Implications and Opportunities of Hybridization in Phylogeography and Species Delimitation with Insights from Palearctic Amphibians
Molecular approaches to categorizing organisms within the discrete Linnean framework of species and subspecies have traditionally relied on a limited number of genetic barcodes. However, this procedure often fails to accurately capture the continuous nature of divergence and reproductive isolation – key aspects of species formation. Delimiting incipient species is particularly challenging, as ongoing geneflow through hybridization and introgression may obscure the accurate identification of population-level lineages, especially when relying solely on divergence-based criteria. These limitations may contribute to the overestimation of recognized species, a phenomenon known as “taxonomic inflation”, with substantial implications for species inventories and conservation strategies. Advances in genomic methods now allow for the re-evaluation of former taxonomic decisions by integrating the continuous nature of reproductive isolation – assessable via hybrid zones – into species delimitation. This thesis explores specific challenges and opportunities that hybridization presents for phylogeography, species delimitation, and taxonomy, through case studies of two emblematic Palearctic amphibian taxa, as well as a comprehensive literature research that examines how a hybrid zone-calibrated divergence time threshold might help detect and prevent taxonomic inflation.
The first chapter presents an updated range-wide phylogeographic assessment of 392 alpine and fire salamanders (Salamandra), covering all 25 subspecies. The study resolves previous uncertainties in their infraspecific taxonomy, demonstrating that these ambiguities were primarily caused by the inclusion of admixed individuals in phylogenomic analyses. A comprehensive timetree based on a lineage-representative subset including all subspecies clarified the infraspecific taxonomy in most cases. Admixed samples were used to narrow down previously known, but genomically unassessed, as well as newly identified contact zones, laying the groundwork for future hybrid zone studies. Additionally, the discovery of new lineages, which rendered some subspecies paraphyletic, prompted a re-valuation of the taxonomic status of all species and their recognized subspecies within Salamandra, using evidence from multiple delimitation criteria. Given that the evolutionary history could not be resolved for all subspecies, the chapter concludes by highlighting taxa within Salamandra that warrant further molecular examination and taxonomic revision.
The second chapter elucidates the evolutionary history of the Rana temporaria/parvipalmata complex through comprehensive range-wide genomic and mitochondrial analysis. The study identified nine divergent genomic clusters with varying levels of reproductive isolation, multiple instances of mitochondrial ghost lineages and cyto-nuclear discordance. Approximate Bayesian Computation (ABC) analyses supported a hybrid origin for the genetically highly similar populations in the Pyrenees, all assignable to R. t. canigonensis. Similar hybridization scenarios were identified in the Eastern Cantabrian Mountains (N-Spain) and the Massif Central (C-France). Notably, hybrid zone analysis revealed an unexpected shallow transition of allelic frequencies within the French contact zone between R. t. canigonensis and the eastern clade of R. temporaria, indicating extensive gene flow. In contrast, phylogenomic analyses retrieved R. t. canigonensis as a supported sister clade to R. parvipalmata, rendering R. temporaria paraphyletic. This chapter exemplifies how reticulated evolution, particularly the presence of hybrid lineages, can complicate species delimitation by producing conflicting outcomes across different criteria, thereby posing challenges for accurate classification.
The third chapter aims to establish a divergence time threshold for postzygotic reproductive isolation based on hybrid zone cline widths across various animal taxa, thereby validating species ages under the biological species criterion. By screening 259 published cline analyses of 160 pairs of hybridizing taxa, filtered into two different datasets (108 vs. a more comparable subset of 71 pairs of hybridizing taxa), a significant negative correlation between cline width and divergence time was confirmed, particularly within amphibians. These findings suggest that parapatric taxa are generally younger than 10 million years (Ma), with most younger than 7 Ma, indicating that older lineage pairs are typically reproductively isolated. In amphibians, shallow and steep hybrid zones, indicative of subspecies and species, respectively, are associated with divergence times of less than 2.6 Ma and greater than 7 Ma. Using the newly developed tool, TaxoInflationAnalyzer (TInflA), the study identified a trend of increasingly describing young lineages as new species, with birds and mammals being particularly affected due to their generally younger species-ages – two groups where taxonomic inflation has previously been suggested. In amphibians, applying a 2.6 Ma divergence threshold revealed a 56% increase in newly described species (1980-2010) falling below this threshold. The chapter underscores the need for careful interpretation of taxonomic hypotheses to avoid taxonomic inflation, particularly when classifying Pleistocene lineages as heterospecific or Miocene lineages as conspecific.
Die molekular-gestützte Einteilung von Organismen in die diskrete Linné’schen Nomenklatur, d.h. in Arten und Unterarten, basiert traditionell auf einer begrenzten Anzahl von genetischen Barcode-Markern. Diese Methode erfasst jedoch oft nicht genau den kontinuierlichen Charakter von Divergenz und reproduktiver Isolation – beides entscheidende Aspekte der Artbildung. Die Abgrenzung junger, gerade entstehender Arten ist besonders herausfordernd, da anhaltender Genfluss, vermittelt durch Hybridisierung und Introgression, die genaue Identifizierung einzelner genetischer Abstammungslinien verschleiern kann, insbesondere wenn ausschließlich auf Divergenz-basierte Kriterien zurückgegriffen wird. Diese Einschränkungen könnten zur Überschätzung anerkannter Artenzahl führen, einem Phänomen, das als „taxonomische Inflation“ bekannt ist und mit erheblichen Auswirkungen auf Artenlisten und Naturschutzstrategien verbunden ist. Fortschritte in der Genomik ermöglichen nun die Neubewertung früherer taxonomischer Entscheidungen durch die Integration des kontinuierlichen Charakters der reproduktiven Isolation – ermittelbar durch Hybridzonen-Analyse – in die Artabgrenzung. Diese Dissertation untersucht spezifische Herausforderungen und Chancen, die der Aspekt der Hybridisierung für Phylogeographie, Artabgrenzung und Taxonomie bietet: i) durch Fallstudien zweier prominenter paläarktischen Amphibienarten sowie ii) durch eine umfassende Literaturrecherche, die untersucht, wie ein durch Hybridzonen kalibrierter Divergenz-Schwellenwert helfen könnte, taxonomische Inflation zu erkennen und zu verhindern.
