INVESTIGATING PHYLOGENY, BIOGEOGRAPHY AND SPECIATION PROCESSES IN THE GENUS HYCLEUS LATREILLE 1817 (COLEOPTERA, MELOIDAE)

Abstract

Among Meloidae, a beetle family of about 3000 species, Hycleus (Tribe: Mylabrini) is the most speciose genus with ~430 species described, widely distributed in the Old World. Relationships among those species have never been investigated, but morphological studies divided Hycleus in three main sections (Mesogorbatus, Mesoscutatus and Mesotaeniatus) and in several species groups. Recent molecular studies about the family and the Mylabrini tribe highlighted a possible paraphyly of Hcyleus with respect to the genera Ceroctis and Paractenodia. In the first part of this work, we built a time-calibrated phylogenetic tree based on five genes (nuDNA: CAD, Arginin Chinasi, 28S e Wingless; mtDNA: COI) in order to: (a) explore the phylogenetic relationships among the species of Hycleus; (b) define the relationships among Hycleus, Ceroctis and Paractenodia; (c) understand if the three sections may have a taxonomic value; (d) delineate a plausible scenario describing the biogeographic history of the genus. According to our results, four main clades were identified one of which included the species belonging to Ceroctis and Paractenodia: both taxa are now referred to Hycleus as new synonyms. The three sections resulted polyphyletic and do not have taxonomic value, whereas several species groups were confirmed. Biogeographic results indicated a Miocene origin (20 Mya) of Hycleus in the African paleo-continent. Subsequently, several dispersal events determined the spread of the genus in the Palaearctic, Saharo Sindian and Oriental Regions in different times. In the second part of the thesis, we have dealt more closely with the species Hycleus polymorphus, which is of particular interest because of its geographic distribution. Its range, in fact, goes from central Asia, where it is probably distributed with continuity, to South-Western Europe, where it shows a mountain distribution with fragmented populations. This distribution might be related to the climatic Pleistocenic fluctuations. H. polymorphus belongs to a group of 14 species widely distributed in the Palaearctic region. The systematics of the species of this group is controversial and needs to be clarified to better understand the species boundaries, included those of H. polymorphus. Therefore, aim of this work was first to define the species boundaries of H. polymorphus and of other species belonging to the H. polymorphus group, then to investigate the genetic structure of 27 populations of H. polymorphus. Phylogenetic results based on three molecular markers (COI, CAD and ITS2) confirmed the necessity of a taxonomic revision of this group, as species like H. humerosus and H. zebraeus resulted synonyms respectively of H. polymorphus and H. atratus. The biogeographic history of H. polymorphus was investigated with the markers CAD, which resulted highly polymorphic and did not show a phylogeographic structure, and ITS2, which, on the contrary, allowed to recognize four well distinct geographic groups, showing low intra-group genetic diversity. According to our results and previously obtained molecular dating, we can hypothesize a recent origin of H. polymorphus, likely occurred in the Pleistocene in central Asia. During glacial phases, following the expansion of steppe environments, the range of H. polymorphus expanded as well till western Europe. During interglacials, suitable environments for this species in the Mediterranean basin were mainly confined to mountain ranges, forcing populations to survive at higher altitudes. In the last part of this work we focused on the species group of Hycleus sexmaculatus, described according to morphological characters and confirmed by molecular analysis in the first part of this thesis. The sexmaculatus complex comprises 12 species, one of which described in this work, and primarily distributed in the Saharo-Sindian Transitional Region. In this third work we produced a morphological revision of the species of this group, proposed new species and new synonymies and published keys and figures of both males and females. Moreover, to better understand the systematic of the species, we explored their phylogenetic relationships using both morphological characters and molecular data. Molecular analyses were conducted using five genes and five species. Even if performed with a reduced number of species, molecular results seem to confirm the relationships among species inferred by morphological data.

