sehr ähnlich ist. Auch hier ist der Anteil der nicht aufgelösten Topologien mäßig, während die prozentualen Anteile der Eckbereiche relativ hoch ist (insgesamt 81,3%). Die Eliminierung der dritten Codonposition (untere Abbildung 17B) resultiert dagegen in einem sprunghaften Ansteigen der unaufgelösten Quartette und legt den Schluß nahe, dass das phylogenetische Signal relativ gering ist. Eine entsprechende phylogenetische Analyse würde einen sehr hohen Anteil an Polytomien aufweisen. Für den kombinierten Datensatz von ebenfalls 14 Taxa liegen daher alle Positionen des cox1 Gens, sowie der 12S zugrunde (Abbildung 17C). Der Anteil der vollständig aufgelösten Topologien erhöht sich auf 84.5%. Der Anteil der nicht aufgelösten Topologien verringert sich auf 11.6%, was sicherlich auch mit der höheren Anzahl an Alignmentpositionen zusammenhängt Strimmer undvon Haeseler (1997). Der relativ hohe Anteil an aufgelösten Topologien lässt vermuten, dass viele Dichotomien mit einer recht hohen Unterstützung bewertet werden. Für die folgende phylogenetische Analyse des cox1 Datensatzes liegen aufgrund des Ergebnisses des ``likelihood mappings´´ alle Codonpositionen zugrunde.


[Seite 83↓]

Abbildung 17: ``Likelihood mapping´´ Test zur Abschätzung des phylogenetischen Signals der sequenzierten Genbereiche 12S rRNA und cox1 unter dem Modell HKY+Γ4. Die rechte Spalte zeigt jeweils die Verteilung der Vektoren als Plots für die verschiedenen Datensätze. Die linke Spalte zeigt jeweils die prozentuale Verteilung der Punkte in den einzelnen Bereichen des Dreiecks.. (A) 12S rRNA Datensatz von 20 Taxa). (B) cox1 Datensatz von 14 Taxa unter Berücksichtigung aller Codonpositionen (oben) und exclusive der 3. Codonposition (unten). (C) ``Likelihood mapping´´ aller Merkmale des kombinierten Datensatzes (12S + cox1).

3.2.2.2 Die 12S rRNA Analyse

Das in Clustal X unter „default“ Optionen erstellte Alignment weist verhältnismäßig wenig ``gaps´´ auf (insgesamt elf ``gaps´´ in den kürzesten Sequenzen). Nach einem entsprechenden Vergleich des Alignments mit dem Sekundärstrukturmodell für Artemia (Abbildung 5) stellte sich heraus, dass [Seite 84↓]sämtliche ``gaps´´ innerhalb der unpaaren Bereiche liegen (Einzelstrangbereich stromabwärts des ``stems´´ 32 und zwischen den ``stem´´-Hälften 36 / 38, 40 / 40’, 42 / 42’, und 42 / 47’). Es spielte für den Vergleich keine Rolle, welches Sekundärstrukturmodell herangezogen wurde. Alle vorhandenen ``stem´´-Bereiche wurden durch das Programm Clustal X korrekt aligned. Der phylogenetischen Analyse wurde daher dieses Alignment mit einer Länge von 264 Positionen zugrunde gelegt.

Für die Maximum Likelihood Berechnung erwies sich das Modell HKY+Γ4 als adäquat. Die Annahmen anderer Modelle resultierten in jeweils geringfügig, nicht signifikant niedrigeren Likelihood Werten. In Abbildung 18 ist das Resultat der 12S rRNA Analyse dargestellt. (A) zeigt den ``50% majority rule consensus´´ Baum (logL –1812.87) aus insgesamt 988 errechneten Topologien. Diese Topologien wurden einem K-H-Test unterzogen. Dabei zeigte sich, dass lediglich ca. 25% aller Topologien schlechter als die beste Topologie sind, d.h. der erstellte Consensusbaum ergibt sich aus der besten (logL –1802.99) und einem Großteil der nicht signifikant schlechteren Topologien. Abbildung 18B zeigt das ``most parsimonious´´ Cladogramm mit 331 Schritten. Es wurde keine Gewichtung der Positionen angenommen.

Beide Cladogramme sind im wesentlichen kongruent. Weder das Taxon Cambaridae noch das Taxon Astacidae wird als monophyletisch unterstützt. Monophyletisch hingegen erscheinen die Cambaridae aus Nordostamerika, die in Europa lebenden Astacidae und die asiatische Gattung Cambaroides. In beiden Analysen wird die asiatische Gattung Cambaroides als basales Taxon mit guter Unterstützung angenommen, während die nordamerikanischen Cambaridae das Schwestertaxon der europäischen Astacidae bilden. Überraschend ist die Stellung der westamerikanischen Spezies Pacifastacus leniusculus (Astacidae). In beiden Analysen bildet sie ein Schwestergruppenverhältnis zu den amerikanischen Cambaridae. Dieses Monophylum wird aber nur mäßig (QP 62%) bis schlecht (BA <50%) unterstützt.

