Filogenesi molecolare animale e DNA barcoding di Mollusca, Pancrustacea, e Chordata

Il percorso che dalla tassonomia porta alla sistematica interseca la filogenesi che rappre-senta il cuore di tutti gli studi zoologici. Questa linea di ricerca è, in particolare, dedicata allo studio della biodiversità, partendo dall’approccio morfologico ed arricchito di dati mo-lecolari, sia di singoli marcatori mitocondriali e nucleari (rDNA, microsatelliti, inter-SINEs, geni a copia singola) sia di dati derivanti dallo studio di interi genomi. Assieme alle indagini morfologiche, puntiamo quindi al chiarimento della sistematica che può derivare solo dalla filogenesi naturale più plausibile dei gruppi in studio. Di recente, anche l’approccio del DNA barcoding si è aggiunto allo studio di alcune linee (Pancrustacea, Phasmida, Chondrichthyes).

Mollusca

I molluschi sono sempre stati e sono tuttora uno dei più grandi punti interrogativi nell'evo-luzione dei metazoi. Negli ultimi anni ha guadagnato sempre più favore l'idea di una stretta relazione tra molluschi ed anellidi (ad esempio, Struck and Fisse, Mol. Biol. Evol. 2008 25: 728-736; Andrade et al., Mol. Biol. Evol. 2014 31:3206-3215). D'altro canto, le relazioni interne dei molluschi sono ampiamente dibattute e praticamente qualunque combinazione di classi di molluschi è stata proposta come gruppo monofiletico (Sigwart and Lindberg, Syst. Biol. 2015 64:384-395). Una buona conoscenza della filogenesi di ogni singola classe è perciò necessaria per ri-costruire il quadro generale: una delle linee di ricerca del nostro gruppo si occupa proprio della filogenesi dei bivalvi, con particolare riferimento ai nodi profondi. I marcatori utilizzati per queste ricerche sono marcatori mitocondriali: geni singoli o genomi mitocondriali completi. A questo proposito, il sequenziamento del genoma mitocondriale completo di Solemya velum nel 2013 (Plazzi et al., BMC Genomics 2013 14:409) è stato un notevole passo avanti, perché questa specie mantiene con ogni probabilità i caratteri ancestrali della genomica mitocondriale dei bivalvi (oltre mantenere una morfologia per molti versi ancestrale anch'essa).
Una questione di lunga data è quale sia il sister group dei bivalvi eterodonti (che com-prendono per esempio vongole, telline, tridacne e cannolicchi): l'uso dei marcatori mito-condriali ci porta a propendere per I bivalvi pteriomorfi (cozze, ostriche, capesante,…), che formerebbero con gli eterodonti un clade che abbiamo chiamato Amarsipobranchia (Plazzi et al., PLoS One 2011 6:e27147). Dati recenti basati su interi trascrittomi, tuttavia, non concordano con questa ipotesi, che invece trova riscontro a livello paleontologico (Plazzi et al., Genome Biol. Evol. 2016 8:2544-2564). La genomica mitocondriale dei bivalvi, inoltre, è interessante anche in sè, dato che questi genomi hanno molti aspetti peculiari. Non si tratta soltanto della presenza in alcune specie del meccanismo DUI per l'eredità mitocondriale (di cui si occupa un'altra linea di ricerca del nostro gruppo), ma anche di altri aspetti molecolari. Un'appropriata cornice filogenetica è allora indispensabile per un inquadramento di questi genomi in ottica evolutiva.

Pancrustacea

I taxa in studio sono rappresentati da:

Hexapoda, Insecta, Isoptera: generi Reticulitermes e Kalotermes
Crustacea, Branchipoda, Notostraca: generi Triops e Lepidurus.