I Meloidi sono una famiglia di circa 3000 specie, presente in tutto il mondo ad eccezione della Nuova Zelanda, dell’Antartide e di molte isole Polinesiane. Studi morfologici e molecolari ne hanno definito la divisione in tre sottofamiglie (Eleticinae, Nemognathinae, Meloinae) e in 16 tribù. I Meloidi sono noti per lo più per la produzione di cantaridina, una sostanza altamente tossica ed irritante utile a questi insetti come difesa naturale e probabilmente legata anche ad aspetti riproduttivi, nota all’uomo sin dall’antichità per le sue proprietà mediche. Sinapomorfie di questa famiglia sono il ciclo di sviluppo di tipo ipermetabolico e la presenza di larve parassitoidi di Imenotteri Aculeati o di Ortotteri Acridoidei. In questa tesi è stato studiato per la prima volta in maniera approfondita e con un approccio molecolare il più numeroso tra i 130 generi appartenenti alla famiglia: il genere Hycleus Latreille 1817. Hycleus appartiene alla sottofamiglia delle Meloinae e alla tribù dei Mylabrini e, con almeno 430 specie descritte (più di 500 dopo questo lavoro), può essere definito un genere iper-diverso. La sua distribuzione comprende quasi tutta la regione Paleartica, la regione Afrotropicale (escluso il Madagascar) e gran parte della regione Orientale. Probabilmente a causa di questa elevata diversità, le relazioni tra le specie appartenenti a questo genere non sono mai state esplorate. Negli anni cinquanta, lo spagnolo Pardo Alcaide, basandosi su alcune caratteristiche morfologiche del mesosterno, suddivise il genere in tre sezioni: Mesoscutatus (mesosterno con uno scuto largo); Mesotaeniatus, (mesosterno con uno scuto stretto); Mesogorbatus, (mesosterno privo di scuto). Successivamente, all’interno di queste sezioni, sono stati descritti alcuni gruppi di specie sulla base di caratteri morfologici comuni. Più di recente, lavori di filogenesi molecolare sulla famiglia e sulla tribù dei Mylabrini hanno evidenziato una stretta affinità tra i generi Ceroctis e Paractenodia e Hycleus, tanto da mettere in dubbio la monofilia di quest’ultimo. La prima parte di questa tesi è stata dedicata alla ricostruzione della filogenesi di Hycleus utilizzando 125 specie e cinque marcatori (nuDNA: CAD, Arginin Chinasi, 28S e Wingless; mtDNA: COI) con lo scopo di: (a) ricostruire le relazioni tra le specie di Hycleus; (b) chiarire la posizione filogenetica di Ceroctis e Paractenodia; (c) comprendere se le tre sezioni descritte su basi morfologiche possano ancora avere un valore tassonomico ed essere utilizzate per definire dei sottogeneri; (d) delineare la storia biogeografica di Hycleus. I risultati ottenuti hanno evidenziato la presenza di quattro cladi principali uno dei quali include Ceroctis e Paractenodia, che sono quindi da considerarsi sinonimi di Hycleus. Le sezioni descritte su basi morfologiche non hanno ottenuto supporto nelle analisi molecolari, risultando polifiletiche e pertanto non possono essere prese in considerazione come sottogeneri di Hycleus. Al contrario, molti dei gruppi di specie descritti su basi morfologiche, sono stati confermati anche dalle analisi molecolari. Per quanto riguarda la storia biogeografica di Hycleus, i risultati hanno permesso di ipotizzare una sua origine Miocenica (20 Ma) nel paleo continente Africano da cui, a seguito di diversi eventi di dispersione probabilmente favoriti dalla presenza della connessione tra Africa e Asia rappresentata dalla Penisola Arabica, sono state colonizzate in tempi diversi le regioni Paleartica, Saharo Sindica e Orientale. Nella seconda parte della tesi è stata approfondita la storia biogeografica di Hycleus polymorphus, una specie con un’interessante distribuzione geografica: l’areale, infatti, si estende dalle steppe del Kazakhstan fino alle praterie d’alta quota delle catene montuose dell’Europa meridionale ed è continuo in Asia centrale e in Europa orientale, mentre risulta frammentato sui Pirenei, sulle