Rates and patterns of molecular evolution in freshwater versus terrestrial insects

Abstract

Insect lineages have crossed between terrestrial and aquatic habitats many times, for both immature and adult life stages. We explore patterns in molecular evolutionary rates between 42 sister pairs of related terrestrial and freshwater insect clades using publicly available protein-coding DNA sequence data from the orders Coleoptera, Diptera, Lepidoptera, Hemiptera, Mecoptera, Trichoptera, and Neuroptera. We furthermore test for habitat-associated convergent molecular evolution in the cytochrome c oxidase subunit I (COI) gene in general and at a particular amino acid site previously reported to exhibit habitat-linked convergence within an aquatic beetle group. While ratios of nonsynonymous-to-synonymous substitutions across available loci were higher in terrestrial than freshwater-associated taxa in 26 of 42 lineage pairs, a stronger trend was observed (20 of 31, p binomial = 0.15, p Wilcoxon = 0.017) when examining only terrestrial-aquatic pairs including fully aquatic taxa. We did not observe any widespread changes at particular amino acid sites in COI associated with habitat shifts, although there may be general differences in selection regime linked to habitat.Key words: molecular evolution, habitat transition, relative rates, Insecta, DNA barcoding.Résumé : À plusieurs reprises, des groupes d'insectes ont alterné entre des habitats terrestres et aquatiques, tant pour les stades immatures qu'adultes. Les auteurs explorent les taux d'évolution moléculaire chez 42 paires de clades d'insectes apparentés terrestres et aquatiques à l'aide de données publiques de séquences codantes au sein des ordres Coleoptera, Diptera, Lepidoptera, Hemiptera, Mecoptera, Trichoptera et Neuroptera. De plus, les auteurs ont vérifié s'il y avait eu évolution moléculaire convergente associée à l'habitat au sein du gène codant pour la sous-unité I de la cytochrome c oxydase (COI) de manière générale et à l'endroit d'un acide aminé particulier qui a été rapporté comme faisant l'objet d'une convergence liée à l'habitat au sein d'un groupe de scarabées aquatiques. Bien que les ratios de substitutions non-synonymes à synonymes étaient plus élevés, au sein des locus disponibles, chez les taxons terrestres que chez les taxons aquatiques pour 26 des 42 paires comparées, une tendance plus marquée a été observée (20 de 31, p binomial = 0,15, p Wilcoxon = 0,017) lorsque les paires terrestres/ aquatiques n'incluaient que des taxons pleinement aquatiques. Les auteurs n'ont pas observé de changements importants à des acides aminés particuliers au sein de la COI qui étaient associés à des changements d'habitat, bien qu'il puisse y avoir des différences générales dans le régime de sélection qui soient associées à l'habitat. [Traduit par la Rédaction] Mots-clés : évolution moléculaire, transition d'habitat, taux relatifs, insectes, codage à barres de l'ADN.

The State of Phylogenetic Analysis: Narrow Visions and Simple Answers—Examples from the Diptera (flies)

“…The other is to ensure that the broader community is aware that not all studying dipteran phylogenetics consider the Wiegmann et al (2011) results as anything remotely close to a "Periodic Table" of Diptera relationships. These results certainly are not authoritative and should not to be used as a template for further study, as has been done by many, with almost 400 citations as of this writing (e.g., Chapman et al, 2012;Dijkstra et al, 2014;Espíndola et al, 2012;Friedemann et al, 2014;Tkoč et al, 2016;Mitterboeck et al, 2016;Nagler & Haug, 2015;Pape et al, 2011;Rotheray & Lyszkowski, 2015;Schneeberg et al, 2013;Vicoso & Bachtrog, 2015).…”

What is a moth doing under water? Ecology of aquatic and semi-aquatic Lepidoptera

“…), the number of truly aquatic moths is actually low compared to other groups of aquatic insects such as the Hemiptera, Coleoptera and Diptera (Jach and Balke, 2008;Polhemus and Polhemus, 2008). The number of evolutionary entries to the freshwater by insects is estimated to exceed 50 based on the review of the available phylogenetic studies (Dijkstra et al, 2014;Mitterboeck et al, 2016).…”

From Barcodes to Biomes: Special Issues from the 6th International Barcode of Life Conference

“…The generation of large datasets of standardized DNA barcodes for focal habitats and geographic regions is also enabling other lines of enquiry, integrating phylogeography, biogeography, speciation, and molecular evolution (Barreira et al 2016;Mitterboeck et al 2016). Barreira et al (2016) review the multiple avian studies that have gone beyond specimen identification and analyzed the evolution of birds using DNA barcodes.…”