Biological and taxonomic differentiation in the Ribautodelphax collinus complex (Homoptera, Delphacidae)

C.F.M. den Bieman

Research output: Thesisinternal PhD, WU

Abstract

Dit proefschrift behandelt de biosystematiek van het Ribautodelphaxcollinus komplex (Homoptera, Delphacidae). De soorten uit dit komplex vertonen slechts geringe morfologische verschillen, 'terwijl enkele diagnostische kenmerken ook nog variabel zijn. Deze geringe verschillen waren een bron van veel identifikatieproblemen en leidden tot twijfel over de status van de beschreven soorten. Daarnaast zijn in de loop van dit onderzoek enkele populaties ontdekt, waarvan de taxonomische status
onduidelijk was. Om deze taxonomische verwarring op te kunnen lossen zijn de soorten* uit dit komplex vergeleken wat betreft waardplantrelaties, geluidsproduktie, chromosoomaantallen, kruisbaarheid, eiwitten en genitaalbouw.
De ontdekking van triploide ♀♀, die zich pseudogaam parthenogenetisch voortplanten vormde het begin van een tweede onderzoeksrichting. Deze triploide ♀♀komen voor in populaties van R.pungens en Taxon 4. De ontstaanswijze van de triploide .99 'is uitgebreid onderzocht en de ekologische relaties tussen de pseudogame triploide ♀♀en de bisexuele soorten, die fungeren als spermaleverancier, zijn geanalyseerd.

De familie van de Delphacidae bestaat uit kleine (2-8 mm) cikaden, die gekenmerkt worden door een beweeglijk spoor aan de acherpoten, waaraan ze hun Nederlandse naam "spoorcikaden" te danken hebben. In Europa komen ongeveer 250 soorten voor. Spoorcikaden zijn sap zuigende insekten, die in Europa hoofdzakelijk leven op grassen, zeggen en biezen. De spoorcikaden gebruiken hun waardplanten niet alleen als voedselbron, maar ook als paringsplaats en als ovipositiesubstraat. De mannetjes en vrouwtjes kommuniceren met behulp van geluidssignalen, die zich primair via de grasstengels voortplanten.

In Europa omvat het genus Ribautodelphax naast de soorten uit het R.collinus komplex nog een viertal soorten. Ter vergelijking met het R.collinus komplex zijn hiervan twee soorten, R.pallens en R.albostriatus , nader bestudeerd.

* Gemakshalve wordt in deze samenvatting van "soorten" gesproken, hoewel het vaststellen van hun taxonomische status het doel van deze studie vormde. Met "Taxon 1 tot 4" worden de recent ontdekte populaties aangeduid.

De waardplantrelaties van 11 Ribautodelphax soorten worden in hoofdstuk 1 beschreven. Elke soort is in het veld gebonden aan één of enkele verwante grassoorten, de zgn. "veldwaardplant(en)". Slechts twee Ribautodelphax soorten komen op dezelfde grassoort voor. De waardplanten zijn kenmerkend voor de Ribautodelphax soorten en enkele nieuwe soorten werden ontdekt dankzij verschillen in waardplanten. Via keuze- en kweekproeven zijn de waardplantrelaties nader geanalyseerd. Alle soorten, zowel ♂♂als ♀♀, vertonen een sterke voorkeur voor de veldwaardplant, maar in enkele gevallen zijn verwante waardplanten ook aantrekkelijk. De beste kweekresultaten werden behaald op de veldwaardplant. Toch kunnen een aantal soorten gekweekt worden op de waardplanten van andere Ribautodelphax soorten. Opvallend is, dat vrijwel alle soorten zich kunnen voortplanten op het gras Festucaarundinacea ssp. fenas . Pseudogame triploide ♀♀en de bisexuele soorten waarmee zij samen voorkomen, vertonen geen verschillen in waardplantrelaties.

