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4  Schlussdiskussion

4.1 Die Brauchbarkeit der gewählten Gene für eine phylo­genetische Analyse der Phyllopoda und Astacida

Zu Beginn einer phylogenetischen Arbeit steht die Wahl der zu bearbeitenden Merkmale, die eine möglichst hohe widerspruchsfreie Auflösung innerhalb der fraglichen Organismengruppe zulassen.

Eine konkrete Einschätzung des phylogenetischen Signals eines gewählten Gens oder DNA Abschnittes vor dem eigentlichen Beginn der Datenerhebung ist nur bedingt möglich. Dies ist natürlich vom Umfang der bereits vorhandenen Sequenzeinträge für ähnliche taxonomische Einheiten in den Genbanken abhängig.

Zu Beginn dieser Arbeit waren für die Crustacea die Sequenzen lediglich zweier mitochondrialer Genome (Artemia franciscana und Daphnia pulex) in der Datenbank verfügbar. Aufgrund der hohen morphologischen Diversität innerhalb der Phyllopoda, speziell innerhalb der Cladocera, fiel hier zunächst die Wahl auf die ribosomale 12S rRNA, die i. a. wegen ihrer sehr variablen Bereiche für relativ niedrige taxonomische Ebenen als tauglich bewertet wird. Um den zusätzlichen sehr alten Splits der Branchiopoda (z.B. Spinicaudata|Cladocera) Rechnung zu tragen, wurde die dritte Domäne, bekannt als innerhalb der 12S konservierteste Domäne, gewählt. Bezüglich der Phylogenese innerhalb der Phyllopoda ergab sich selbst bei denen als sehr alt einzuschätzenden Aufspaltungen eine recht zufriedenstellende Auflösung. Um über die phylogenetisch noch älteren Aufspaltungen plausible Aussagen treffen zu können (z.B. Notostraca|Diplostraca), versprach zunächst das sehr konservierte, proteincodierende Gen EF-1α ein geeigneter Kandidat zu sein. Die Analyse des generierten EF-1α Datensatzes (siehe Kapitel: 3.1.2.7) erlaubten zwar keine eindeutigen Aussagen bezüglich der Spinicaudata-Cladocera Beziehungen, die Paraphylie der Spinicaudata mit einer höheren Affinität von C. hislopi zu den Cladocera zeigte sich aber auch hier. Es erwies sich daher als zweckmäßig die Datensätze zu kombinieren. Die Kongruenz der ML- und MP Ergebnisse des kombinierten Datensatzes lässt darauf schließen, dass sich beide Genbereiche bezüglich ihrer Homoplasieeffekte gegenseitig kompensieren.

Für die Astacida kam neben dem mitochondrialen 12S rRNA Gen auch das ebenfalls mitochondrial codierte cox1 Gen zum Einsatz. Hier zeigte sich der 12S Datensatz eindeutig als überlegen dem cox1 Datensatz, insbesondere bezüglich der Auflösung innerhalb der europäischen Astacidae und der amerikanischen Cambaridae. Der erheblich höhere Konservierungsgrad des cox1 Gens verursacht besonders bei diesen Aufspaltungsereignissen Polytomien. Auch hier zeigt die Kombination der Datensätze im Vergleich zu den Einzelanalysen weitgehend kongruente ML-und MP Ergebnisse.


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4.2  Zur Frage des ``taxon samplings´´ und der Anzahl von Merkmalen nebst einer Bewertung des ``stratified sampling´´ der Phyllopoda und Astacoidea und der ``database restricted´´ Analyse der Arthropoda

Unzureichendes ``taxon sampling´´ wird häufig als Fehlerquelle für Missinterpretationen phylogenetischer Analysen angesehen Johnson (2001),Murphy et al. (2001). In einer experimentellen Studie zur Phylogenie eines Taxons sollten die gewählten Spezies Repräsentanten jeder Teilgruppe darstellen (``stratified sampling´´, Hillis (1998)). Dieser Empfehlung konnte bezüglich der zu erörternden Fragestellungen innerhalb der Phyllopoda und Astacoidea im großen und ganzen nachgekommen werden, sodass eine Aussage über die Beziehungen der Hauptgruppen zueinander möglich wurde.

Innerhalb der Cladocera weist der Probenumfang bei den Anomopoda ein Ungleichgewicht auf. Aus den Teilgruppen Chydoridae, Macrothricidae konnten nur einige wenige Spezies berücksichtigt werden. Daher kann keine zuverlässige Aussage über die Stellung der Anomopoda innerhalb der Cladocera getroffen werden (siehe unten). Ähnlich kritisch ist das ``taxon sampling´´ in einer Teilgruppe der Flusskrebse zu bewerten. Von dem westamerikanischen Taxon Pacifastacidae (fünf Spezies bekannt) stand nur eine Species (Pacifastacus leniusculus) zur Verfügung. Es hat sich zwar einerseits gezeigt, dass die Eliminierung von P. leniusculus aus dem Datensatz keinen Einfluß auf die nähere Verwandtschaft von amerikanischen Cambaridae zu europäischen Astacidae hat, andererseits muß eine mögliche Nicht-Monophylie der Astacidae Scholtz (1999) auf der Basis dieser Datensätze kritisch bewertet werden.

