University of Oulu

Utility of DNA barcodes in identification and delimitation of beetle species, with insights into COI protein structure across the animal kingdom

Saved in:
Author: Pentinsaari, Mikko
Organizations: University of Oulu Graduate School
University of Oulu, Faculty of Science, Biology
Format: eBook
Online Access: PDF Full Text (PDF, 1.6 MB)
Persistent link: http://urn.fi/urn:isbn:9789526212104
Language: English
Published: Oulu : University of Oulu, 2016
Publish Date: 2016-04-26
Thesis type: Doctoral Dissertation
Defence Note: Academic dissertation to be presented with the assent of the Doctoral Training Committee of Technology and Natural Sciences of the University of Oulu for public defence in Kuusamonsali (YB210), Linnanmaa, on 6 May 2016, at 12 noon
Tutor: Docent Marko Mutanen
Docent Lauri Kaila
Reviewer: Docent Gunilla Ståhls-Mäkelä
Associate Professor Sarah J. Adamowicz
Opponent: Doctor Michael Balke
Description:

Abstract

Species are the fundamental units of biological diversity, but their identification and delimitation is often difficult. The difficulties are pronounced in diverse taxa such as insects. DNA barcodes, short standardized segments of the genome, have recently become a popular tool for identifying specimens to species, and are increasingly used as one of the sources of information for species delimitation. In this thesis, I studied the utility of DNA barcodes in species identification and delimitation in beetles (Coleoptera). Beetles are one of the most diverse animal groups, with nearly 400 000 known species. The Nordic beetle fauna is among the most thoroughly studied on the planet, providing excellent conditions for these studies. I also approached barcode sequences from a new angle, exploring amino acid variation and its connections to life history in a sample of the entire animal kingdom. I also studied variation and evolution at the amino acid level in large-scale samples of beetles and moths & butterflies (Lepidoptera). DNA barcodes proved to be a feasible tool for identifying species of Nordic beetles: depending on the criteria for successful identification, 95-98% of specimens could be identified to the species level based on DNA barcodes. Regardless of the delimitation method used, approximately 90% of the currently accepted species were perfectly recovered based on barcode data, and simple rules for forming consensus between delimitations improved the fit between species and barcode clusters even further. Several species that were split into two or more sequence clusters apparently include species new to science that have been previously overlooked. This conclusion is supported by preliminary morphological analysis. The study on amino acid variation revealed both a general pattern of structural conservation throughout the animal kingdom, and some interesting amino acid substitutions with potential to affect enzymatic function. Amino acid variation was more extensive in Coleoptera than in Lepidoptera, potentially due to differences in selection pressure and patterns of molecular evolution in the barcode region between the two orders.


Tiivistelmä

Laji on luonnon monimuotoisuuden perusyksikkö, mutta lajien tunnistaminen ja rajaaminen on usein vaikeaa. Vaikeudet korostuvat erityisesti hyvin monimuotoisissa eliöryhmissä kuten hyönteisissä. DNA-viivakoodit ovat lyhyitä standardoituja DNA-sekvenssejä, joiden käyttö lajien tunnistamisessa sekä yhtenä tiedon lähteenä lajien rajaamisessa on viime aikoina yleistynyt nopeasti. Tutkin väitöskirjatyössäni DNA-viivakoodien soveltuvuutta lajinmääritykseen ja lajien rajaamiseen kovakuoriaisilla. Kovakuoriaiset ovat yksi maailman lajirikkaimmista eliöryhmistä: lajeja on kuvattu lähes 400000. Pohjois-Euroopan lajisto tunnetaan koko maailman mittakaavassa poikkeuksellisen hyvin, mikä tarjoaa erinomaiset edellytykset tutkia DNA-viivakoodeihin liittyviä kysymyksiä kuoriaisilla. Tutkin DNA-viivakoodeja myös kokonaan uudesta näkökulmasta, selvittäen aminohappotason muuntelua koko eläinkunnan kattavassa otoksessa, sekä laajalla perhos- ja kuoriaisaineistolla. DNA-viivakoodit osoittautuivat erinomaiseksi työkaluksi lajinmääritykseen: riippuen onnistuneen määrityksen kriteereistä 95–98 % kuoriaislajeista voitiin tunnistaa luotettavasti viivakoodien perusteella. Käytetystä menetelmästä riippumatta noin 90 % nykykäsityksen mukaisista lajeista voitiin rajata viivakoodien perusteella oikein, ja soveltamalla yksinkertaisia konsensus-sääntöjä yhteensopivuus lajien ja viivakoodiklustereiden välillä kasvoi entisestään. Useat kuoriaislajit, jotka jakautuivat kahteen tai useampaan viivakoodiklusteriin, sisältävät alustavien morfologisten tutkimusten perusteella aiemmin huomaamatta jääneitä uusia lajeja. Aminohappo- ja proteiinitason tutkimus osoitti, että viivakoodijakson koodaaman proteiinin rakenne on yleisesti ottaen konservoitunut kautta eläinkunnan. Havaitsin kuitenkin myös useita kiinnostavia aminohappo-muutoksia, jotka saattavat vaikuttaa entsyymitoimintaan. Aminohapposekvenssi muuntelee kuoriaisilla paljon enemmän kuin perhosilla, mahdollisesti johtuen taksonien välisistä eroista molekyylievoluutiossa ja viivakoodisekvenssiin kohdistuvassa valintapaineessa.


Series: Acta Universitatis Ouluensis. A, Scientiae rerum naturalium
ISSN: 0355-3191
ISSN-E: 1796-220X
ISSN-L: 0355-3191
ISBN: 978-952-62-1210-4
ISBN Print: 978-952-62-1209-8
Issue: 673
Subjects:
Copyright information: This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited.