Open Access

Katrin Göbbeler

• The Opisthobranchia comprise highly specialized marine gastropods and have therefore been subject to diverse investigations covering various biological disciplines. However, a robust phylogeny of these gastropods is still lacking and several subclades have only been rarely studied. Furthermore, crucial aspects for the evolution of Opisthobranchia have not been comparatively analysed. Therefore, the aim of the present thesis is to gain new insights into the phylogeny of the Opisthobranchia with special focus on certain critical groups (Pleurobranchomorpha, Acteonoidea) and to assess several crucial features of the evolution of the investigated clades. The combination of four different gene markers (18S rDNA, 28S rDNA, 16S rDNA and CO1) and modern molecular systematic analysis tools were used to construct phylogenetic hypotheses focussing on Opisthobranchia as a whole as well as Pleurobranchomorpha and Acteonoidea in more detail. Intriguing new aspects of phylogeny and evolution of Opisthobranchia were revealed. First of all, monophyly of Opisthobranchia is definitely rejected based on the present data, while monophyly of Euthyneura (comprising Opisthobranchia and Pulmonata) is supported. Monophyly of opisthobranch subclades is confirmed for Nudipleura (as well as its constituting groups Nudibranchia and Pleurobranchomorpha), Umbraculida, Pteropoda (as well as subclades Thecosomata and Gymnosomata) and Acochlidiacea, for Cephalaspidea (if Runcinacea is regarded as a separate clade) and for Sacoglossa (if Cylindrobulla is accepted as an Oxynoacea). Aplysiomorpha are rendered paraphyletic due to the position of Akera bullata, but this result needs further investigation and should be considered with caution. The Nudipleura are found as the first single offshoot of the Euthyneura implying an early evolutionary separation of the last common ancestor of this clade. The remaining taxa form two main clades, one comprising the opisthobranch subgroups Umbraculida, Cephalaspidea, Aplysiomorpha and Pteropoda, while the other contains the pulmonate taxa and the opisthobranch Sacoglossa and Acochlidiacea. The interrelationships within these clades remain largely unresolved due to low statistical support values. However, a possible sister group relationship of Acochlidiacea and Eupulmonata receives statistical support. Opisthobranchia display various highly specific adaptations to diverse food sources. However, evolution of these specialized traits has never been assessed at an analytical level. The current thesis reconstructs the evolution of dietary preferences with novel methodologies based on the newly proposed phylogenetic hypothesis. Reconstruction of dietary evolution revealed herbivory as the ancestral condition in Euthyneura implying that carnivory evolved at least five times independently in the diverse lineages. The first comprehensive molecular phylogenetic hypothesis of the Pleurobranchomorpha could not reveal monophyly of the two main subclades Pleurobranchaeidae and Pleurobranchidae. This is due to the position of a single taxon (Euselenops luniceps) which is assigned to the Pleurobranchaeidae based on morphology but clusters within Pleurobranchidae in the current hypothesis. Furthermore, the tribe Berthellini and the genus Berthella are rendered paraphyletic by the current analyses. The results of molecular systematic analyses were used to reconstruct historical biogeography of Pleurobranchomorpha. Four different methodological approaches were applied yielding ambiguous results for Pleurobranchomorpha. However, the Pleurobranchidae comprising about 80% of the extant Pleurobranchomorpha most probably derived from an Antarctic origin. Dating of the phylogenetic tree via molecular clock methods yielded divergence of Pleurobranchidae into the Antarctic Tomthompsonia antarctica and the remaining species in Early Oligocene. Afterwards the latter underwent rapid radiation during Oligocene and Early Miocene. This divergence event coincides with two major geological events in the Antarctic region. On the one hand, the onset of glaciation and on the other hand the opening of the Drake Passage with concurrent formation of an Antarctic circumpolar current (ACC). I suppose that these sudden and dramatic changes in climate and palaeogeography probably accounted for migration of the last common ancestor of Pleurobranchidae (besides Tomthompsonia) into warmer regions via the Drake Passage to the Western Atlantic and Eastern Pacific and via the South Tasman Rise to the Indo-West Pacific. Furthermore, the ACC may have triggered larval dispersal to the Eastern Atlantic. The phylogenetic position of Acteonoidea has been a matter of debate for decades and they have long been considered as basal opisthobranchs. Results of the present thesis rather support placement in “Lower Heterobranchia” as sister group of Rissoelloidea. The current division of Acteonoidea into three families has never been investigated by means of phylogenetic methods. Thus, this thesis provides the first comprehensive investigation of this clade challenging present division into three families. The results rather support division into two main clades with the monogeneric Bullinidae clustering within Aplustridae doubting its separate status. Additionally, Rictaxis punctocaelatus which has been assigned to Acteonidae clusters basal to Aplustridae rendering Acteonidae paraphyletic. Since information on morphology of R. punctocaelatus was lacking until now, I conducted the first detailed investigation on morphology and histology of this species in order to reassess the unexpected molecular systematic placement. Character tracing analyses revealed similarities with both acteonoidean families implying an intermediate position of this species which might be assigned to a separate family in the future. Furthermore, the common features of Acteonidae and Rictaxis (massive shell, small foot, anterior mantle cavity opening, and absence of oral gland) are possibly plesiomorphic for the whole Acteonoidea. In summary, the results of the present thesis provide valuable novel insights into the phylogeny and evolution of the Opisthobranchia by employing state-of-the-art approaches of molecular systematics and evolutionary reconstruction. Thus, diverse hypotheses on opisthobranch phylogeny and evolution were either supported or rejected as well as novel hypotheses proposed which offer the basis for further research on these extraordinary gastropods.
