Coleo |
7 |
1-9 |
2006 |
ISSN 1616-3281 |
Biogeographische, morphologische und molekularbiologische Untersuchungen zum Artstatus von Acalles temperei Péricart, 1987 und Kyklioacalles navieresi (Boheman, 1837) *
[Stüben]
Abstract
1. Einleitung
Der folgende Beitrag über die biogeographischen, morphologischen und molekularbiologischen Untersuchungen zum Artstatus von Acalles temperei Péricart, 1987 und Kyklioacalles navieresi (Boheman, 1837) ist gleich in dreifacher Hinsicht für uns ein Neubeginn:
1. Das CURCULIO-Institut (CURCI; Germany: Mönchengladbach) und das Zoologische Forschungsmuseum Alexander Koenig (ZFMK; Germany: Bonn) machen ernst mit der interinstitutionellen Forschung. In enger Kooperationsarbeit werden auf beiden Seiten „infrastrukturelle Voraussetzungen“ und Einrichtungen genutzt, um zu schultern, was nur schwer jeder für sich vermag.
2. Eine moderne integrative, interdisziplinäre Taxonomie verknüpft Wissen und Expertise von Morphologen und Molekularsystematikern, vernetzt und kombiniert Untersuchungen des Phänotyps mit DNA-Sequenzanalysen und - in besonderen Fällen - mit Kreuzzucht-Experimenten.
3. Längst sind wir in vielen gut erforschten Gruppen der westpaläarktischen Curculionidae an die „morphologischen Grenzen“ unserer differentialdiagnostischen Bemühungen gestoßen. Die ausschließlich phänotypisch-morphologische, nicht selten sehr kreative Aufbereitung winziger Merkmalsunterschiede in der Systematik hat sich nicht selten zu einer hohen Kunst der Selbstbestätigung entwickelt.
Natürlich kommt die Artdifferenzierung ohne morphologische Studien zu komplexen (visuell leicht zu erfassenden) phänotypischen Strukturen sowie ohne ökologische und reproduktionsbiologische Beobachtungen nicht aus, sie ist aber bei kryptischen Arten - wie im Fall der hier diskutierten Artenpaare der Unterfamilie Cryptorhynchinae - nicht ausreichend, um den Status und die Phylogenese der Arten zu rekonstruieren. Was fehlt, ist auch eine von Spezialisten entwickelte, aber allgemein anwendbare, schnelle Routine-Identifikationsmöglichkeit der Arten, besonders der bisher oft bei den Cryptorhynchinae nicht zu bestimmenden Weibchen und der Larven. Hier ist die DNA-Sequenzanalyse die komplementäre Methode der ersten Wahl, da ihr eine nahezu unbegrenzte Anzahl an Merkmalen zur Verfügung steht. Einzelne dieser Charaktere sind zwar weniger komplex und damit von geringerem Informationsgehalt als morphologische Merkmale [Wägele 2001: 117], sie sind aber stets leicht quantifizierbar, diskret, reproduzierbar und über weite phylogenetische Entfernungen hinweg homologisierbar [Astrin et al. im Druck]. Schließlich: Die DNA-Sequenzierung wird zunehmend kostengünstiger und durch immer weitere Automatisierungsstufen vereinfacht.
2. Acalles parvulus Boheman, 1837 und
Tatsächlich gibt es am Locus typicus in den Pyrénées-Orientales, im Südosten Frankreichs (Rhône-Alpes) und im äußersten Westen der Schweiz, der Gegend um Genf, sowie dem italienischen Piemonte Exemplare, die auf die Beschreibung des Aedoeagus von Acalles temperei zutreffen. Verglichen mit dem riesigen Gesamtverbreitungsgebiet von Acalles parvulus, das vom Rheinland (Germany) bis nach Sizilien (Italy) und im Osten der Gegend um Graz (Austria) bis in den äußersten Südwesten Frankreichs, den Pyrénées-Atlantiques, reicht, muss das Vorkommen von Acalles temperei als 'punktuell und disjunkt' bezeichnet werden. [Fig. 4]. Uns ist von keiner anderen (flugunfähigen!) Acalles-, Dichromacalles, Kyklioacalles, Onyxacalles- oder Echinodera-Art aus Europa ein solches punktuell-disjunktes Verbreitungsmuster bekannt. Zwischen dem ausgesprochen lokalen Vorkommen in den Pyrénées-Orientales und der Gegend um Grenoble (Rhône-Alpes) liegen wohl „unzählige“ Fundnachweise von Acalles parvulus, aber nicht ein einziger von Acalles temperei vor: [Fig. 4].