Um die Möglichkeit des Phänomens der ``long branch attraction´´ von P. leniusculus zu den Cambaridae zu überprüfen, wurde eine entsprechende phylogenetische Analyse ohne P. leniusculus durchgeführt. Das Resultat ergibt, dass eine eventuell artifizielle Aufspaltung dieses Taxons keinen Einfluss auf das Schwestergruppenverhältnis der amerikanischen Cambaridae zu den europäischen Astacidae hat (nicht gezeigt).

Der einzige Unterschied in beiden hier gezeigten Analysen betrifft die Verhältnisse innerhalb der Cambaroides. Diese sind in der Parsimonie Analyse vollständig aufgelöst, wenn auch ohne nennenswerte Unterstützung. Im Maximum Likelihood Dendrogramm werden die verwandtschaftlichen Verhältnisse dagegen nicht aufgelöst.


[Seite 85↓]

Abbildung 18: Phylogenetische Analyse der 12S rRNA (3. Domäne) der Astacoidea (Außengruppe: Parastacoidea). Das Alignment umfasst 264 Positionen. (A) Maximum Likelihood Analyse; Modell HKY+Γ4. Quartet- Puzzle- Dendrogramm (``50% majority rule´´) mit einer Wahrscheinlichkeit logL. –1812.87. Die Unterstützungen oberhalb der Dichotomien sind als ``QP- support´´, die Astlängen unterhalb der Verzweigungen angegeben. (B) ``Most parsimonious´´ Cladogramm mit 331 Schritten. Es wurde keine gewichtung der 91 Parsimonie- informativen Positionen vorgenommen. Die ``bootstrap´´ Analyse beruht auf 1000 Replikaten (>50%). Parsimonie Programme: Nona, Winclada.


[Seite 86↓]

3.2.2.3  Die Analyse des cox1 Gens

Für diese Berechnung werden die hier generierten Daten für 14 Taxa verwendet. Als Außengruppe wird Astacopsis franklini (Parastacoidea) eingesetzt. Das erstellte Nukleotidalignment (Clustal X) weist keine Ambiguitäten auf und hat eine Länge von 423 Positionen. Aufgrund des ``likelihood mapping´´ Ergebnisses wurden den Analysen alle Codonpositionen zugrunde gelegt. Abbildung 19 zeigt (A) den Quartett Puzzle-Stammbaum (´´50% majority rule consensus´´, logL –2172.60) aus 448 getesteten Topologien (13% aller Topologien sind signifikant schlechter als die beste ML Topologie mit logL -2159.46). Der Unterschied zur besten Topologie besteht in der Stellung von Orconectes limosus. Diese Spezies stellt in der ``best ML´´ Topologie das basale Taxon der amerikanischen Cambaridae dar. Der hier gezeigten ML Berechnung ist das ``most parsimonious´´ Cladogramm mit 383 Schritten gegenübergestellt (Abbildung 19B).

Das Ergebnis zeigt Inkongruenz bezüglich der Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb der Haupttaxa Cambaroides, amerikanische Cambaridae und Astacidae. Deutlich unterstützt ist jedoch auch in diesem Ergebnis ein Monophylum der amerikanischen Cambaridae mit den Astacidae (QP 98%, BA 82%). Innerhalb dieses Monophylums werden die amerikanischen Cambaridae relativ hoch unterstützt (Abbildung 19B), dieses Ergebnis wird jedoch nicht durch die Maximum Likelihood Analyse bestätigt. Ähnliches gilt für die Astacidae. Während die Parsimonie Analyse ein Monophylum favorisiert (niedrige Unterstützung; BA <50%), ist das Taxon in der Maximum Likelihood Analyse nicht aufgelöst. Beide Analysen zeigen die asiatischen Cambaridae paraphyletisch, basal zum Monophylum der amerikanischen Cambaridae + Astacidae, wobei die Verhältnisse innerhalb von Cambaroides unklar bleiben. Lediglich die Spezies der Cambaroides des asiatischen Festlandes (C. dauricus, C. schrenckii) inklusive der Halbinsel Korea (C. similis) werden im Puzzle- Stammbaum als Monophylum hoch gestützt (QP 93%). Die japanische Spezies Cambaroides japonicus befindet sich hier nicht innerhalb der Innengruppe. In der Parsimonie Analyse ist C. japonicus innerhalb der Astacoidea, aber zu allen übrigen paraphyletisch erscheinenden Cambaroides das basalste Taxon.

Verglichen mit der Analyse des 12S Datensatzes zeigt aber auch die phylogenetische Auswertung der cox1 Berechnung die gleiche relative Lage der Haupttaxa zueinander (Cambaroides (amerikanische Cambaridae + Astacidae)).