• Die Opisthobranchia repräsentieren eine Gruppierung hoch spezialisierter und morphologisch heterogener Gastropoden, deren Systematik und Klassifikation kontrovers diskutiert wird. Die Radiation der strukturell vielfältigen Untergruppen hat zu einem Phänomen geführt, dass als „weitverbreiteter Parallelismus“ (rampant parallelism) bezeichnet wird. Durch diese konvergenten Entwicklungen auf morphologischer Ebene sind Synapomorphien für die Opisthobranchia umstritten und phylogenetische Untersuchungen werden erschwert. Darüber hinaus sind einige Untergruppierungen der Opisthobranchia bisher nur unzureichend untersucht. Ziel der vorliegenden Arbeit ist es deshalb, neue Einblicke in die Phylogenie und Evolution der Opisthobranchia zu gewinnen. Dabei wird zudem spezielles Augenmerk auf bestimmte kritische Gruppierungen (Pleurobranchomorpha, Acteonoidea) gelegt, die bisher wenig untersucht wurden. Die Aufstellung neuer Phylogenie-Hypothesen für die untersuchten Gruppen bildet die Basis dieser Arbeit. Darüber hinaus wird die Entwicklung ausgewählter Merkmale mit Hilfe der Phylogenie-Hypothesen rekonstruiert, um damit Rückschlüsse auf die Evolution der untersuchten Gruppierungen zu ziehen. Zur Erstellung der Phylogenie-Hypothesen wurde eine Kombination von vier verschiedenen genetischen Markern, darunter zwei nukleäre (komplette 18S rDNA, partielle 28S rDNA) und zwei mitochondriale (partielle 16S rDNA und Cytochrome C Oxidase Untereinheit I), sowie moderne molekular systematische Analysemethoden angewandt. Das erste Kapitel der vorliegenden Arbeit befasst sich mit der Phylogenie der Opisthobranchia und der Evolution der Nahrungspräferenzen in dieser Gruppe. Basierend auf den vorliegenden Daten wird die Monophylie der Opisthobranchia eindeutig abgelehnt. Die Monophylie der Euthyneura (bestehend aus Opisthobranchia und Pulmonata) kann hingegen bestätigt werden. Hinsichtlich der Untergruppierungen der Opisthobranchia wird die Monophylie der Nudipleura, sowie deren Untergruppen Nudibranchia und Pleurobranchomorpha unterstützt. Zudem konnte die Monophylie der Umbraculida, Acochlidiacea und Pteropoda, inklusive der beiden Untergruppen Gymnosomata und Thecosomata, nachgewiesen werden. Die Monophylie der Sacoglossa und ihrer Untergruppen Oxynoacea und Placobranchacea wird nur unter der Annahme, dass Cylindrobulla keine eigene Untergruppierung bildet, sondern eine Gattung der Oxynoacea darstellt, unterstützt. Die Cephalaspidea sind ebenfalls monophyletisch, wenn akzeptiert wird, dass die Runcinacea eine eigene von den restlichen Cephalaspidea getrennte Gruppierung bilden. Die Aplysiomorpha (bestehend aus Aplysioidea und Akeroidea) sind nach den vorliegenden Ergebnissen paraphyletisch, weil Akera bullata (als Vertreter der Akeroidea) die Schwestergruppe einer monophyletischen Gruppierung aus Aplysioidea und Pteropoda bildet. Da aber nur eine Art der Akeroidea in die vorliegende Studie einbezogen werden konnte, bedarf dieses Ergebnis weiterer Untersuchungen. Die Nudipleura bilden die basalste evolutionäre Linie, die sich einzeln von den Euthyneura abspaltet. Dies legt eine frühe Trennung und separate Evolution dieser Gruppierung von den verbleibenden Gruppierungen nahe. Die übrigen Taxa bilden zwei Gruppen. Die erste umfasst mit Umbraculida, Cephalaspidea, Runcinacea, Aplysiomorpha und Pteropoda Untergruppierungen der Opisthobranchia. Innerhalb dieser Gruppe spalten sich zunächst die Umbraculida und