Seit 1997 hat einer der Autoren (P.E. Stüben) viele der bekannten Fundpunkte beider Arten in Mittel-, West- und Südeuropa aufgesucht und konnte durch neue Nachweise das gesamteuropäische Verbreitungsgebiet in seinen Grenzen, der Vorkommensdichte und Verteilung immer genauer nachzeichnen. Insgesamt wurden von ihm an 137 Lokalitäten 708 Exemplare aufgesammelt bzw. überwiegend aus der Streu verschiedener Laubbäume gesiebt und stets genitalpräpariert. Alle Exemplare befinden sich heute in seiner Sammlung. Darüber hinaus wurden aus den Museen Europas und aus Sammlungen von Kollegen weitere 739 Exemplare von 259 weiteren Lokalitäten untersucht und konnten problemlos (nach-)bestimmt werden:
Die von Péricart vorgegebene Differentialdiagnose zu beiden Arten nach der Form des Aedoeagus erscheint überzeugend, leicht nachvollziehbar und - in der Praxis - für ein rasche Determination des Materials völlig ausreichend: [Fig. 5][Fig. 6].
2.2. Rekonstruktion einer Cline in den Départements Loire und Isère (Frankreich)
Handelt es sich um verschiedene, parapatrisch auftretende Formen einer Art, die sich entlang eines schmalen Grenzsaumes miteinander paaren? Reiht man die Aedoeagi entlang eines Transekts zwischen dem Mont Pilat unweit der Ortschaft Pélussin (Dep. Loire) und dem Mont Saint-Martin nördlich von Grenoble (Dep. Isère) auf, wird eine Cline sichtbar [Fig. 8], die im Westen ausgehend von einem „typisch“ verrundeten Acalles parvulus-Aedoeagus, über Mischformen auf den Hügeln um die Ortschaften Saint-Jean-de-Bournay und Côte-Saint-André sich im Osten zu einer Aedoeagusform „verdichtet“, die zweifelsfrei und ohne Ausnahme Acalles temperei zugesprochen werden muss.
Kann sich eine solche Cline aufgrund von Genfluss zwischen zuvor isolierten Populationen (etwa als Folge unterschiedlichen Selektionsdrucks) nach einer eiszeitlichen Isolation bilden? Das wäre aber nur möglich, wenn die genetische Divergenz zwischen den Populationen während dieses (eiszeitlichen?) Zeitraums nicht zu groß geworden ist. Nach Wägele erfordert das (phylogenetische) Artkonzept den definitiven Nachweis, dass „Populationen irreversibel genetisch divergieren“ [Wägele 2001: 58]. Betrachtet man das geographische Variationsmuster entlang der genannten Cline, scheint mir „morphologisch“ die Frage, ob es sich um eine oder zwei Arten handelt, beantwortet. Was den Taxonomen veranlassen würde, in Acalles temperei Péricart, 1987 nur ein jüngeres Synonym von Acalles parvulus Boheman, 1837 zu sehen!
Um genetische Distanzwerte (p-Distanz) zu ermitteln, wurden drei unterschiedliche Gene sequenziert. Diese unterliegen verschiedenen Evolutionsmechanismen bzw. entstammen unterschiedlichen Genomen des Tiers: das mitochondriale, proteincodierende Cytochrom-c-Oxidase-Untereinheit-1(CO1)-Gen, das gleichfalls mitochondriale 16S rRNA-Gen (LSU) und das nukleäre ribosomale RNA-Gen 28S (LSU). Die Fragmentlängen im Einzelnen:
·
CO1: 653 Basenpaare (bp) der 5'-Region
·
16S: 411 bp der 3'-Region
·
28S: zwei Indel-Regionen (d.h. von Insertions-/Deletionsereignissen betroffene Genregionen) mit 201 bp (aliniert) aus einem 548-bp-Fragment der 3'-Region.
Daten zu den verwendeten Primern und der Amplifizierung sowie die DNA-Sequenzen werden andernorts veröffentlicht.
CO1 wird als Standardmarker für Studien des „DNA-Barcoding“ präferiert [Hebert et al. 2003], die Eignung von 16S [Schubart et al. 2000][Vences et al. 2005][Astrin et al., im Druck] oder 28S [Markmann & Tautz 2005] wird aufgrund des vorteilhaften taxonomischen Signals oder bestimmter molekularer Eigenschaften ebenfalls hervorgehoben.