Die Anzahl der Merkmale, die zur Analyse der jeweils kombinierten Datensätze eingesetzt wurden, sind ausreichend. Inkongruenzen, resultierend aus den Einzelanalysen der Datensätze mit beiden Rechenverfahren, werden in der Regel aufgelöst, legt man die kombinierten Datensätze zugrunde. Obwohl generelle Übereinstimmung darüber besteht, dass die Betrachtung möglichst vieler Taxa eine phylogenetische Analyse stark verbessert Graybeal (1998),Hillis et al. (2003),Lecointre et al. (1993),Poe (1998),Zwickl undHillis (2002) muß dies immer im Zusammenhang mit der Anzahl der betrachteten Merkmale stehen. Wie Graybeal Graybeal (1998) in einer Simulation zeigen konnte, nimmt die Präzision der Analyse stark ab, wenn die Anzahl der Merkmale zu gering ist. Darüber hinaus wird von einigen Autoren die Beobachtung gemacht, dass die Länge der Datenmatrix einen höheren Einfluß auf die Präzision einer phylogenetischen Berechnung haben kann als die Anzahl der Taxa. Poe undSwofford (1999),Rosenberg undKumar (2003). Die Abhängigkeit der Analysequalität von Taxonanzahl und Länge des Datensatzes zeigt sich auch in dieser Studie in der kombinierten Analyse der Phyllopoda (Abbildung 11). Bei einer Merkmalsanzahl von 1036 konnte mit einer erheblich reduzierten Anzahl an Taxa ein einheitliches Ergebnis erzielt werden. Im umgekehrten Fall der 12S Analyse mit nur 408 bzw. 465 Merkmalen und 41 Taxa konnte eine kongruente ML-und MP Aussage nicht für alle Teiltaxa erzielt werden (Abbildung 4 und Abbildung 8).


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Eine sogenannte ``database-restricted´´ Analyse Rosenberg undKumar (2003) wurde für die Arthropoda im Hinblick auf die Wahl einer geeigneten Aussengruppe für die Phyllopoda (Branchiopoda) anhand der Aminosäuresequenzen von 12 proteincodierenden Genen des Mitochondriums durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden einem vorhandenen Alignment Hwang et al. (2001) weitere in der Genbank verfügbare Daten der Crustaceenarten Tigriopus japonicus (Maxillopoda, Copepoda), Triops cancriformis (Phyllopoda) und Panulirus japonicus (Malacostraca) hinzugefügt. Um der Frage des ``taxon samplings´´ im Rahmen einer ``database-restricted´´ Analyse so weit wie möglich gerecht zu werden, wurden zudem weitere Spezies der Arthropodenteiltaxa Chelicerata, Insecta und Myriapoda berücksichtigt.

Zu einer ausreichend gesicherten Hypothese der Phylogenese der Crustacea kann keine Aussage gemacht werden. Dies liegt sicherlich daran, dass nach wie vor Teiltaxa wie Remipedia, Cephalocarida, weitere Maxillopoda (z.B. Ostracoda, nach der Klassifikation von Brusca und Brusca Brusca undBrusca (1990) ein Teiltaxon der Maxillopoda) und auch eher basal stehende Malacostraca aufgrund fehlender Daten nicht berücksichtigt werden konnten. Daher erscheint die hier gezeigte Nicht-Monophylie der Crustacea relativ zu allen weiteren Arthropodataxa fragwürdig (siehe Kapitel: 3.1.2.1 und Abbildung 2). Um sichere Aussagen zu erhalten, ist sicherlich die Sequenzierung einerseits sehr basaler und andererseits langsam evolvierender Taxa der Crustacea erforderlich. Auf diese Weise können ``long branch´´ Effekte aufgehoben werden Graybeal (1998),Hendy undPenny (1989),Rosenberg undKumar (2001),Rosenberg undKumar (2003). Dies dürfte die bestehenden Hypothesen über die Teiltaxa der Arthropoda (Mandibulata-Tetraconata) eher beeinflussen als die Vergrößerung des Artenumfanges bereits ausreichend repräsentierter Teiltaxa.