dann die Cephalaspidea (ohne Runcinacea) ab. Die Runcinacea bilden die Schwestergruppe eines gut gestützten Taxons aus (paraphyletischen) Aplysiomorpha und Pteropoda. Diese Phylogenie der gesamten Gruppierung findet sich in allen Analysen, allerdings sind gute statistische Unterstützungswerte nicht immer gegeben. Zur zweiten Gruppe zählen die Pulmonata und die zu den Opisthobranchia gehörenden Sacoglossa und Acochlidiacea. Die Taxa Siphonarioidea, Sacoglossa und eine Gruppierung aus Hygrophila, Amphiboloidea, Eupulmonata und Acochlidiacea sind ebenfalls gut gestützt. In der vorliegenden Arbeit konnte zum ersten Mal ein Schwestergruppenverhältnis von Acochlidiacea und Eupulmonata nachgewiesen werden, da die Acochlidiacea bisher meist unaufgelöst innerhalb der Pulmonata gefunden wurden. Weitreichenden Einfluss auf den evolutionären Erfolg der Opisthobranchia hat ihre teils hochspezialisierte Anpassung an verschiedenartigste Nahrungsressourcen. Dabei werden auch solche Quellen als Nahrung verwendet, die für andere Organismen schmerzhaft oder sogar giftig sind. Die Evolution dieser spezialisierten Nahrungspräferenzen ist bislang allerdings weitgehend ungeklärt. Gleiches gilt für die möglichen Nahrungspräferenzen der letzten gemeinsamen Vorfahren der Opisthobranchia und ihrer einzelnen evolutionären Linien von denen ausgehend die heutige Vielfalt entstanden ist. Da in den phylogenetischen Analysen die Polyphylie der Opisthobranchia bestätigt wurde, werden in der vorliegenden Arbeit die Nahrungspräferenzen der monophyletischen Euthyneura rekonstruiert. Dies geschieht unter Nutzung des Programms BayesTraits, welches mittels Bayesianischer Methoden die Rekonstruktion angestammter Zustände ermöglicht. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der Euthyneura mit großer Wahrscheinlichkeit ein Pflanzenfresser war. Dieser Befund bleibt auch bestehen, wenn die Acteonoidea, welche lange Zeit als basale Opisthobranchia betrachtet wurden und die in dieser Studie (gemeinsam mit den Rissoelloidea) die Schwestergruppe der Euthyneura bilden, in die Analyse mit einbezogen werden. Fleischfressende Taxa haben sich somit mindestens fünfmal unabhängig voneinander entwickelt (bei den Nudipleura, Umbraculida, Pteropoda und mindestens zweimal bei den Cephalaspidea). Kapitel zwei dieser Arbeit beschreibt die erste umfassende molekular systematische Untersuchung der Pleurobranchomorpha. Die bisherige Klassifikation der Gruppe, basierend auf morphologischen Merkmalen, konnte dabei nur zum Teil bestätigt werden. Die Monophylie der beiden Unterfamilien Pleurobranchaeidae und Pleurobranchidae konnte auf Grund der Position eines einzelnen Taxons (Euselenops luniceps) nicht bestätigt werden. Dieses Taxon wird basierend auf seiner Morphologie in die Pleurobranchaeidae gruppiert, in dieser Studie jedoch tief innerhalb der Pleurobranchidae eingeordnet. Die Pleurobranchidae werden in drei Gruppen eingeteilt: Berthellini, Pleurobranchini und Bathyberthellini. Die Ergebnisse dieser Studie offenbaren Paraphylie der Berthellini und der Gattung Berthella, wohingegen die Pleurobranchini monophyletisch sind. Der Status der Bathyberthellini kann nicht beurteilt werden, da nur ein Vertreter für die Analysen zur Verfügung stand. Die erstellte Phylogenie-Hypothese der Pleurobranchomorpha wurde genutzt, um die historische Biogeographie dieser Gruppierung zu untersuchen. Gegenwärtig gehen Theorien von einem antarktischen