Of flatworms and genes: Systematics, hybridization and evolutionary history of the Corso-Sardinian Dugesia (Platyhelminthes, Tricladida)

Abstract

[eng] Planarian flatworms (Platyhelminthes, Tricladida), commonly referred to as triclads, constitute a diverse taxonomic group encompassing a wealth of species exhibiting a broad spectrum of phenotypic diversity. Triclads are present in all biogeographical realms and have colonized terrestrial, marine, and freshwater environments distributed all across the globe, bearing testament to their evolutionary success.

Free-living freshwater planarians of the family Dugesiidae encompass some of the most well studied taxa in the group and stand out due to their outstanding regenerative capabilities and diversity of reproductive strategies. Among the 12 genera presently recognized in the family, Dugesia is possibly one of the most emblematic. This taxon constitutes the most speciose genus of Dugesiidae, probably even of Tricladida, and is a well-defined taxonomic group that has silently colonized freshwater environments spread across Africa, Europe, the Middle East and Australasia, in spite of the low vagility of its species. In recent years, numerous studies have placed European Dugesia in the limelight as rising model systems for phylogeography and, ultimately, evolutionary biology. Understanding the processes by which populations differentiate and evolve into new species is fundamental to the field of evolutionary biology and holds significant implications for the underpinning of novel conceptual frameworks and the generation of both local and global patterns of species-level biodiversity.

This thesis aims to contribute to the pursual of this knowledge by gaining insights into the processes that have shaped the genetic diversification, speciation and evolutionary history of a seemingly small taxonomic group of the longstanding genus Dugesia, namely: the Corso-Sardinian clade. This particular group, which only comprises endemics from Corsica and Sardinia, caught my interest for several reasons: (i) no phylogenetic or phylogeographic studies dedicated to its taxa were ever carried out; (ii) its diversity had not been evaluated under the light of integrative taxonomy approaches; (iii) this group harbors the only species with a haploid chromosome complement of 7 chromosomes in the entire Western Palearctic region, posing a possible case of speciation by chromosomal re- arrangement; (iv) the only putative case of interspecific hybridization in Dugesiidae (and Tricladida) was reported in this group. To unravel the evolutionary history and processes that have shaped the diversification of this group, I employed an integrative approach, incorporating morphological, karyological and molecular data. This approach has enabled the reevaluation of the taxonomic status of several Dugesia populations, resulting in the description of 3 new species for the group and the uncovering of multiple species candidates whose status and pertinent taxonomic decisions will be addressed in a forthcoming paper. Furthermore, divergence time estimation analyses indicated that most species within this group diverged during the Pleistocene, probably due to population fragmentation, contraction, and extinction events caused by the glacial phases. While it cannot be claimed that the phylogenetic relationships within the Corso-Sardinian clade have been fully resolved, this thesis has significantly contributed to elucidating its hidden diversity and phylogeography, thus laying the foundations for future research on this group.

Most notably, by using phylogenomic markers and combining phylogenetic, genetic clustering and introgression analyses, this thesis reports and characterizes the first case of interspecific hybridization in Dugesiidae, and likely Tricladida. Furthermore, I examine the potential origin of the hybrids, their status as a potential hybrid species, and their seemingly mixoploid chromosome set. In addition, I also debate on the established concepts of hybrid speciation and assess their suitability for the current case presented within this thesis.

Finally, this thesis has contributed to the planarian research community by presenting the first chromosome-scale genome assemblies of Dugesia. The results obtained from the analysis of these genomes have elucidated the origin of Dugesia hepta’s unique karyotype, while shedding light on the evolution of genome size in the genus. These results highlighted a differential expansion of transposable elements (TEs) in Dugesia involving large DNA TEs as the likely cause for the increment of genome size in this genus with respect to Schmidtea, while discarding a whole-genome duplication event as the underlying cause. Most importantly, these new genome assemblies will benefit the planarian research community and contribute to improving the understanding of the structure, organization, and genome evolution in planarians.

[cat] Les planàries (Platyhelminthes, Tricladida), sovint també anomenades triclàdides, constitueixen un grup taxonòmic divers que abasta una gran quantitat d’espècies que presenten un ampli espectre de diversitat fenotípica. Els triclàdides són presents a tots els reialmes biogeogràfics i han estat capaços de colonitzar entorns terrestres, marins i dolç-aqüícoles distribuïts per tot el món, fet pel qual el seu èxit evolutiu queda palès.