[Seite 87↓]

Abbildung 19: Phylogenetische Analyse des mitochondrialen, proteincodierenden Gens cox1 der Astacoidea mit der Außengruppe der Parastacoidea (Astacopsis fanklinii) . Die Alignmentlänge beträgt 423 Nukleotidpositionen. (A) Maximum Likelihood Analyse. Modell HKY+Γ4. Quartet- Puzzle- Dendrogramm (``50% majority rule´´) mit einer Wahrscheinlichkeit logL. –2172.60. ``QP- support´´ (>50%) und Astlängen sind an den Verzweigungen angegeben. (B) ``Most parsimonious´´ Cadogramm mit 383 Schritten. Es wurde keine Gewichtung vorgenommen. Unterstützungen der Dichotomien (>50%) beruhen auf 1000 ``bootstrap´´ Replikaten. Parsimonie Programm: Nona, Winclada.

3.2.2.4 Die Analyse des kombinierten Datensatzes (12S rRNA und cox1)

Die Maximum Likelihood- und Parsimonie Analyse des kombinierten Datensatzes, bestehend aus 681 Positionen, ist in Abbildung 20 dargestellt. Als Außengruppe wurde Astacopsis franklini (Parastacoidea) berücksichtigt, da nur für diese Spezies beide Gene sequenziert wurden. (A) zeigt wiederum den Quartet- Puzzle- Stammbaum (``50% majority rule´´) aus 223 getesteten Topologien, wobei sich lediglich 18% als signifikant schlechter erwiesen.

Mit einer Ausnahme (C. japonicus) sind beide Analysen kongruent und bestätigen die zuvor gezeigte Paraphylie der Cambaridae (amerikanische Cambaridae und Cambaroides) und die Paraphylie der Astacidae. Auch hier bilden die amerikanischen Cambaridae und die europäischen Astacidae ein Schwestergruppenverhältnis, wobei die nordwestamerikanische Spezies Pacifastacus leniusculus Schwestertaxon der amerikanischen Cambaridae ist und insofern eine Nicht-Monophylie der Astacidae begründet. Ein Monophylum der asiatischen Cambaridae (Cambaroides) wird ebenfalls im Parsimonie Cladogramm nicht unterstützt mit ( Cambaroides-Festland) C. japonicus).


[Seite 88↓]

Innerhalb des Monophylums der europäischen Astacidae bildet der Edelkrebs (A.astacus) und der Galizierkrebs (A.leptodactylus) ein Monophylum und beide sind dem Monophylum Steinkrebs (A.torrentium) + Dohlenkrebs (A.pallipes) gegenübergestellt. Die Unterstützung der Dichotomien ist in beiden Analysen sehr unterschiedlich. Das Monophylum der europäischen Astacidae wird im Puzzle-Stammbaum mit 69% moderat unterstützt, erhält aber in der Parsimonie Analyse einen nur geringen ``bootstrap´´ Wert (BA 33%). Ähnlich verhalten sich die Werte beim Monophylum A. astacus + A. leptodactylus. Der ``bootstrap´´ Wert der Parsimonie Analyse ist mit 25% als äußerst schwach zu bewerten, die Unterstützung im Puzzle- Stammbaum (QP 81%) ist dagegen gut.

Abbildung 20: Phylogenetische Analyse des kombinierten Datensatzes (12S rRNA + cox1) der Astacoidea mit der Außengruppe Parastacoidea (Astacopsis franklini). Länge des Alignments: 687 Nukleotidpositionen. (A) Maximum Likelihood Analyse unter dem Modell HKY+Γ4. Quartet- Puzzle Dendrogramm (``50% majority rule´´) mit einer Wahrscheinlichkeit von logL.-3441.96. Unterstützungen sind als ``QP- support´´ angegeben. (B) ``Most parsimonious´´ Cladogramm mit 581 Schritten. Es wurde keine Gewichtung der Positionen vorgenommen. Die Unterstützungen der Dichotomien beruhen auf 1000 ``bootstrap´´ Replikaten. Programme: Nona, Winclada.

3.2.2.5 ``Likelihood mapping´´ zur Überprüfung der Hypothesen

Die phylogenetische Berechnungen der Gene 12S rRNA, cox1 und des kombinierten Datensatzes zeigen übereinstimmend die Paraphylie der Cambaridae (amerikanische Cambaridae + Cambaroides). Mit Ausnahme in der cox1 Analyse wird des weiteren P. leniusculus als Schwestertaxon zu den amerikanischen Cambaridae favorisiert. Damit wären auch die Astacidae paraphyletisch. Um diese den klassischen Hypothesen widersprechenden Ergebnisse zu überprüfen, wird mittels der ``likelihood mapping´´ Methode Strimmer undvon Haeseler (1997) anhand des kombinierten Datensatzes getestet, inwieweit die Resultate der Hypothesentests (in ihrer Eindeutigkeit) die Ergebnisse der Stammbäume reflektieren oder aber Ausdruck eines hohen [Seite 89↓]Homoplasiegehaltes (in ihrer Mehrdeutigkeit) in den Datensätzen sein könnten. Zu diesem Zweck wurden vier verschiedene Hypothesen definiert, die sich aus den gezeigten Ergebnissen ableiten. Abbildung 21 zeigt die Resultate dieses Tests. Die gewurzelten Stammbäume auf der linken Seite bezeichnen die einzelnen definierten Cluster A-D (siehe auch Kapitel: 2.2.7.5.6). Der mittlere Bereich stellt das ``likelihood mapping´´ Ergebnis dar, wobei jede Ecke des Dreiecks eine ungewurzelte Vierer-Topologie darstellt. Auf der rechten Seite befindet sich jeweils das unterstützte Ergebnis als gewurzelter Stammbaum.