Jedes der drei Gene zeigte sich geeignet, um in einer schnellen, baumbasierten Analyse (neighbor joining) die untersuchten Cryptorhynchinae entsprechend den morphologischen Hypothesen zu (re-)identifizieren, da sich die Arten (bis auf die Ausnahme von Acalles temperei und Acalles parvulus) stets reziprok monophyletisch gruppierten. Beim kollektiven Vergleich von innerartlichen mit zwischenartlichen Distanzen über den gesamten im Pilotprojekt gewonnenen Datensatz zeigt sich eine deutliche Diskontinuität zwischen intraspezifischer und interspezifischer Variation, was sich im Boxplot (dazu: [Astrin et al., im Druck]) besonders gut visualisieren lässt:
So fällt bei Betrachtung der Boxplots [Fig. 9] auf, dass sich die Distanzen des Paares Acalles temperei / A. parvulus besser als innerartlich denn als zwischenartlich einordnen lassen. In den mitochondrialen Stammbaumrekonstruktionen zeigt sich zwar eine - wenn auch auf sehr kurzen Ästen basierende - reziprok monophyletische Substrukturierung in Acalles temperei und Acalles parvulus, jedoch wird diese vom nukleären Marker nicht bestätigt: Für 28S fiel eines der in der Isère gesammelten Acalles parvulus-Exemplare zu den ebenfalls aus der Isère stammenden Acalles temperei-Exemplaren. Dieses Ergebnis legt die Annahme von Hybridisierungsereignissen zwischen beiden Gruppen nahe.
Vorläufiges Fazit: Bisher wurden 5 Exemplare von Acalles parvulus und 2 von Acalles temperei untersucht. Für endgültige Aussagen wären mehr (in hochprozentigem Ethylalkohol konservierte) Tiere nötig - insbesondere Material vom Locus typicus aus den Pyrénées-Orientales -, jedoch sprechen bereits die hier gewonnenen Erkenntnisse dafür, dass Acalles parvulus und Acalles temperei eine einzige, vermutlich geographisch strukturierte Art darstellen.
3. Kyklioacalles roboris (Curtis, 1834) und
3.1 Morphologie, Biogeographie und Ökologie
Das neue Subgenus Palaeoacalles ist bis auf wenige Ausnahmen - den hohen Norden Europas und den nordafrikanischen Raum - in der ganzen Westpaläarktis (mit dem Schwerpunkt in Mitteleuropa) verbreitet und wird hier von den drei Arten Kyklioacalles roboris [Fig. 10], Kyklioacalles navieresi [Fig. 11] und der aus Kroatien 2005 beschriebenen Art Kyklioacalles velebitensis Stüben 2005 [Fig. 12] vertreten. Alle drei Arten wurden bereits einer umfassenden Differentialdiagnose unterzogen. [Stüben et al. 2005: 102]
Ausgehend von dieser Differentialdiagnose, den Fraß- und Entwicklungspflanzen sowie der paläarktischen und der parapatrischen Verbreitung der Arten Kyklioacalles roboris und Kyklioacalles navieresi [Fig. 13] hat einer der Autoren (P.E. Stüben) schließlich ausführlich das Vorkommen im Rheinland [Fig. 14], insbesondere das „gemeinsame“ Auftreten beider Arten auf dem Bausenberg (Germany: Eifel) dargestellt und die unterschiedlichen ökologischen Ansprüche diskutiert. [Fig. 15] Danach muss die These, dass in weiten Teilen Europas Kyklioacalles roboris die hygrophilere (auch dunklere) Art ist, um die Erkenntnis, dass Kyklioacalles navieresi die eindeutig xerothermere Standorte präferierende (auch hellere) Art ist, ergänzt werden. [Stüben 2005a]
Während also ein gezieltes Aufsammeln von Kyklioacalles navieresi z.B. auf Kalkböden oder vulkanischen Schlackeböden extrem xerothermer Trockenhänge [Fig. 16] so erst möglich geworden ist (ökologische Differenz), und eine Trennung der beiden Arten nach der Form des Aedoeagus [Fig. 17] und der Innensackstruktur [Fig. 18][Fig. 19] kein Problem darstellen sollte (morphologische Differenz), bleiben für das ungeübte Auge beim habituellen Vergleich stets Restzweifel. Weibchen lassen sich so nur unter Beachtung aller ektoskelettaler Merkmale annähernd zuverlässig bestimmen (dazu ausführlich [Stüben 2003a / 2005a]), und man kann es dem einen oder anderen Kollegen nicht verdenken, dass sich mit der Schwierigkeit der Determination auch wieder Zweifel am Artstatus von Kyklioacalles navieresi einstellen. Dass es sich dabei zunächst um ein wissenschaftsdidaktisches, hier insbesondere makrophotographisches Darstellungsproblem handelt, an dem - wie man sieht: [Fig. 20] - gearbeitet wird, sollte klar sein.