Les planàries d’aigua dolça i vida lliure de la família Dugesiidae comprenen alguns dels tàxons més ben estudiats d’aquest grup i destaquen gràcies a la seva excepcional capacitat regenerativa i la diversitat d’estratègies reproductives. D’entre els 12 gèneres actualment acceptats a la família, Dugesia és possiblement un dels més emblemàtics. Aquest tàxon constitueix el gènere més especiat de Dugesiidae, probablement fins i tot de Tricladida, i és un grup taxonòmic ben definit el qual ha colonitzat silenciosament ambients d’aigua dolça distribuïts per Àfrica, Europa, l’Orient Mitjà i Australàsia, malgrat la reduïda vagilitat de les seves espècies. En els darrers anys, nombrosos estudis han situat a les Dugesia europees en el punt de mira com a sistemes model per a la filogeografia i, en definitiva, la biologia evolutiva. Entendre els processos pels quals les poblacions es diferencien i evolucionen cap a noves espècies és fonamental per al camp de la biologia evolutiva i té implicacions significatives tant per a la sustentació de nous marcs conceptuals com per a comprendre la generació de patrons de biodiversitat a nivell d’espècie a escales locals o globals.

Aquesta tesi té com a objectiu contribuir a la recerca en aquest camp mitjançant l’obtenció de nous coneixements sobre els processos que han modelat la diversificació genètica, l’especiació i la història evolutiva d’un grup taxonòmic aparentment petit del gènere Dugesia, en concret: el clade corso-sard. Aquest grup en concret, el qual només inclou espècies endèmiques de les illes de Còrsega i Sardenya, va atraure el meu interès per diversos motius: (i) mai s’havien fet estudis filogenètics o filogeogràfics centrats en els seus tàxons; (ii) la seva diversitat no s’havia avaluat mai des d’una perspectiva de taxonomia integradora; (iii) aquest grup alberga l’única espècie en tota la regió del Paleàrtic Occidental que posseeix un complement cromosòmic haploide de 7 cromosomes, plantejant un possible cas d’especiació per reorganització cromosòmica; (iv) l’únic cas putatiu d’hibridació interespecífica en Dugesiidae (i Tricladida) es va documentar en aquest grup.

Per tal de desentranyar la història i els processos evolutius que han donat forma a la diversificació d’aquest grup, he fet ús d’una metodologia integradora, incorporant dades morfològiques, cariològiques i moleculars. Aquest mètode ha permès la reavaluació de l’estat taxonòmic de diverses poblacions de Dugesia, donant lloc a la descripció de 3 noves espècies dins del grup i al descobriment de múltiples espècies candidates. Tanmateix, l’estat taxonòmic d’aquestes darreres i les pertinents decisions taxonòmiques que en derivin s’abordaran en un pròxim article. A més, les anàlisis del temps de divergència indiquen que la majoria de les espècies d’aquest grup van divergir durant el Pleistocè, probablement degut a esdeveniments de fragmentació, contracció i extinció poblacionals causats per les fases glacials que van tenir lloc durant aquest període. Malgrat que no es pugui afirmar que les relacions filogenètiques dins del clade corso-sard hagin quedat completament resoltes, aquesta tesi ha contribuït significativament a aclarir la seva diversitat oculta i filogeografia, establint així les bases per a futures investigacions sobre aquest grup.

Cal remarcar que l’ús de marcadors filogenòmics en combinació amb anàlisis filogenètiques, de clusterització genètica i d’introgressió han permès documentar i caracteritzar en aquesta tesi el primer cas d’hibridació interespecífica en Dugesiidae, i probable- ment en Tricladida. A més, hi examino el potencial origen dels híbrids, el seu estatus com a potencial espècie híbrida i l’origen del seu set cromosòmic aparentment mixoploide. Al- hora, també discuteixo sobre els conceptes d’especiació per hibridació establerts i n’avaluo la seva idoneïtat per al cas presentat dins d’aquesta tesi.

Finalment, aquesta tesi ha contribuït a la comunitat de recerca en planàries presentant els primers assemblatges genòmics a escala cromosòmica de Dugesia. Els resultats obtinguts de l’anàlisi d’aquests genomes han permès aclarir l’origen del cariotip únic de Dugesia hepta, alhora que també l’evolució de la mida del genoma en el gènere. Aquests resultats han evidenciat una expansió diferencial d’elements transposables (ET) a Dugesia que implicarien ET d’ADN d’una grandària considerable com a causa probable de l’augment de mida del genoma en aquest gènere respecte a Schmidtea. Alhora, les anàlisis descarten que un esdeveniment de duplicació del genoma sencer sigui la causa subjacent de les diferències en mida del genoma. El més important, però, és que aquests nous assemblatges beneficiaran a la comunitat de recerca en planàries i contribuiran a millorar la comprensió de l’estructura, l’organització i l’evolució del genoma en les planàries.