De geluidssignalen van de 11 Ribautodelphax soorten zijn geregistreerd (hoofdstuk 2). De ♂♂produceren komplexe signalen, waarin vier sekties onderscheiden kunnen worden, waarvan er twee geschikt zijn voor kwantitatieve analyse. De ♂♂produceren een voor elke soort karakteristiek signaal. De signalen van de ♀♀hebben een eenvoudige struktuur, maar desondanks produceren alle soorten, m.u.v. R.pallens en R.fanari , specifieke signalen. In hoeverre de verschillen in zangpatronen van belang zijn voor de reproduktieve isolatie moet nader onderzocht worden.
Van enkele Ribautodelphax soorten zijn meerdere populaties geanalyseerd. Hoewel sommige populaties aanzienlijke intraspecifieke verschillen laten zien, zijn er geen geografische trends in variabiliteit gevonden. De signalen van de ♂♂van één populatie van Taxon 4 zijn dermate afwijkend, dat de populatie mogelijk tot een nieuwe soort behoort.
Verrassend is de grote variabiliteit in de geluidssignalen van de ♀♀van de twee Ribautodelphax soorten met gemengde populaties van bisexuele diploiden en pseudogame triploide ♀♀. Grote verschillen komen voor tussen en binnen populaties, maar de triploide en diploide ♀♀uit dezelfde populaties vertonen weinig verschillen. De gevonden variatiepatronen pleiten voor een autopolyploide ontstaanswijze van de triploide ♀♀, waarbij de triploide ♀♀ontstaan zijn uit de lokale populatie van de diploide soort.
Onder laboratorium kondities kan bijna de helft van de 8 getoetste soorten uit het R.collinus komplex suksesvol onderling gekruist worden (Hoofdstuk 3). Het merendeel van de kombinaties resulteert in een gering aantal hybriden door de lage inseminatiegraad van de heterospecifieke ♀♀. Vrijwel alle hybriden, ♂♂én ♀♀, zijn fertiel, maar het aantal nakomelingen van een deel van de terugkruisingen is gering, omdat er opnieuw slechts weinig ♀♀, geinsemineerd worden. R.imitans en Taxon 4 kruisen gemakkelijk, maar vertonen toch een duidelijke paringsvoorkeur voor conspecifieke partners. Uit de experimenten blijkt, dat barrières die interspecifieke paring voorkomen, belangrijk zijn voor het in stand houden van de reproduktieve isolatie. Postmating barrières zoals verlengde ontwikkelingsduur van de hybriden , steriele ♂♂en afwijkende chromosoombeelden in de eikern, zijn slechts incidenteel waargenomen. Geen van de experimenten heeft aanwijzingen opgeleverd, dat triploide ♀♀via kruising en terugkruising ontstaan zouden zijn.

De Ribautodelphax soorten bezitten 15 paar chromosomen en hebben een XX-XO sex- determinatie systeem (Hoofdstuk 4). Enkele ♀♀vertoonden afwijkende chromosoomaantallen met 31 en 32 chromosomen. Twee ♀♀, één van R.collinus en één van Taxon 1, bevatten naast eieren met 32 chromosomen ook een ei met 64 chromosomen; één ♀van R.pungens bevatte alleen eieren met 60 chromosomen. Deze vondsten zijn van belang omdat ze een mogelijke ontstaansweg van de triploide ♀♀aangeven. Als de tetraploide eieren nl. een reductiedeling ondergaan en daarna bevrucht worden door haploid sperma zou dit kunnen resulteren in de synthese van nieuwe triploide ♀♀.
Tussen de triploide ♀♀is een aanzienlijke mate van variatie in chromosoomaantallen gevonden. Terwijl het basisgetal 3N=45 is, kwamen er in populaties van R.pungens triploide ♀♀voor met 40 tot 46 chromosomen. Slechts enkele triploide ♀♀uit populaties van Taxon 4 zijn onderzocht en deze ♀♀bezaten 41, 44 of 45 chromosomen. Enkele ♀♀uit twee populaties van R.pungens vertoonden een opvallende karyologische variatie: eieren met 45 univalenten én met een variabel aantal univalenten, bivalenten en trivalenten kwamen in één ♀voor. In kweken van ♀♀met dit type variatie verminderde het percentage ♀♀met deze storingen snel en resteerden vnl. ♀♀met 45 univalenten. Deze gegevens en ook enkele kweekwaarnemingen ondersteunen een autopolyploide oorsprong van de triploide ♀♀.

De electroforetische eiwitpatronen van de diploide Ribautoldelphax soorten en de pseudogame triploide ♀♀zijn vnl. geanalyseerd om de ontstaanswijze van de triploide ♀♀op te helderen (Hoofdstuk 5).
De resultaten van dit beperkte onderzoek, waarin slechts 10 loci zijn geanalyseerd, suggereren dat de soorten uit het R.collinus komplex nauwer verwant zijn met elkaar, dan met de twee soorten die niet tot dit komplex behoren: R.pallens en R.albostriatus .
Binnen het nakomelingschap van individuele triploide ♀♀is geen variatie gevonden in eiwitpatronen hetgeen pleit voor een parthenogenetische voortplantingswijze van de triploide ♀♀.
Indien triploide ♀♀van hybride, allopolyploide oorsprong zijn, moeten zij kenmerken van de twee oudersoorten vertonen, aannemende dat alle drie genomen van de triploide ♀♀tot expressie komen. Autopolyploiden bezitten, afgezien van mutationele veranderingen, alleen kenmerken van hun ene oudersoort. De expressie van de drie genomen van de triploide ♀♀is voor één enzym (Pgm) aangetoond en is overigens ook bij vele andere triploide dieren gekonstateerd. Een autopolyploide oorsprong van de triploide Ribautodelphax♀♀ wordt ondersteund door de grote overeenkomsten in eiwitpatronen tussen triploiden ♀♀en de diploide bisexuelen die tot dezelfde populatie behoren. De triploide ♀♀vertonen duidelijke verschillen met de overige Ribautodelphax soorten en ook de triploide ♀♀uit populaties van R.pungens en Taxon 4 onderscheiden zich.