Hypothese A: Hier wurden die Parastacoidea, amerikanischen Cambaridae, asiatischen Cambaroides und die Astacidae (inclusive P. leniusculus) jeweils als Monophylum postuliert. Das Ergebnis zeigt eindeutig 100% ige Unterstützung einer Schwestergruppenbeziehung amerikanischer Cambaridae zu Astacidae.

Hypothese B: Die Cluster wurden, wie in Hypothese A beschrieben, gesetzt, mit dem Unterschied, dass P.leniusculus den amerikanischen Cambaridae zugeordnet wurde. Das Ergebnis ist identisch mit dem oben beschriebenen Resultat.

Aus den Ergebnissen von A und B wird ersichtlich, dass die Zuordnung von P. leniusculus (einmal zu den Astacidae und im anderen Fall zu den amerikanischen Cambaridae) keinen Einfluß auf das nähere Verwandtschaftsverhältnis der amerikanischen Cambaridae zu den Astacidae hat.

Hypothese C: In dieser Analyse wurden die Astacidae (A), die amerikanischen Cambaridae (C) und die asiatischen Cambaroides (D) jeweils als Monophylum definiert und P.leniusculus als einzige Spezies dem Cluster B zugeordnet. Das Resultat spiegelt die in der phylogenetischen Analyse gezeigten Verwandtschaftsbeziehungen der amerikanischen Cambaridae zu P.leniusculus wieder (72%). Erstaunlich ist hier, dass ein Schwestergruppenverhältnis der Astacidae zu P.leniusculus gar keine Unterstützung erfährt, der hohe prozentuale Wert im Zentrum (25%) allerdings deutlich den hohen Grad an Homoplasie von P. leniusculus zu den übrigen Astacoidea aufzeigt.


[Seite 90↓]

Abbildung 21: ``Likelihood mapping´´ Test von drei verschiedenen Hypothesen (A-C), anhand des kombinierten Datensatzes unter dem Modell HKY+Γ4. Die linke Spalte beschreibt jeweils die drei Hypothesen mit den a priori definierten Clustern (A-D), die zu testen waren. Die mittlere Spalte stellt das Ergebnis jeder getesteten Hypothese dar. Dieses Ergebnis wird in der rechten Spalte gewurzelt an den Parastacoidea (A und B) bzw. Cambaroides (C) dargestellt. Beschreibung der Hypothesen siehe Text.


[Seite 91↓]

3.2.2.6  Der Marmorkrebs

Dieser bezüglich seines phylogenetischen Ursprungs unbekannte Flusskrebs wurde in allen phylogenetischen Analysen der Flusskrebse mit einbezogen. Unabhängig vom Datensatz und der Berechnungsmethode ist der Mamorkrebs in allen gezeigten Cladogrammen das Schwestertaxon zu Procambarus fallax und gehört somit dem Taxon der amerikanischen Cambaridae an. Das Ergebnis wird jeweils mit hohen ``bootstrap´´- bzw. QP-Werten unterstützt.Bezogen auf den kompletten Datensatz (cox1 + 12S rRNA) differieren nur 2,2% der Nukleotide zwischen den beiden Arten Scholtz et al. (2003). Das Resultat dieser Untersuchung steht somit im Einklang mit morphologischen Ergebnissen.

3.2.3 Diskussion: Die phylogenetischen Beziehungen der Astacoidea (Astacida, Decapoda)

Um einen Beitrag zur Phylogenie der Astacoidea zu leisten, wurden Ausschnitte der beiden mitochondrialen Gene der kleinen ribosomalen Untereinheit 12S rRNA und cox1 von 13 Taxa der Innengruppe Astacoidea und drei Taxa (12S) bzw. einem Taxon (cox1) der Aussengruppe der Parastacoidea sequenziert. Die daraus resultierenden Alignments wurden mit Parsimonie- und Maximum Likelihood Verfahren als Einzelanalysen und einer kombinierten Analyse zur Rekonstruktion der Phylogenien herangezogen.

