FILOGENESI MOLECOLARE DI CORALLI STOLONIFERI (CNIDARIA: OCTOCORALLIA)

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1 UNIVERSITÀ POLITECNICA DELLE MARCHE FACOLTÀ DI SCIENZE Dipartimento di Biochimica, Biologia e Genetica Corso di Laurea Specialistica in Biologia Applicata Curriculum Tecnologie Biologiche FILOGENESI MOLECOLARE DI CORALLI STOLONIFERI (CNIDARIA: OCTOCORALLIA) Relatore: Prof.ssa Adriana Canapa Candidato: Rossella Ferrante Correlatore: Prof. Marco Barucca Anno Accademico 2009/2010

2 1. Introduzione 1.1. Scopo della tesi Le classificazioni tassonomiche dei taxa ascritti alla classe degli Anthozoa sono variate nel tempo a causa della difficoltà nell individuare caratteri morfologici idonei per ricostruire le relazioni filogenetiche a causa della loro relativa semplicità morfologica (Bayer 1956; France et al., 1996; Berntson et al., 1999; Fabricius and Alderslade 2001). L affinità ed il grado di divergenza evolutiva tra diverse specie di coralli rappresenta un grosso problema e un limite allo studio della diversità degli ambienti corallini. L identificazione di specie solamente su base morfologica risulta perciò spesso difficile, e per questa ragione sempre di più si ricorre all utilizzo di analisi molecolari (France et al., 1996; Berntson et al., 1999, 2001; Won et al., 2001; Sánchez et al., 2003). Nel seguente lavoro di tesi, sono state studiate le relazioni filogenetiche tra specie appartenenti agli ottocoralli attraverso l analisi molecolare di sequenze parziali appartenenti ai due geni mitocondriali msh1 e ND2. Il gene msh1 codifica per una proteina coinvolta nel processo di riparazione del DNA mitocondriale che presenta un attività ATPasica e un affinità specifica per le porzioni di DNA contenenti errori. Il gene 1

3 ND2, invece, codifica per la sub unità 2 dell enzima Nicotinammide Adenina Dinucleotide deidrogenasi (NADH DH). In particolare in questa tesi si sono ricostruite le relazioni filogenetiche tra le specie analizzate (Cornularia cornucopiae, Clavularia crassa, Sarcodictyon catenatum) confrontandole con le sequenze delle altre specie di ottocoralli presenti nelle banche dati evidenziando divergenze tra i dati molecolari e le classificazioni tassonomiche basate sulle caratteristiche morfologiche. In questa sede, al fine di ricostruire le relazioni di parentela evolutiva, sono stati realizzati degli alberi filogenetici con i metodi dell Inferenza Bayesiana, Neighbour-Joining e Massima Parsimonia. 2

4 1.2. Classificazione e caratteristiche morfologiche degli ottocoralli Gli cnidari costituiscono un phylum di animali a simmetria raggiata, diblastici e acquatici; esistono circa undicimila specie che sono state raggruppate in quattro classi principali (Anthozoa, Scyphozoa, Cubozoa e Hydrozoa), con una quinta classe recentemente proposta (Staurozoa) (Marques e Collins, 2004; Collins e Daly, 2005; Collins et al., 2006). Gli Anthozoa comprendono un enorme varietà di morfologie, da solitarie a coloniali, tutte a stadio polipoide. La classe degli Anthozoa è stata storicamente suddivisa da alcuni autori in un numero differente di sottoclassi (Fig.1.1). Hyman (1940) divise gli Anthozoa in due sottoclassi: Alcyonaria (=Octocorallia) e Zoantharia (=Hexacorallia). Van Beneden (1897) ascrisse alla sottoclasse dei Ceriantipatharia gli ordini: Antipatharia (Milne-Ed-wards e Haime, 1857) e Ceriantharia (Perier, 1893). Hand (1966) propose un ulteriore schema di classificazione comprendente le seguenti sottoclassi: Octocorallia, Hexacorallia, Ceriantharia ed Antipatharia. Recentemente, la validità della sottoclasse dei Ceriantipatharia è stata rivalutata. Dati riguardanti sequenze di geni che trascrivono per gli RNA ribosomiali (rrna) sia nucleari che mitocondriali suggeriscono che Ceriantharia e Antipatharia 3

5 sono due taxa divergenti e non costituiscono un gruppo monofiletico (France et al., 1996; Berntson et al., 1999; Won et al., 2001). La sottoclasse degli ottocoralli comprende circa tremila specie che colonizzano tutti gli ambienti marini e sono raggruppate in diversi ordini (Alcyonacea, Gastraxonacea, Gorgonacea, Helioporacea, Pennatulacea, Protoalcyonaria, Stolonifera, Telestacea) (Daly et al.2007): esemplari di ottocoralli, infatti, possono essere osservati nelle scogliere tropicali e nelle acque profonde dove spesso risultano essere un importante componente strutturale dell ambiente marino. Il termine ottocorallo deriva dal fatto che gli esemplari di questo gruppo possiedono dei polipi contenenti otto tentacoli e otto mesenteri (le pareti della cavità gastrovascolare che vanno dalla faringe al disco basale) e ciò permette di distinguerli dalla struttura esamerica degli esacoralli. Per effettuare una classificazione tassonomica degli ottocoralli non è sufficiente affidarsi alle caratteristiche morfologiche poiché i polipi e i tessuti risultano essere piuttosto simili nelle varie specie; sono tuttavia considerevoli dal punto di vista morfologico le caratteristiche associate allo scheletro e l organizzazione delle colonie (Bayer 1956; Fabricius and Alderslade 2001). Le relazioni tra gli ottocoralli rimangono quelle meno comprese e l ordine attuale delle diverse famiglie tassonomiche è considerato instabile. Il sistema più comune per raggruppare in varie classi gli 4

