Species delimitation in wolf spiders (Lycosidae) using DNA barcoding and double-digest restriction site associated DNA sequencing

Abstract

Species delimitation is a crucial part of biological sciences because it provides units of biological diversity that are used in ecology, ethology, genetics and other branches of biology. Since Linnaeus there has been a constant attempt to unify and standardize methods to account for the enormous biodiversity that lives on Earth. High-throughput sequencing provides a new route in the field as abundant genomic data can be consistently applied to all groups of organisms and computational frameworks for molecular data stemming directly from evolutionary theory omitting subjectivity inherent in morphology-based taxonomy. Currently, DNA barcoding is used as one of the major tools to aid species delimitation. Accumulation of thousands of sequences revealed conflicting patterns between established taxonomy and single gene species delimitation. In this thesis I address the issues in two genera of wolf spiders (Alopecosa and Pardosa) that are notorious for showing the same mitochondrial DNA (mtDNA) in species clearly separated by morphology, distribution and behavior. I used double-digest restriction site associated DNA sequencing (ddRADseq) to sample sequences from the nuclear genome and compare them to observed mtDNA patterns in sympatric (I) and allopatric (II, III) species and populations. The sampling covered Finland (I, II, III), Far East Russia (II), France, Slovakia, Canada and the USA (III). The analyses suggest that ddRADseq efficient means to discriminate the same entities as established taxonomy in sympatric Alopecosa and Pardosa (I), congruent with morphological analysis in distant populations of the same species (II) and reliably delimits species under allopatric scenarios (III). Incongruence between DNA barcodes and established taxonomy confirmed by ddRADseq is likely to be explained by introgression events in recently diverged species (I and III) irrespective of geographical distribution. Overall, ddRADseq can be used as a source of data for reliable species delimitation tool irrespective of mtDNA patterns.

Tiivistelmä

Lajinrajaus on oleellinen osa biologista tutkimusta, koska se tuottaa ekologiassa, käyttäytymisbiologiassa, genetiikassa ja muussa biologisessa tutkimuksessa keskeisiä yksilöitä. Aina Linnaeuksesta lähtien tutkijoilla on ollut pyrkimys yhdenmukaistaa keinoja luokitella maapallon valtavaa biodiversiteettiä. Viimeaikainen kehitys DNA-teknologiassa tarjoaa uudenlaisia lähestymistapoja lajinrajaukseen, sillä DNA-sekvenssit mahdollistavat saman menetelmän soveltamisen kaikkiin lajeihin. Lisäksi menetelmällä tuotetut lajinrajaukset ovat omiaan vähentämään niiden subjektiivisuutta. Nykyään DNA-viivakoodit ovat yksi keskeisistä menetelmistä tuottamaan tietoa lajinrajausten tueksi. Tuhansien DNA-viivakoodisekvenssien luku on paljastanut ristiriitaisia tuloksia niiden perusteella tehtyjen ja perinteisen lajinrajauksen välillä. Väitöskirjassani tutkin näitä ristiriitoja susihämähäkeillä, millä DNA-viivakoodit toisinaan ovat identtisiä morfologialtaan, levinneisyydeltään ja käyttäytymiseltään selvästi erillisten lajien välillä. Käytin myös ”double-digest restriction site associated DNA sequencing” (ddRAD) -menetelmällä tuotettua tietoa DNA:sta vertaillakseni sitä DNA-viivakoodien antamaan tietoon sekä sympatrisilla, parapatrisilla että allopatrisilla lajeilla ja populaatioilla. Näytteenottoa suoritettiin Suomessa (I, II, III), Itä-Venäjällä (II), Ranskassa, Slovakiassa, Kanadassa ja USA:ssa (III). Analyysien perusteella ddRAD-menetelmä ja morfologia tuottavat yhdenmukaisen lajinrajauksen sympatrisilla Alopecosa ja Pardosa -lajeilla (I). Samoin ddRAD piirtää morfologian kanssa yhdenmukaisen kuvan toisilleen kaukaisia saman lajin populaatioita verrattaessa (II) ja rajaa myös allopatriset populaatiot luotettavasti (III). Havaitut epäjohdonmukaisuudet DNA-viivakoodien ja ddRAD-sekvensoinnin tukeman perinteisen lajinrajauksen välillä selittyvät todennäköisesti tapahtuneella geenivirralla vastikään toisistaan eriytyneiden lajien välillä (I ja III) riippumatta populaatioiden maantieteellisestä suhteesta. Johtopäätöksenä ddRAD-sekvensoinnin voitiin osoittaa olevan luotettava lajinrajaamisen menetelmä riippumatta DNA-viivakoodien antamasta kuvasta.

Original papers

Original papers are not included in the electronic version of the dissertation.

1. Ivanov, V., Lee, K. M., & Mutanen, M. (2018). Mitonuclear discordance in wolf spiders: Genomic evidence for species integrity and introgression. Molecular Ecology, 27(7), 1681–1695. https://doi.org/10.1111/mec.14564

   Self-archived version

2. Ivanov, V., Marusik, Y., Pétillon, J., & Mutanen, M. (2021). Relevance of ddRADseq method for species and population delimitation of closely related and widely distributed wolf spiders (Araneae, lycosidae). Scientific Reports, 11(1), 2177. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81788-2

   Self-archived version

3. Ivanov. V., Blagoev, G., Danflous, S., Gajdoš, P., Høye, T. T., Lee, K. M., Marusik, Y., Mielec, C. L., Muster, C., Pétillon, J., Spelda, J., & Mutanen, M. (2021). Across mountains and ocean: Species delimitation and historical connectivity in Holarctic and Arctic-Alpine wolf spiders. Manuscript submitted for publication.

Osajulkaisut

Osajulkaisut eivät sisälly väitöskirjan elektroniseen versioon.

1. Ivanov, V., Lee, K. M., & Mutanen, M. (2018). Mitonuclear discordance in wolf spiders: Genomic evidence for species integrity and introgression. Molecular Ecology, 27(7), 1681–1695. https://doi.org/10.1111/mec.14564

   Rinnakkaistallennettu versio

2. Ivanov, V., Marusik, Y., Pétillon, J., & Mutanen, M. (2021). Relevance of ddRADseq method for species and population delimitation of closely related and widely distributed wolf spiders (Araneae, lycosidae). Scientific Reports, 11(1), 2177. https://doi.org/10.1038/s41598-021-81788-2

   Rinnakkaistallennettu versio

3. Ivanov. V., Blagoev, G., Danflous, S., Gajdoš, P., Høye, T. T., Lee, K. M., Marusik, Y., Mielec, C. L., Muster, C., Pétillon, J., Spelda, J., & Mutanen, M. (2021). Across mountains and ocean: Species delimitation and historical connectivity in Holarctic and Arctic-Alpine wolf spiders. Manuscript submitted for publication.