Der Großteil aller hier durchgeführten Analysen zeigen die Nicht-Monophylie der Cambaridae und der Astacidae, wobei die Gattung Cambaroides (Asien) die Schwestergruppe zu einem Monophylum bestehend aus Cambaridae (Amerika) und den polyphyletischen Astacidae (Nordwest-Amerika und Europa) bilden. Innerhalb des letztgenannten Monophylums bilden die Pacifastacidae die Schwestergruppe zu den amerikanischen Cambaridae. Dieses Monophylum stellt im weiteren das Schwestertaxon zu den monophyletischen europäischen Astacidae dar. Die nähere Verwandtschaft der amerikanischen Cambaridae zu den Astacidae und die basale Stellung der Cambaroides wird in allen Analysen hoch unterstützt und gewinnt dadurch an Glaubwürdigkeit. Andererseits steht das Ergebnis dieser Analysen im eklatanten Widerspruch zu den Ansichten der klassischen Systematik, die zweifelsfrei von der Monophylie der Cambaridae ausgehen Fitzpatrick Jr. (1995),Scholtz (1998),Scholtz (1999),Scholtz (2002). Wenig widersprüchlich erscheint dieses Ergebnis allerdings zu den bereits publizierten molekularen Daten zu sein: Ein kombinierter Datensatz aus 16S, 28S und 18S Daten suggeriert ebenfalls die Nicht-Monophylie der Cambaridae und Astacidae Crandall et al. (2000). Andererseits ist die genaue Topologie dieser Analyse schwer zu bewerten, da das ``taxon sampling´´ innerhalb von Cambaroides und Pacifastacidae (mit jeweils nur einer Spezies repräsentiert) sehr restriktiv ist. Eine Analyse, ausschließlich basierend auf 18S rDNA Daten der gleichen Autoren, unterstützt wiederum die Monophylie der asiatischen und amerikanischen Cambaridae (allerdings mit einem ``bootstrap´´ Wert von unter 50%).

In der vorliegenden Analyse ist das ``taxon sampling´´ von Cambaroides wesentlich umfangreicher, sodass auch aus diesem Grund die daraus resultierende stabile Stellung der Gruppe relativ zu den [Seite 92↓]anderen Taxa als ernstzunehmende Hypothese diskutiert werden sollte. Weniger überzeugend ist dagegen die gezeigte Nicht-Monophylie der Astacidae. Es konnte nur eine Spezies der Pacifastacidae in der Analyse berücksichtigt werden. Daher ist es durchaus möglich, dass die variable Stellung von Pacifastacus leniusculus artifizieller Natur ist. Andererseits sollte berücksichtigt werden, dass eine Monophylie der Astacidae durchaus kontrovers diskutiert wird. So kommen Albrecht und von Hagen Albrecht undvon Hagen (1981) zum Ergebnis, dass die Gattung Pacifastacus die Schwestergruppe der europäischen Astacidae ist. Da aber die Astacidae in der Morphologie, Entwicklung und Verhalten insgesamt eine eher plesiomorphe Ausprägung zeigen, hält Scholtz Scholtz (1999) eine Paraphylie der Astacidae für wahrscheinlich.

Im Licht zweier konkurierender Hypothesen werden im folgenden sowohl morphologische Merkmale als auch zoogeographischen Verbreitungsmuster diskutiert (Abbildung 22).

Abbildung 22: Hypothese 1 stellt die Monophylie der Cambaridae dar mit den „Astacidae“ als Schwestergruppe. Hypothese 2 geht von der Paraphylie der Cambaridae aus. Morphologische Merkmale 1, 2, 3 (unten aufgelistet) sind an den jeweiligen Verzweigungen vermerkt.

1 Ischium der 2. und 3. Pereiopoden der Männchen tragen hakenartige Anhänge zum Festhalten der Weibchen während der Kopulation.
2 Erster Pleopode des Männchens ist mit verkörnten Spitzen und einer langen hochspezialisierten Spermienfurche ausgestattet zur Einführung der Spermienpakete in den Annulus ventralis der Weibchen.
3 Annulus ventralis der Weibchen Hobbs Jr. (1988).


[Seite 93↓]

3.2.3.1  Morphologische Merkmale und ihre Interpretation im Licht der Moleküle

Das hier vorliegende Resultat hat weitreichende Konsequenzen für ein mögliches Evolutionsszenarium der aufgeführten Merkmale innerhalb der Astacoidea. Die Haken am Ischium der Männchen, die ausgebildete Spermienfurche und das Vorhandensein eines Annulus ventralis werden als abgeleitete Merkmale diskutiert, die die Cambaridae zu einem Monophylum vereinen und den Astacidae, die diese Merkmale nicht aufweisen als Schwestergruppe gegenüberstellt (Hypothese 1).

Durch die gezeigten molekularen Studien (Hypothese 2) muß allerdings die Paraphylie der Cambaridae, mit einer basalen Stellung der Cambaroides der ersten Hypothese gegenübergestellt werden. Dies impliziert die möglicherweise plesiomorphe Natur oben genannter Merkmale, die dann einmal (bei einer Monophylie der Astacidae) oder mehrmals unabhängig voneinander (im Fall ihrer Nicht-Monophylie) verlorengegangen sein könnten.

Beide Hypothesen sind innerhalb der Astacoidea für jedes betrachtete Merkmal gleich sparsam, sofern man von einer Monophylie der Astacidae ausgeht. Eine Nicht-Monophylie der Astacidae würde eine weniger sparsame Lösung nach sich ziehen.