Alpi e sulle catene montuose della Penisola Balcanica. Tale distribuzione potrebbe essere legata alle oscillazioni climatiche del Pleistocene che potrebbero quindi aver lasciato tracce nella struttura genetica di H. polymorphus. Nel precedente studio sulla filogenesi di Hycleus era stata confermata l’attribuzione di H. polymorphus ad un gruppo di specie già individuato su base morfologica. Sia precedenti lavori morfologici, sia le più recenti analisi molecolari hanno però evidenziato una serie di incertezze tassonomiche relative alle specie appartenenti a questo complesso che necessitano di essere chiarite. Lo studio della storia biogeografica di Hycleus polymorphus, è stato quindi preceduto da un’analisi tassonomica per chiarire l’identità della specie in esame. Attraverso un’analisi filogenetica preliminare, sono state studiate 8 delle 14 specie appartenenti al gruppo polymorphus. Quasi tutte sono risultate monofiletiche ad eccezione di H. humerosus e di H. zebraeus, rispettivamente probabili sinonimi di H. polymorphus e di H. atratus. Uno studio dedicato che includa tutte le specie del gruppo rimane necessario per descriverne in maniera esaustiva la tassonomia e la sistematica. Una volta identificata correttamente l’unità tassonomica corrispondente a H. polymorphus, 103 individui appartenenti a 27 popolazioni sono stati utilizzati per descriverne la storia biogeografica attraverso i marcatori nucleari CAD e ITS2. Mentre il gene CAD, altamente polimorfico, non ha mostrato alcun segnale filogeografico, l’ITS2 ha invece permesso di definire quattro aplogruppi ben distinti da un punto di vista genetico e geografico, ma caratterizzati da una bassa variabilità genetica intra-gruppo. Sulla base dei risultati ottenuti in questo lavoro e delle datazioni molecolari ottenute in precedenza, è stato possibile ipotizzare che quella di H. polymorphus sia una storia recente. L’origine della specie è da collocarsi nel Pleistocene molto probabilmente in Asia centro-occidentale, regione da cui, durante uno dei glaciali, l’areale di H. polymorphus ha potuto espandersi fino a raggiungere l’Europa occidentale e meridionale seguendo l’avanzamento degli ambienti steppici. Con l’innalzamento delle temperature durante le fasi interglaciali, e la conseguente riduzione degli ambienti steppici, le popolazioni di H. polymorphus presenti nell’area Mediterranea sono rimaste confinate prevalentemente ad alta quota sulle catene montuose, dove si sono potuti riadattare ad ambienti di prateria montana xerica con condizioni simili a quelli steppici. Nella terza ed ultima parte di questa tesi è stato studiato il gruppo di specie di Hycleus sexmaculatus. Come per il gruppo di H. polymorphus, anche in questo caso il complesso di specie era stato descritto su basi morfologiche e poi confermato attraverso dati molecolari nella prima parte di questa tesi. Al gruppo sexmaculatus appartengono 12 specie distribuite prevalentemente nella regione di transizione Saharo-Sindica, con ampia estensione in Medio Oriente e Asia centrale. Lo scopo di questo lavoro è stato di fornire una dettagliata descrizione della morfologia di tutte le specie, tra cui una specie nuova, e delle caratteristiche ecologiche e biogeografiche di ciascuna. Per il riconoscimento dei maschi e delle femmine, che mostrano un accentuato dimorfismo, sono state prodotte nuove chiavi dicotomiche e sono state preparate figure di dettagli morfologici diagnostici. Nel tentativo di definire in maniera più approfondita la sistematica del gruppo, sono stati prima proposti sottogruppi di specie in base a caratteristiche morfologiche e successivamente sono state effettuate analisi filogenetiche molecolari basate sulla Maximum Likelihood e Inferenze Bayesiane, utilizzando una matrice di cinque geni e cinque specie. Le analisi molecolari, seppur basate su un basso numero di specie, sembrano confermare i sottogruppi definiti su base morfologica.