Beide Berechnungsmethoden lassen keine zuverlässige Aussage über die Stellung der Copepoda (Maxillopoda) innerhalb der Crustacea zu. Darüber hinaus wird die durch T. japonicus gezeigte Polyphylie der Crustacea in der Parsimonie Analyse als Ergebnis einer ``long branch attraction´´ bewertet. Dieses Phänomen Felsenstein (1978) auch „Felsenstein-Zone“ genannt, kann durch extrem schnelle Sequenzevolutionsraten ausgelöst werden (``long branch´´), was zu einem artifiziellen Split (häufig an der Basis des Cladogramms) führt, d.h. dieses Taxon wird durch die phylogenetisch sehr entfernte Aussengruppe, die per se einen ``long branch´´ darstellt, „angezogen“ Philippe undLaurent (1998). Felsensteins Simulationen Felsenstein (1978) zeigen, dass Parsimonie Methoden besonders anfällig für dieses Phänomen sind.

Dennoch konnte eine höhere Affinität der Crustacea zu den Hexapoda als zu den Myriapoda gezeigt werden und bestätigt damit vormals publizierte Ergebnisse Shultz undRegier (2000).

Erreichtes Ziel dieser Analyse war jedoch eine recht gezielte Determinierung einer geeigneten Außengruppe für die Phyllopoda. Die Außengruppe sollte einerseits phylogenetisch relativ nah verwandt zur Innengruppe der Phyllopoda sein, andererseits keine zu schnelle Sequenzevolution durchlaufen haben. Die Analysen zeigen eindeutig, dass die Anostraca näher verwandt sind mit den Phyllopoda als die Malacostraca, wie durch Ax Ax (1999) favorisiert.


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4.3  Grundsätzliche Bemerkungen zum Problem eines rDNA Alignments

Für die phylogenetische Analyse der 12S Daten der Phyllopoda wurden zwei verschiedene Alignmentverfahren gewählt. Einerseits ein durch das Programm POY generiertes Alignment, was sich strikt an die Idee der Parsimonie Methode hält und das Alignment errechnet, dessen Generierung der kürzesten Schrittanzahl bedarf und andererseits ein Alignment, dass vor dem Hintergrund eines Sekundärstrukturmodells visuell erstellt wurde. Der Vorteil letzterer Methode ist der Einsatz des vermutlich stärksten und gelehrigsten Werkzeugs -das Gehirn- und erlaubt die Integration zusätzlicher Daten, wie Strukturdomänen Graur undLi (2000). Der wesentliche Nachteil ist die Subjektivität mit der man auf der Basis eines bestehenden Modells als a priori Annahme Hypothesen über die jeweilige Positionshomologie erstellt. Dennoch liefern vergleichende Studien der 16S-artigen Moleküle verschiedener Metazoa- Taxa mit denen der bakteriellen Vorläufermoleküle gute Argumente für die konservierten ``stem´´-Bereiche innerhalb des betrachteten Moleküls Gutell et al. (1994),Konings undGutell (1995), sodass hier von einer gemeinsamen Struktur ausgegangen werden kann. Darüber hinaus zeigen viele Untersuchungen, dass die visuelle Korrektur eines rDNA Alignments im Hinblick auf seine zugrunde liegende Sekundärstruktur eine phylogenetische Analyse im starken Maß verbessern kann Billoud et al. (2000),Hickson et al. (1996),Hickson et al. (2000),Springer undDouzery (1996).

Die auf Sekundärstrukturbasis generierten Alignments für die Phyllopoda und Astacoidea wurden im vollen Umfang, sowohl mit ``loop´´- als auch ``stem´´-Bereiche zur Rekonstruktion der Phylogenie herangezogen. In der Literatur besteht kein allgemeiner Consens zur Frage der Eliminierung von Datenblöcken aus Alignments. Während von einigen Autoren vorgeschlagen wird, vorrangig die gepaarten Regionen (``stems´´) zu berücksichtigen (aufgrund der gesicherten Positionshomologie) Lake (1991),Olsen undWoese (1993) und ``loop´´-Regionen bei zu hoher Unsicherheit zu eliminieren, kommen Wheeler und Honeycutt Wheeler undHoneycutt (1988) zu dem Ergebnis, dass im Gegenteil die ``stem´´-Regionen ein zu geringes phylogenetisches Signal aufweisen und daher geringer zu gewichten sind. Dixon und Hillis Dixon undHillis (1993) weisen in einer sehr umfangreichen Studie darauf hin, dass die Eliminierung von entweder ``stem´´- oder auch ``loop´´-Bereichen in jedem Fall zu einem erheblichen Verlust an Daten führt, der sich negativ auf die phylogenetische Analyse auswirken kann, insofern als dass entweder jüngere Aufspaltungen möglicherweise nicht sicher aufgelöst werden (im Fall von nicht bedachten ``loop´´-Regionen) oder basale Aufspaltungen verrauschen (bei zu geringer Gewichtung von ``stem´´-Bereichen). Um dieser Gefahr zu entgehen und um den sowieso schon relativ kurzen Datensatz nicht noch künstlich weiter zu verkürzen, war es hier angebracht den jeweils kompletten Datensatz zu bearbeiten.


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05.01.2005