Zwei der drei Merkmale beziehen sich direkt auf den Reproduktionsapparat der Cambaridae, der Annulus ventralis der Weibchen und dazu passend die Spermienfurche der Männchen, wobei beide Strukturen offensichtlich als unabhängige Merkmale in die phylogenetischen Betrachtungen eingehen. Beide Merkmale sind in dieser strukturellen Ausprägung bei den Männchen und Weibchen der Astacidae nicht vorhanden. Die Spermienpakete werden in dieser Gruppe ventral verteilt auf dem Sternum abgelegt. Es stellt sich hier also die Frage, in wieweit diese beiden Merkmale tatsächlich voneinander unabhängig sind: Geht der Annulus ventralis der Weibchen verloren, wozu benötigt das Männchen eine hochspezialisierte Samenfurche oder vice versa? Ein in der Qualität ähnliches Szenarium wäre für Merkmal 1 denkbar. Die Haken der Männchen zum Fixieren der Weibchen während der Kopulation könnten bei den Astacidae möglicherweise überflüssig sein, da sicherlich anzunehmen ist, dass das zufällig verteilte, ventrale Aufbringen der Spermapakete einfacher und schneller zu vollziehen ist, als dass gezielte Einbringen in den Annulus ventralis. Unter der Annahme einer gegenseitigen Abhängigkeit der genannten Merkmale (mit anderen Worten ein deutlich niedrigerer Selektionsdruck für die Beibehaltung von zwei der drei Merkmale) erscheint der Verlust dieser Merkmale bei den Astacidae weniger dramatisch und damit denkbar.

Die oben angeführten Lösungen gehen von der Homologie der genannten Merkmale innerhalb der Astacoidea aus. Diese Homologie ist allerdings keinesfalls für jedes Merkmal gesichert. Der Annulus ventralis der Cambaroides ist beispielsweise wesentlich einfacher („urtümlich erscheinend“) aufgebaut, als der der amerikanischen Cambaridae. Einer phylogenetischen Analyse fossiler und rezenter Arten zufolge Rode undBabcock (2003) sind die Cambaroides ebenfalls nicht näher verwandt mit den amerikanischen Cambaridae. In dieser Studie bilden die Cambaroides (vertreten durch eine Spezies) ein Schwestergruppenverhältnis zu den Astacidae. Dies impliziert, dass der Annulus ventralis auch konvergent entstanden sein könnte und damit keine Argumentationsgrundlage für die phylogenetischen Beziehungen der Astacoidea bietet. Selbiges kann für die Ischiumhacken der [Seite 94↓]Männchen angenommen werden. Die amerikanischen Cambaridae besitzen ein bis drei Haken verteilt vom ersten bis vierten Pereiopoden, d.h. hier wird eine recht hohe Variabilität der Lage deutlich. Des weiteren ist bei den amerikanischen Cambaridae das Vorhandensein der Haken von der Fortpflanzungsaktivität abhängig (zyklischer Dimorphismus). Wenn keine Paarungsbereitschaft der Männchen besteht, werden auch keine Ischiumhaken ausgebildet. Diese Formveränderung wird allerdings nicht bei Cambaroides japonicus beobachtet Scholtz undKawai (2002). Die hohe Variabilität der Lage der Haken und auch der zyklische Dimorphismus erschweren es meines Erachtens, das Merkmal „Ischiumhaken“ als Synapomorphie der Cambaridae und Cambaroides zu deuten. Auch in diesem Fall könnte von einer konvergenten Entwicklung ausgegangen werden, die einmal bei den Cambaroides (ohne zyklischen Dimorphismus) und unabhängig davon bei den amerikanischen Cambaridae (mit zyklischem Dimorphismus) entstanden ist. Eine sparsamere Erklärung wäre allerdings die Annahme der einmaligen Entstehung der Ischiumhaken in den Kronen-Astacoidea, die die Annahme eines sekundären Verlustes innerhalb der Astacida nach sich zieht. Dafür spricht die ursprünglichere Form der Cambaroides (ohne zyklischem Dimorphismus) gegenüber der abgeleiteteren Form der amerikanischen Cambaridae (mit zyklischem Dimorphismus).

3.2.3.2 Zoogeographie

Die Rekonstruktion einer Phylogenie erlaubt es, in Verbindung mit den Erkenntnissen der Geographie zur Kontinentaldrift, vorläufige Hypothesen der zoogeographischen Verteilung der Astacoidea aufzustellen und zu diskutieren.