6 ottocoralli è quello di Hickson (1930) in cui le sottoclassi vengono divise in sei ordini considerando la forma delle colonie: due di questi ordini, Pennatulacea (penne di mare) e Helioporacea (coralli blu), possono essere distinti chiaramente dalle sinapomorfie morfologiche (Daly et al.2007). Bayer (1981), tuttavia, ha osservato che i quattro ordini rimanenti di Hickson (Alcyonacea, Gorgoniacea; Stolonifera; Telestacea) presentano un altro tipo di morfologia con forme di transizione che coincidono tra loro; di conseguenza, egli ha fuso tra loro i quattro ordini in uno solo, Alcyonacea, il quale comprende anche forme di gorgonie e stoloniferi. Pennatulacea L ordine delle Pennatulacea (Verrill, 1865) include 14 famiglie di penne di mare ancora esistenti (Williams 1995) e si distingue rispetto alle altre famiglie di ottocoralli perché le colonie presentano un diverso stile di crescita, inoltre, un polipo assiale primario (ozooide) si differenzia a formare un peduncolo prossimale che permette di ancorare la colonia sul sedimento soffice su cui si dispongono dei polipi secondari (autozooidi e sifonozooidi). Molte colonie di penne di mare sono sostenute da uno scheletro interno che non contiene calcite. 5

7 Helioporacea L ordine delle Helioporacea (Bock, 1938) è suddiviso in due famiglie che rappresentano gli unici esemplari di ottocoralli contenti una matrice scheletrica molto solida in aragonite cristallina. La famiglia enigmatica delle Lithotelestidae (Bayer and Muzik, 1977) include un singolo genere di organismi che vivono nelle acque profonde (Bayer, 1992). L unico rappresentante della famiglia delle Helioporidae (Moseley, 1876) è Heliopora coeruela, un corallo blu molto diffuso e comune delle costiere Indo-Pacifiche. Alcyonacea I restanti ottocoralli sono inclusi nell ordine Alcyonacea (Lamouroux, 1816): tale gruppo è suddiviso in 31 famiglie e gli studiosi hanno riscontrato parecchie difficoltà nelle varie analisi morfologiche; tuttavia, nel tempo si è riuscito a suddividere tale ordine in sei sottogruppi rappresentanti l ordine di classificazione attuale (Bayer 1981; Fabricius and Alderslade 2001; Daly et al. 2007). I gruppi Alcyoniina, Stolonifera e Protoalcyonaria non presentano un asse scheletrico né uno strato che possa assomigliare allo stesso. Protoalcyonaria comprende due famiglie con polipi solitari, Stolonifera, invece, presenta sei famiglie in cui i polipi sono interconnessi tra di loro 6

8 grazie a uno stolone basale o una membrana sottile, ed infine, Alcyoniina che include cinque famiglie ed i polipi sono inseriti in una massa carnosa di cenenchima. Nel corso del tempo sono state aggiunte al gruppo degli Alcyonacea delle famiglie che in passato erano collocate nel gruppo dei Gorgonacea; i membri di questo gruppo presentano un asse scheletrico composto di calcite e materiale proteinico. I tre gruppi delle gorgonie vengono organizzati in base alla composizione dell asse scheletrico; nel gruppo Calcaxonia (comprendente sei famiglie) l asse è solido (occasionalmente tubulare) e sono inclusi in grande quantità diversi nodi di gorgonina, mentre in quello Holaxonia (cinque famiglie), l asse scheletrico è incavato e la composizione principale dello scheletro è la gorgonina inclusa una piccola quantità di calcite; infine, nel gruppo Scleraxonia (sette famiglie) l asse scheletrico è costituito da carbonato di calcio. Le principali caratteristiche morfologiche utilizzate nella classificazione degli ottocoralli ed in maniera specifica per definire le famiglie degli Alcyonacea sono: la crescita complessiva delle colonie, la composizione dell asse scheletrico del corallo, la forma degli elementi scheletrici liberi inseriti nel coenchima (Daly et al.2007). Le famiglie Stolonifera e Alcyoniina si distinguono soprattutto in base alla crescita delle colonie e alla ridistribuzione dei polipi all interno della colonia 7

9 stessa. Nel gruppo Scleraxonia le famiglie vengono riordinate analizzando l organizzazione e i riarrangiamenti degli scleriti nell asse scheletrico. In maniera simile sono definite le famiglie di Holaxonia, infatti, vengono effettute analisi dettagliate sull asse scheletrico come ad esempio il diametro dello scheletro e la presenza di calcite. Nel gruppo Calcaxonia molte famiglie sono classificate unicamente in base alle caratteristiche forme dell asse scheletrico e della forma degli scleriti. Le 14 famiglie dell ordine Pennatulacea sono organizzate per la distribuzione dei polipi secondari lungo l asse scheletrico (Williams 1995). Ulteriori dettagli riguardo le forme di crescita delle colonie e la distribuzione degli scleriti sui vari tessuti sono caratteri morfologici predominanti utilizzati per distinguere i diversi generi e le diverse specie in tutte le famiglie (Fabricius and Alderslade 2001) (Tab 1.1). Tabella 1: Rappresentazione schematica dell'organizzazione attuale degli Ottocoralli (Mc Fadden et al. 2006) 8