Die Infragestellung des Artstatus von Kyklioacalles navieresi darf aber damit nicht in Zusammenhang gebracht werden. Zugegeben: Tatsächlich scheint die Ausgangssituation vergleichbar zu sein mit der oben diskutierten Acalles parvulus-temperei-Problematik. Auch die beiden Kyklioacalles-Arten sind ektoskelettal nur sehr schwer zu unterscheiden. Weibchen bleiben oft als unbestimmtes Material in den Sammlungen zurück. [Fig. 21] Beide Arten kommen ebenfalls parapatrisch vor (Eifel), und man findet sie - wenn auch nur sehr selten! - bei einer entsprechend großräumig angelegten Siebung gemeinsam in den Auslesegefäßen wieder.
Handelt es sich also auch hier nur um verschiedene, parapatrische Formen ein und derselben Art, die sich entlang eines schmalen Grenzsaumes miteinander paaren? Bisher wurden von einem der Autoren (P.E. Stüben) 1644 Exemplare von 247 Fundorten bis Ende 2005 in einem mit dem Vorkommen von Acalles parvulus durchaus vergleichbaren Verbreitungsgebiet untersucht. Davon befinden sich die meisten Exemplare heute in der Sammlung von P.E. Stüben:
Aber nicht in einem einzigen Fall konnten Unterschiede oder auch nur leichte Variationen in der Aedoeagusform und bei der Innensackstruktur des Aedoeagus festgestellt werden - von einer Cline, wie sie für Acalles parvulus-temperei weiter oben beschrieben wurde, ganz zu schweigen!
Das ist umso überraschender, da sich die Vorkommen bzw. Verbreitungsgebiete der beiden Kyklioacalles-Arten weitaus häufiger verzahnen, überlappen und durchdringen [Fig. 13][Fig. 14] als die deutlich voneinander abgrenzbaren Verbreitungsgebiete der beiden Acalles parvulus-„Varianten“ [Fig. 4]. Wenn nach Mayr Arten Gruppen von sich tatsächlich oder potentiell miteinander fortpflanzenden Populationen sind [Mayr 1942], dann muss man in Bezug auf die beiden Kyklioacalles-Arten die Feststellung treffen, dass ersteres sicher nicht der Fall ist. Sie leben trotz ihrer „räumlichen Nähe“ (es gibt wie gesagt andere ökologische Parameter!) reproduktiv isoliert. Angesichts der hier vorgestellten morphologischen und ökologischen Divergenzen darf also angenommen werden, dass die beiden Arten einen (wenn auch nicht notwendigerweise allopatrischen, z.B. durch eiszeitliche geographische Trennung bedingten) Speziationsprozess durchlaufen haben, der zur irreversiblen Divergenz der Populationen geführt hat.
Niemand käme jedoch auf die Idee, als ein allgemein akzeptiertes Kriterium für Arten ausschließlich den Grad der morphologischen bzw. ökologischen Ähnlichkeit festzulegen. Und Überraschungen wie im Fall des Nachweises einer Acalles parvulus-temperei-Cline können niemals ganz ausgeschlossen werden. Jenseits von Kreuzungsexperimenten, denen als ultimo ratio (will man den „biologischen Artbegriff“ selbst nicht aufgeben!) stets eine letztentscheidende Bedeutung zugesprochen werden muss, bleibt als weiteres Indiz die genetische Distanz.
Wie steht es um die genetische Divergenz dieser beiden Kyklioacalles-Arten?
Im Folgenden sind die interspezifischen Distanzen für Kyklioacalles navieresi - Kylioacalles roboris und für Acalles temperei - Acalles parvulus aufgelistet.
16S |
CO1 |
28S |
|
A. temperei - A. parvulus |
0,7% |
5,2 - 5,4% |
0,0 - 4,0% |
K. navieresi - K. roboris |
3,9 - 4,1% |
9,2 - 9,6% |
17,9% |
interspezifischer Median |
10,0% |
15,1% |
18,9% |
Das Kyklioacalles-Artpaar erreicht knapp doppelt bis knapp fünfmal so hohe Werte wie das oben behandelte Paar. Dabei erreichen die innerartlichen Distanzen bei Kyklioacalles roboris teilweise ebenso hohe Werte wie die vermeintlich zwischenartlichen Distanzen für Acalles temperei und Acalles parvulus. [Fig. 9]
Fazit: Aufgrund dieser ersten molekularen Daten (unabhängig vom Vergleich zu Acalles temperei und Acalles parvulus) ist anzunehmen, dass Kyklioacalles navieresi und Kyklioacalles roboris zwei eigenständige, wenn auch eng verwandte Arten darstellen.
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