Die Monophylie aller Flusskrebse begründet sich nach Scholtz Scholtz (1995) neben einigen Adultmerkmalen auch auf einer ganzen Reihe von embryologischen Merkmalen (z.B. die an Anzahl variablen Ektoteloblasten oder die direkte Entwicklung, d.h. das Fehlen einer für die marinen Reptantia typischen Zoealarve) und der typischen Brutpflege des Muttertieres, wie die Verankerung des ersten postembryonalen Stadiums an den Pleopoden der Mutter mit Hilfe eines Telsonfadens. Dieser Telsonfaden dient dem Verdriftungsschutz der Jungen. Die hier nur im Ansatz aufgeführten apomorphen Merkmalskomplexe der Embryonal- und Juvenilentwicklungen gelten allgemein als Anpassungen an Süß- und Fließgewässer und führen Scholtz Scholtz (1995) begründet zu der Annahme, dass bereits die Stammart der Kronen-Astacida die marinen Habitate verlassen haben muß. Das wiederum zieht die Konsequenz einer kontinentalen Besiedlung zu Zeiten des „Superkontinentes“ Pangea (Trias vor ca. 200 Mill. Jahren und früher) nach sich. Nach dem Zerfall des Kontinentes in Laurasia und Gondwana während der Jurazeit (vor ca. 190-135 Mill.Jahren) haben sich demnach die heutigen Unterschiede zwischen den auf der Südhalbkugel lebenden Parastacoidea und den auf der Nordhalbkugel verbreiteten Astacoidea herausgebildet Scholtz (1995).

Für die phylogenetische Analyse wurden nur einige Parastacoidea (Australien und Neuseeland) als Außengruppe verwendet, daher können die Interpretationsprobleme der Verbreitungsmuster südlich des Äquators (z.B. das vollständige Fehlen von Flusskrebsen auf dem afrikanischen Festland, siehe auch Kapitel: 3.2.1) in diesem Rahmen nicht weiter thematisiert werden. Die vorliegenden Analysen [Seite 95↓]zur Phylogenie der Astacoidea lassen jedoch eine Hypothese zur Verbreitung auf der Nordhalbkugel zu.

Ausgehend von der klassischen Vorstellung der Monophylie der Cambaridae Hobbs Jr. (1988) und einer Monophylie der Astacidae erscheint die holarktische Verbreitung der Astacoidea disjunctiv (Abbildung 16): Es gibt ausschließlich in Ostasien und in Nordostamerika Spezies der Cambaridae. Die Vorkommen der Astacidae beschränken sich dagegen auf den europäischen und den nordwestamerikanischen Bereich. Scholtz Scholtz (1993),Scholtz (1995),Scholtz (1999) kommt demzufolge zu dem Ergebnis, die Astacidae könnten ihren Ursprung in einer nördlichen Region Laurasiens genommen haben und die Cambaridae in einer südlich angesiedelten Population. Die heute eher nördliche Besiedlung der Astacidae und die tropische bis subtropische Ausbreitung der Cambaridae spricht für diese Annahme. Nach dem Zerfall von Laurasia müssen demzufolge Radiationen der Astacidae vorwiegend im europäischen-westasiatischen Bereich erfolgt sein, während die Cambaridae ihre Radiation vorwiegend im nordostamerikanischen Bereich erfuhren. Die rezenten Vertreter der ostasiatischen Cambaroides und die nordwestamerikanischen Astacidae wären demnach als Reliktpopulationen, durch Gebirgszüge isoliert, zu interpretieren. Eine ähnliche Auffassung vertritt auch Schram Schram (2001), datiert die Radiation jedoch in die frühe Trias (237 Mill. Jahre) zu Zeiten Pangeas und entwirft, ebenfalls ausgehend von der Monophylie der Cambaridae und Astacidae, eine subtropische-nördlich gemäßigte Radiation der Astacidae ausgehend vom heutigen Nordwest-Amerika Richtung dem heutigen Europa. Eine weiter südlich gelegene tropische-subtropische Radiation ausgehend vom heutigen Süden Nord-Amerikas entlang der nördlichen Küste der Paleo-Tethys See bis zum heutigen ostasiatischen Raum würde die Verteilung der Cambaridae erklären.

Die hier vorgestellte Hypothese der verwandtschaftlichen Beziehungen der Haupttaxa der Astacoidea geht im folgenden von einer Paraphylie der Cambaridae und einem Schwestergruppenverhältnis der Astacidae zu den amerikanischen Cambaridae aus. Bezüglich der zoogeographischen Verteilung müsste die Radiation ihren Ursprung im asiatischen Raum genommen haben und sich entlang der Nordküste der Thethys See Richtung europäischen Raum ausgeweitet haben. Von Europa aus könnte die weitere Verbreitung über die transatlantische Landbrücke vor ca. 70-45 Millionen Jahren stattgefunden haben. Diese Landbrücke verband den westpaleoarktischen Raum mit dem ostnearktischen Raum (Grönland) über die protobritischen Inseln. Letzteres würde die nähere Beziehung der Astacidae zu den amerikanischen Cambaridae erklären.

Die Hypothese eines Radiationsursprunges der Cambaroides in Ostasien mit einer weiteren Verbreitung westwärts wird ebenfalls von mehreren Autoren vertreten Scholtz (2002).

