Biosystematic study of myxomycetes (amoebozoa) with special emphasis on the order physaralesfrom phylogenetics to phylogenomics

Resumen

La clase Myxomycetes (Amoebozoa), también conocida como Myxogastria o "hongos mucilaginosos plasmodiales", comprende 64 géneros y más de 1000 especies. Son protistas de vida libre que se desarrollan en materia vegetal en descomposición y suelos terrestres, donde actúan como controladores de microorganismos. Estos organismos se caracterizan por su complejo ciclo de vida, que incluye etapas microscópicas (amebas, células flageladas y quistes) y macroscópicas (plasmodios y cuerpos fructíferos con esporas). Dado que las etapas microscópicas no presentan características distintivas obvias, la taxonomía de Myxomycetes se ha basado, tradicionalmente, en los caracteres morfológicos de sus cuerpos fructíferos o esporóforos. Sin embargo, estos caracteres son variables y pueden verse afectados por las condiciones ambientales, por lo que es difícil encontrar criterios taxonómicos fiables. En los últimos años se han llevado a cabo diversos estudios filogenéticos sobre Myxomycetes, pero estos se han basado en solo dos regiones moleculares por lo que las relaciones dentro de esta clase, y entre sus miembros, no se conocen con exactitud. Esto es particularmente notorio en el orden Physarales que, con más de 420 especies, es el más numeroso dentro de Myxomycetes. Pese a tener una diversidad morfológica y ecológica sobresalientes, e incluir dos especies modelo, Physarales ha recibido escasa atención por parte de los especialistas en sistemática molecular, por lo que sus relaciones filogenéticas no están claras. Para abordar estos problemas, esta tesis doctoral presenta una hipótesis filogenómica pionera para la clase Myxomycetes, con especial énfasis en el orden Physarales. Dicha hipótesis se basa en la primera y única colección de datos transcriptómicos generada para este grupo. Incluye representantes de la mayoría de las familias y los cinco órdenes tradicionalmente asignados a Myxomycetes. Nuestros resultados filogenómicos proporcionan una mayor resolución filogenética, respaldan la monofilia de esta clase y demuestran que la mayoría de los géneros tradicionales, varias familias, e incluso algunos órdenes, son ciertamente artificiales. Centrándonos en el orden Physarales, hemos reunido un completo conjunto de datos que incluye información sobre cuatro genes de cerca del 90% de los géneros conocidos. Hemos demostrado que algunos taxones, en diferentes niveles dentro del orden Physarales, son poli o parafiléticos debido a la alta homoplasia de los caracteres utilizados para definirlos, por lo que no deben ser aceptados tal como se definen tradicionalmente. Se ha modificado la circunscripción de varios géneros, se han hecho nuevas combinaciones, se ha propuesto un nuevo género y se han descrito dos nuevas especies. Al proporcionar una imagen completa de su filogenia, los resultados de este estudio multigénico permiten presentar una clasificación actualizada del orden Physarales. También ponen en evidencia la necesidad de futuros estudios para aclarar sus relaciones internas y encontrar sinapomorfias no homoplásicas que definan los grupos naturales que existen dentro de Physarales. Además de arrojar luz sobre las relaciones entre los linajes de Myxomycetes, y específicamente dentro del orden Physarales, esta tesis presenta la primera evaluación de cuatro regiones moleculares como códigos de barras potenciales para la identificación de los Myxomycetes, evidenciando que esta técnica está lejos de ser perfecta, y que existen alternativas al gen SSU. Además, también aumenta nuestro conocimiento sobre dos de los genes más comúnmente utilizados con fines filogenéticos en Amoebozoa: SSU y mtSSU. Específicamente, proporcionamos evidencia de la existencia de variabilidad intra-individual en el gen SSU y la ocurrencia generalizada de edición de ARN en el gen mtSSU. La gran cantidad de datos moleculares generados para esta tesis es un recurso útil para identificar los genes más informativos filogenéticamente y para determinar el número mínimo de loci necesarios para obtener filogenias resueltas y altamente apoyadas, a diferentes niveles taxonómicos. Por último, cabe mencionar que esta tesis contribuye al entendimiento de la filogenia general del orden Physarales y la clase Myxomycetes de una forma sin precedentes, y constituye una base sólida para futuros estudios centrados en desentrañar la historia evolutiva de estos complejos protistas ameboides. The class Myxomycetes (Amoebozoa), known as Myxogastria or “plasmodial slime molds”, comprises 64 genera and more than 1000 species of free-living protists developing on decaying vegetable matter and terrestrial soils, where they act as controllers of microorganisms. These organisms are characterized by their complex life cycle, which includes microscopic (amoebae, flagellate cells and cysts) and macroscopic stages (plasmodia and spore-bearing fruiting bodies). Since the microscopic stages do not have obvious distinguishing features, the taxonomy of Myxomycetes has been traditionally based on the morphological characters of their fruiting bodies, also known as sporophores, but these are ambiguous and can often be greatly affected by the environment, making it difficult to find reliable taxonomic criteria. Furthermore, previous molecular studies on Myxomycetes have relied on only two molecular regions, so that the relationships within and among its members are not completely understood. This is particularly notable for the order Physarales, by far the largest group within Myxomycetes, since it has received very little attention from molecular systematists, despite its morphological and ecological diversity, and that it includes two model species. To address these issues, this doctoral thesis presents a pioneer phylogenomic hypothesis for the class Myxomycetes, with particular emphasis on Physarales, based on the first and only comprehensive collection of transcriptome data gathered for this group. It includes representatives of most families and all five orders traditionally assigned to Myxomycetes. Our phylogenomic results provide enhanced phylogenetic resolution, support the monophyly of this class and prove that most traditional genera, several families and even some orders are certainly artificial. Focusing on Physarales, we have assembled a comprehensive dataset for this order, which includes four gene data from ca. 90% of the genera described so far. We have shown that taxa, at different levels within Physarales, are either poly or paraphyletic due to the highly homoplasious nature of the characters used to define them, and, thus, should not be accepted as traditionally defined. The circumscription of several genera has been amended, new combinations have been made, a new genus has been proposed and two new species has been described. By providing a complete picture of the phylogeny of Physarales, the results of this multigene study allow presenting an updated classification of this order. Nevertheless, further studies are needed to completely disentangle its internal relationships, and to find non-homoplasic synapomorphies defining the natural groups that form part of this order. Apart from shedding light on the relationships among Myxomycete lineages, and specifically within the order Physarales, this thesis presents the first assessment of four molecular regions as potential barcodes for Myxomycetes, evidencing that DNA barcoding is far from being perfect, and that there are alternatives to the SSU gene. Moreover, it also increases our knowledge on two of the genes more commonly used for phylogenetic purposes in Amoebozoa: SSU and mtSSU. Specifically, we provide evidence of the existence of intra-individual SSU variability and the widespread occurrence of RNA editing in the mtSSU gene. The large amount of molecular data generated for this thesis is a valuable resource useful for identifying the most phylogenetically informative genes, and to determine the minimum number of loci necessary to obtain resolved and highly supported phylogenies, at different taxonomic levels. This thesis provides unprecedented insight into the overall phylogeny of Physarales, and Myxomycetes in general and, thus, represents a solid base for future studies focused on unraveling on the evolutionary history of these complex amoeboid protists.