I dati ottenuti in questi progetti sono di imprescindibile supporto negli studi comparativi di altri aspetti zoologici, costituendone il frame di lavoro tassonomico/filogenetico. Di recente, con termiti ma soprattutto insetti stecco, siamo passati all’implementazione del DNA barcoding. Il “Barcode of Life” è un ampio progetto su scala mondiale che mira allo sviluppo di uno standard universalmente accettato per la determinazione delle specie sulla base di una sequenza di DNA. A tale scopo le prime 600 bp del gene mitocondriale cox1 sono state identificate come la sequenza di barcoding più affidabile per le specie animali (Barcode of Life). L’ordine Phasmida (Pancrustacea, Hexapoda, Insecta) include I cosiddetti insetti stecco ed insetti foglia, ben noti per aver fatto del mimetismo criptico la loro più eclatante caratte-ristica. Essi sono anche noti per l’ampia varietà di strategie riproduttive che includono la partenogenesi, l’ibridogenesi e l’androgenesi (Scali et al., 2003. Biol J Linn Soc 79: 137–150; Schwander et al., 2011. Curr Biol 21:1129-1134; Scavariello et al., 2017. Scientific Reports, 7:41946). L’ordine comprende circa 3200 specie la cui validità viene spesso messa in discussione dalla carenza di caratteri diagnostici chiari, come peraltro atteso dalla convergenza morfologica dovuta al mimetismo criptico. A fianco delle analisi di DNA barcoding, l’utilizzo di marcatori mitocondriali e nucleari permetterà di ampliare l’indagine alla filogenesi dell’intero ordine e ai suoi rapporti nell’ambito degli insetti. Questa linea di ricerca è resa possibile da una imponente collaborazione con ricercatori/collezionisti di tutto il mondo.

Chondrichthyes (Chordata)

Nei Condroitti (squali, razze e chimere), il gruppo più studiato dal punto di vista della tassonomia molecolare e della filogenesi è costituito dai Rajiformes, che mostrano un alto tasso di speciazione unitamente ad una straordinaria stasi dei caratteri morfologici ed ecologici (Tinti et al., 2003. JEMBE 288: 149-165; Valsecchi et al., 2005. J Evol Biol 18: 436-446). Con il progressivo aumento di studi su DNA e RNA, è stato dimostrato che molti taxa viventi sono nascosti sotto il nome di un'unica specie e sono quindi definiti come taxi criptici (Kochzius et al., 2010. PLoS One 5: e12620; Pasolini et al. ., 2011. Mar Biol 158: 2173-2186). Nella speciazione criptica, la conservazione della morfologia esterna è una delle caratteristiche chiave che risulta dall'effetto stabilizzante della selezione su importanti tratti adattivi di taxa che occupano nicchie ecologiche simili. Tra i pesci cartilaginei, la famiglia Rajidae esibisce una notevole stasi ecologica e una morfologia conservata in modo sorprendente, compresi i peculiari schemi di pigmentazione dorsale (macchie, pseudo-macchie ocellari). Tale stasi eco-morfologica può essere coinvolta nella speciazione criptica e correlata alla stabilizzazione del fenotipo. Inoltre, nonostante le difficoltà e diversi punti critici, la scoperta di specie criptiche e, in generale, la corretta identificazione delle specie sono fondamentali, in quanto le specie rappresentano l'unità di base per la gestione, la conservazione e la tutela della biodiversità (Marino et al. , 2014. J Hered 106: 123-130; Frodella et al., 2016. MEPS 554: 99-113; Cariani et al. 2017. PLoS One 12:
e0170244.

Le linee di ricerca attualmente in corso mirano a:

svelare e catalogare la diversità delle specie di razze pan-atlantiche e mediterranee;
ricostruire la filogenesi e la biogeografia molecolare a più livelli tassonomici;
trovare evidenze dell’effetto stabilizzante della selezione sulla pigmentazione delle razze, valutando se i tratti comuni o i tratti alternativi - sono stati selezionati in adattamenti paralleli in ambienti simili o se invece sono caratteri ancestrali comuni che si sono stabilizzati dopo la divergenza delle specie.

Collaborazioni

Oskar Conle (Germania); Frank Hennemann (Germania); Paul Brock (Phasmid Study Group , UK), Dott. Pablo Valero and Prof. Dr. Antonio Ortiz (University of Murcia, Spain); Prof. Dr. Jane Margaret Costa von Sydow (Institut Oswaldo Cruz/ Fiocruz, Rio de Janei-ro, Brazil); Dr. Bruno Kneubühler (Switzerland); Dott. Joachim Bresseel e Dott. Jerome Constant (taxonomists, Institut Royal des Sciences Na-turelles, Bruxelles, Belgium); Yeisson Gutierrez (University of Münster, Germany); Consorzio ELASMOMED e iniziativa FISHBOL (CBOL, Canada); Shark Specialist Group (IUCN); Gruppo Ricercatori Italiani sugli Squali, razze e chimere (GRIS).