Aufgrund der unklaren Stellung der Gattung Pacifastacus wäre eine Aussage über den weiteren Radiationsverlauf der amerikanischen Cambaridae und Pacifastacus leniusculus höchst spekulativ. Sanmartin et al. Sanmartín et al. (2001) vermuten derartige Radiationsereignisse in einem Zeitraum vor weniger als 20 Millionen Jahren, d.h. lange nach Schließung des Midcontinentalen Seeweges. Würde sich ein derartiges Schwestergruppenverhältnis bestätigen, wäre dieses Ereignis im Radiationsverlauf der Astacoidea vermutlich das jüngste.


[Seite 96↓]

An dieser Stelle ist darauf hinzuweisen, dass derartige Betrachtungen bezüglich der biogeographischen Verbreitungsmuster einen hoch hypothetischen Charakter aufweisen. Ein ausführlicherer fossiler Bericht würde hier sicherlich Abhilfe schaffen. Funde fossiler Flusskrebse sind jedoch nur rar und deuten darauf hin, dass mehr als die Hälfte an Informationen über ancestrale Formen, die Einblick in die Geschichte der Flusskrebse geben könnten, nicht mehr existieren oder bislang nicht entdeckt wurden Schram (2001).

3.2.3.3 Der Marmorkrebs – ein Flusskrebs unbekannter Herkunft

Die einfache Hälterung und die Gewährleistung ausreichend großer Populationen bedingt durch die parthenogenetische Reproduktion machen den Marmorkrebs zu einem geeigneten Modellorganismus für unterschiedliche biologische Disziplinen. Andererseits könnte der Marmorkrebs aufgrund seiner hohen Reproduktionsrate eine erhebliche Gefahr für natürliche Biotope sein, im Fall eines bewussten oder unbewussten Einbringens von nur einem Individuum Scholtz et al. (2003). Die Eingangs bereits erwähnte Krebspest (siehe Kapitel: 3.2.1), die auch heute noch immer wieder einzelne Populationen europäischer Astacidae extrem gefährden kann, macht das ökologische Gefahrenpotential deutlich. Vor diesem Hintergrund erscheint es besonders wichtig, die Herkunft dieses nur aus dem deutschen Aquarienhandel bekannten Flusskrebses zu untersuchen. Um ein Verwandtschaftsverhältnis des Marmorkrebses einzugrenzen, wurden die generierten Daten der 12S rDNA und des cox1 Gens mit in die phylogenetischen Analysen aufgenommen. Das Ergebnis verdeutlicht zweifelsfrei eine nahe Verwandtschaft des Marmorkrebses zur nordostamerikanischen Spezies Procambarus fallax (Cambaridae), beheimatet in Florida. Der auffallend ähnliche Habitus zu P. fallax und das Vorhandensein eines Annulus ventralis bestätigt das Ergebnis. Dennoch bleibt die wahre Identität des Mamorkrebses ungelöst. Insgesamt wurden nur 2,2% unterschiedliche Nukleotidpositionen zu P. fallax im kombinierten Alignment gefunden. Aufgrund der geringen Substitutionsrate ist nicht auszuschließen, dass es sich hierbei tatsächlich um die Art P. fallax handelt und die wenigen Austausche auf eine innerartliche Variabilität zurückzuführen ist. Diese Möglichkeit kann aber nur in ausgeweiteten populationsgenetischen Untersuchungen getestet werden Fetzner undCrandall (2002).

Die eindeutige Identifizierung des Marmorkrebses als ein Vertreter der Cambaridae, seine parthenogenetische Reproduktionsweise und die sorglose kommerzielle Verbreitung in Deutschland macht die Gefahr für hiesige Süßwasserökosysteme deutlich. Als eine amerikanische Spezies der Cambaridae ist der Marmorkrebs in jedem Fall als potentieller Überträger des Pilzes Aphanomyces astaci ernstzunehmen und kann damit einheimische Bestände gefährden. Desweiteren stellt die hohe parthenogenetische Reproduktionsrate ein nachhaltiges Problem resultierend aus der Hobbyaquaristik dar, wenn bedingt durch falsch verstandene Tierliebe überschüssige Nachkommen in europäische Biotope entlassen werden.


Fußnoten und Endnoten

1 Die als ausgestorben geltenden Taxa Lipostraca und Kazacharthra werden hier der Vollständigkeit wegen erwähnt. Die Lipostraca bilden die Schwestergruppe zu den rezenten Anostraca, während die Kazacharthra die Schwestergruppe zu den Notostraca bilden. In der hier vorliegenden Analyse und Stammbaumrekonstruktionen werden ausschließlich rezente Arten analysiert.

3 Informationen über die Krebspest sind der Internetseite der „Arbeitsgemeinschaft wirbellose Tiere der Binnengewässer“ (http://www.wirbellose.de/krebspest.html) entnommen.



© Die inhaltliche Zusammenstellung und Aufmachung dieser Publikation sowie die elektronische Verarbeitung sind urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung. Das gilt insbesondere für die Vervielfältigung, die Bearbeitung und Einspeicherung und Verarbeitung in elektronische Systeme.
DiML DTD Version 3.0Zertifizierter Dokumentenserver
der Humboldt-Universität zu Berlin
HTML-Version erstellt am:
05.01.2005