In het algemeen wordt aangenomen, dat polyploide parthenogenetische dieren een hybride oorsprong hebben. De onderzoeken bij Ribautodelphax wijzen er echter op dat de triploide ♀♀autopolyploiden zijn, die polyfyletisch ontstaan zijn dwz. de triploide ♀♀zijn meerdere malen ontstaan uit de lokale bisexuele soort, waarmee zij samen voorkomen. Deze hypothese vormt een logische verklaring voor de gevonden variatiepatronen in de eiwitten en in de geluidssignalen van de ♀♀. Verder verklaart deze hypothese waarom de bisexuele diploide soorten en de daarmee geassocieerde triploide ♀♀volledig overeenkomen in waardplantrelaties en paringsvoorkeur. Een autopolyploide oorsprong stemt ook overeen met enkele karyologische vondsten, diverse waarnemingen in laboratorium kweken en de mislukking om via kruisingsproeven triploiden te synthetiseren.
Pseudogame triploide ♀♀zijn afhankelijk van de diploide bisexuele soort, waarmee zij samen voorkomen, omdat de triploide ♀♀geïnsemineerd moeten worden om tot voortplanting te komen. Anderzijds zijn de triploide ♀♀potentieel in staat de diploide soort te verdringen door hun tweemaal zo grote relatieve toename kapaciteit, aangezien de triploide ♀♀alleen vrouwelijke nakomelingen produceren. Zonder een stabiliserend mechanisme zou het percentage triploide ♀♀in mengpopulaties een konstante toename vertonen. Tenslotte verdwijnt de diploide soort, als de laatste ♂♂bij toeval alleen paren met triploide ♀♀, waarna ook de triploide ♀♀uitsterven bij gebrek aan ♂♂.
De ekologische relaties tussen de pseudogame triploide ♀♀en de diploide bisexuelen van R.pungens worden in hoofdstuk 6 beschreven. Het percentage triploide ♀♀in mengpopulaties varieert aanzienlijk, zelfs tussen dichtbij gelegen populaties. Drie populaties zijn gedurende 4-5 jaar bemonsterd en het percentage triploide ♀♀bleef relatief konstant zowel in een populatie met een laag als in de twee populaties met een hoog percentage triploide ♀♀. In een aantal populaties met een hoog percentage triploide ♀♀was minder dan 50% van deze ♀♀geïnsemineerd tegenover echter bijna 100% van de diploide ♀♀. Deze verschillen komen ook voor in gemengde laboratoriumkweken. R.pungens ♂♂ vertonen een duidelijke paringsvoorkeur voor de diploide bisexuele ♀♀in keuzeproeven. De grotere relatieve toename kapaciteit van de triploide ♀♀wordt dus gekompenseerd door een lage inseminatiekans. Echter in veldpopulaties met een laag percentage triploide ♀♀worden vrijwel alle diploide én triploide ♀♀geïnsemineerd; voor deze populaties is geen stabiliserend mechanisme gevonden.

De gegevens uit de voorafgaande hoofdstukken worden in het laatste hoofdstuk geëvalueerd als basis voor een oplossing van de taxonomische onduidelijkheden binnen het R.collinus komplex. Daarnaast wordt de verspreiding van de soorten en de differentiatie in de genitaalstrukturen van de ♂♂beschreven. De vijf reeds beschreven en de vier recent ontdekte Taxa verschillen in waardplantrelaties, geluidsignalen en genitaalstrukturen, terwijl kruisingsproeven isolatiebarrieres aantonen. Deze gegevens rechtvaardigen een soortstatus voor de beschreven soorten en de recent ontdekte Taxa. In totaal worden zeven nieuwe soorten beschreven, waarvan er drie alleen uit museumkollekties bekend zijn.

Original languageEnglish
QualificationDoctor of Philosophy
Awarding Institution
Supervisors/Advisors
  • Cobben, R.H., Promotor
Award date28 Oct 1987
Place of PublicationS.l.
Publisher
Publication statusPublished - 1987

Keywords

  • biological nomenclature
  • classification
  • fulgoroidea
  • taxonomy

Cite this