Das erste Kapitel präsentiert eine aktualisierte phylogeographische Bewertung von 392 Alpen- und Feuersalamandern (Salamandra) mit allen 25 Unterarten inbegriffen. Die Studie löst vorherige Unklarheiten der unterartlichen Taxonomie und zeigt, dass diese taxonomischen Unsicherheiten hauptsächlich durch die Einbeziehung von Hybrid-Individuen in phylogenomische Analysen herrührt. Ein umfassender, zeit-kalibrierter phylogenomischer Baum, der auf einem repräsentativen Datensatz aller Unterarten basiert, klärte die infraspezifische Taxonomie in den meisten Fällen auf. Die Analyse von Hybrid-Individuen konnte bekannte aber genomisch nicht bewertete, sowie neu identifizierte Kontaktzonen eingrenzen, was einen Grundstein für zukünftige Hybridzonen-Studien legt. Darüber hinaus veranlasste die Entdeckung neuer Populations-Linien, die einige Unterarten paraphyletisch machten, eine Neubewertung des taxonomischen Status aller Arten und ihrer anerkannten Unterarten innerhalb der Gattung Salamandra, basierend auf Grundlage mehrerer Abgrenzungskriterien. Da die evolutionäre Geschichte nicht von allen Unterarten geklärt werden konnte, hebt das Kapitel schließlich Taxa innerhalb von Salamandra hervor, die einer weiteren molekularen Untersuchung und taxonomischen Überprüfung bedürfen.
Das zweite Kapitel beleuchtet die evolutionäre Geschichte des Rana temporaria/parvipalmata-Komplexes durch umfassende phylogenomische und mitochondriale Analysen. Die Studie identifizierte neun divergente genomische Cluster mit unterschiedlichen Graden an reproduktiver Isolation, mehrere Instanzen mitochondrialer „Geisterlinien“ und nukleär-mitochondrialer Diskordanzen. Analysen mittels Approximate Bayesian Computation (ABC) stützen einen hybriden Ursprung für die genetisch sehr ähnlichen Populationen in den Pyrenäen, die alle R. t. canigonensis zugeordnet werden können. Ähnliche Hybridisierungsszenarien wurden in den östlichen Kantabrischen Bergen (Nordspanien) und im Massif Central (Zentralfrankreich) identifiziert. Besonders bemerkenswert ist, dass die Analyse der Hybridzone einen unerwartet flachen Übergang der Allelfrequenzen in der französischen Kontaktzone zwischen R. t. canigonensis und der östlichen Klade von R. temporaria offenbarte, was auf einen andauernden Genfluss hinweist. Im Gegensatz dazu positionierten phylogenomische Analysen R. t. canigonensis als statistisch unterstützte Schwesterklade von R. parvipalmata, wodurch R. temporaria paraphyletisch wird. Dieses Kapitel veranschaulicht, wie retikulierte Evolution, insbesondere das Vorhandensein von Hybridlinien, die Artabgrenzung erschweren kann, indem sie zu widersprüchlichen Ergebnissen bei verschiedenen Kriterien führt und dadurch Herausforderungen für eine genaue Klassifikation stellt.
Das dritte Kapitel zielt darauf ab, einen Divergenzzeit-Schwellenwert für postzygotische reproduktive Isolation auf der Grundlage von Hybridzonen-Kline-Breiten bei verschiedenen Tierarten festzulegen und somit das Alter von Arten unter dem biologischen Artbegriff zu validieren. Durch das Screening 259 veröffentlichter Kline-Analysen 160 hybridisierender Taxapaare, die in zwei verschiedene Datensätze gefiltert wurden (108 gegenüber einer besser vergleichbaren Untergruppe von 71 hybridisierenden Taxapaaren), wurde eine signifikante negative Korrelation zwischen Kline-Breite und Divergenzzeit bestätigt. Dies insbesondere bei Amphibien. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass parapatrische Taxa im Allgemeinen jünger als 10 Millionen Jahre (Ma) sind, wobei die meisten jünger als 7 Ma sind, was darauf hindeutet, dass ältere Abstammungslinienpaare typischerweise reproduktiv isoliert sind. Bei Amphibien sind flache und steile Hybridzonen, die auf Unterarten und Arten hinweisen, mit Divergenzzeiten von weniger als 2,6 Ma und mehr als 7 Ma verbunden. Mit dem neu entwickelten, bioinformatischen Werkzeug, TaxoInflationAnalyzer (TInflA), identifizierte die Studie einen Trend, junge Abstammungslinien zunehmend als neue Arten zu beschreiben, wobei Vögel und Säugetiere besonders betroffen sind, da diese im Allgemeinen jüngere Art-Alter aufweisen – zwei Gruppen, bei denen zuvor taxonomische Inflation vermutet wurde. Bei Amphibien zeigte die Anwendung eines Divergenzzeit-Schwellenwerts von 2,6 Ma einen 56%igen Anstieg neu beschriebener Arten (1980-2010), die unter diesen Schwellenwert fallen. Das Kapitel betont die Notwendigkeit einer sorgfältigen Interpretation taxonomischer Hypothesen, um taxonomische Inflation zu vermeiden, insbesondere bei der Klassifizierung von pleistozänen Linien als heterospezifisch oder miozänen Linien als konspezifisch.
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