Ursprung der gesamten Nudipleura aus, was bedeutet, dass die Radiation ihrer Untergruppen (Nudibranchia und Pleurobranchomorpha) ebenfalls rund um die Antarktis stattgefunden hat. Vier unterschiedliche methodische Ansätze wurden genutzt (parsimonische, Bayesianische sowie Maximum likelihood), um die historische Biogeographie zu rekonstruieren. Die Resultate für die Pleurobranchomorpha waren nicht eindeutig, jedoch unterstützen die Ergebnisse einen antarktischen Ursprung der Pleurobranchidae, welche etwa 80% aller rezenten Taxa umfassen. Die Datierung der Phylogenie mittels einer molekularen Uhr deutet auf eine Aufspaltung der Pleurobranchidae in das antarktische Taxon Tomthompsonia antarctica und den letzten gemeinsamen Vorfahren der übrigen Arten im frühen Oligozän (vor 30-34 Millionen Jahren) hin. Dieses Aufspaltungsereignis fällt mit zwei wesentlichen geologischen Vorkommnissen in der Antarktis zusammen. Zum einen mit dem Beginn der Gletscherbildung und zum anderen mit der Öffnung der Drake Passage und nachfolgender Entstehung einer polaren Strömung rund um die Antarktis (Antarctic Circumpolar Current - ACC). Diese relativ plötzlichen und dramatischen Änderungen des Klimas haben vermutlich zur Migration des letzten gemeinsamen Vorfahrens der meisten Pleurobranchidae heraus aus der Antarktis in wärmere Gebiete geführt. Diese Migration könnte über die Drake Passage Richtung West Atlantik und Ost Pazifik, sowie über die Süd-Tasmanische Erhebung in die Indo-West pazifische Region stattgefunden haben. Zudem könnte die Strömung des ACC die Verbreitung von Larven in den östlichen Atlantik verursacht haben. Kapitel drei der vorliegenden Arbeit widmet sich den Acteonoidea, deren phylogenetische Einordnung seit langem umstritten ist. Sie werden häufig als basale Opisthobranchia angesehen, weshalb sie in dieser Arbeit näher untersucht werden sollen, da molekular systematische Untersuchungen bislang fehlen. Die Ergebnisse dieser Arbeit legen eine Einordnung der Acteonoidea als Teil der „Lower Heterobranchia“ nahe, da sie in einem Schwestergruppenverhältnis zu den Rissoelloidea gefunden wurden. Die gegenwärtige Einteilung der Acteonoidea in drei Familien (Acteonidae, Aplustridae und Bullinidae) kann nicht bestätigt werden. Die Ergebnisse unterstützen eine Einteilung in zwei Familien. Entgegen vorheriger Annahmen scheint die Familie Bullinidae (mit der einzigen Gattung Bullina) eher Teil der Aplustridae zu sein, als eine eigene Familie zu bilden. Zudem findet sich ein Schwestergruppenverhältnis von Rictaxis punctocaelatus (zu den Acteonidae gehörend) und den Aplustridae, was zu einer Paraphylie der Acteonidae führt. Da Untersuchungen zur Morphologie von Rictaxis bisher fast völlig fehlten, wurde in dieser Arbeit die erste detaillierte Beschreibung der Morphologie und Histologie vorgenommen, um die Ergebnisse der phylogenetischen Analysen besser beurteilen zu können. Dabei wurde deutlich, dass Rictaxis sowohl mit Acteonidae, als auch mit Aplustridae gemeinsame Merkmale teilt. Darüber hinaus lassen sich aus den Ergebnissen dieses Kapitels Hinweise auf den plesiomorphen Zustand vieler Merkmale innerhalb der Acteonoidea ableiten. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass die vorliegende Arbeit durch die bislang umfassendsten Studien, hinsichtlich Taxonauswahl und Analysemethoden, zahlreiche und faszinierende neue Erkenntnisse zur Phylogenie und Evolution der Opisthobranchia liefert.