Con i tassi senza precedenti di declino delle specie globali in vari taxa 1,2,3,4, l'impulso a creare un inventario completo della biodiversità, che includa specie precedentemente non scoperte e non descritte, diventa una corsa contro il tempo 2,5. Per prima cosa, la conservazione della biodiversità ha senso solo alla luce di un'adeguata conoscenza tassonomica 6,7. Pertanto, l'identificazione della biodiversità a livello di specie è necessaria, dato che specie strettamente correlate ma diverse possono avere nicchie fondamentali uniche8.
Nella sistematica dei coleotteri, l'alfa-tassonomia o tassonomia tradizionale è il gold standard nell'identificazione delle specie simile alla maggior parte, se non a tutti, i gruppi di animali9. Questo approccio si basa sui caratteri morfologici per classificare gli organismi a una tassonomia più alta e per fornire l'identificazione a livello di specie10,11. In molti casi, l'identificazione della famiglia12 o anche a livello di genere13 può essere effettuata utilizzando solo caratteristiche morfologiche esterne, come la forma del corpo e adattamenti specializzati. Nel frattempo, l'identificazione a livello di specie nei coleotteri viene solitamente effettuata attraverso il confronto dei dettagli strutturali dell'aedeagus o dei genitali maschili 14,15,16.
Nonostante l'ampia accettazione di questa alfa-tassonomia basata sulla morfologia, questo approccio alla scoperta delle specie è ostacolato da numerosi "impedimenti tassonomici"6,17,18, specialmente tra gli invertebrati19. Nella sistematica dei coleotteri, l'identificazione e/o la scoperta delle specie utilizzando l'alfa-tassonomia affronta le sfide di avere un numero limitato di tassonomisti qualificati20,21, di descrizioni precedenti brevi e scarsamente informative22 e di problemi logistici legati all'accesso alla letteratura e agli esemplari tipo23.
Questo è anche esacerbato quando il taxon in questione è criptico o altamente poco appariscente. La specie criptica si riferisce all'insieme di specie dello stesso genere, o anche di generi diversi, che non possono essere facilmente delineate dalla morfologia comparativa, date le sottili differenze fenetiche interspecifiche24. Alcuni taxa criptici, considerati come "taxa oscuri"25,26,27, soffrono inoltre di essere iperdiversi ma fortemente poco studiati. Sfortunatamente, questo non è raro nei coleotteri ripariali e acquatici 8,28. L'incapacità di affrontare la delineazione delle specie tra criptici taxa oscuri minaccia la biodiversità poiché viene data una misura di conservazione unica per tutti a organismi di nicchie e requisiti ecologici potenzialmente diversi 8,29.
Alla luce di queste sfide, la "tassonomia integrativa"23, o l'approccio di accoppiare l'alfa-tassonomia con un'altra linea di evidenza, ha guadagnato terreno come mezzo per erigere nuove specie negli ultimi due decenni 30,31,32. Una di queste linee di evidenza utilizzate negli studi tassonomici integrativi sui coleotteri 33,34,35,36,37,38,39 e altri ordini di insetti 40,41,42,43,44,45 è la sequenza del DNA. In particolare, il gene della subunità I (COI) della citocromo c ossidasi mitocondriale viene utilizzato per codificare a barre un insieme diversificato di animali a causa della sua natura moderatamente conservativa 46,47,48. Mentre la sua estremità 5' lunga 658 bp (COI-5'), nota anche come 'frammento di codifica a barre' o 'frammento di Folmer', è stata proposta come sequenza 'diagnostica'49, la COI-3' lunga 723 bp viene utilizzata anche grazie a un robusto set di primer per l'estremità 3' 50,51,52.
Mentre il DNA barcoding che utilizza COI è stato concepito per l'identificazione a livello di specie, è limitato da un repository di sequenze a priori 53, come GenBank54 e BOLD55, gli approcci molecolari di delimitazione delle specie stabiliscono i limiti delle specie utilizzando solo le sequenze di DNA fornite senza alcun repository di prerequisiti56. Esistono due classi di approcci di delimitazione delle specie molecolari basati sul file di input. In primo luogo, utilizzando l'allineamento della sequenza come input, gli approcci basati sulla soglia utilizzano valori di cut-off per determinare la divergenza tra e all'interno delle specie 48,57,58. Come metodi basati sulla distanza, questi approcci si basano su una distanza intraspecifica massima osservata del 3% per gli insetti, che viene definita "barcoding gap"51,59. Alcuni degli approcci basati su soglie sono SpeciesIdentifier implementato in TaxonDNA60, la distanza genetica tramite Kimura 2-parameter (K2P)61 e Assemble Species by Automatic Partitioning (ASAP)62.
In secondo luogo, utilizzando l'albero come file di input, gli approcci basati sulla coalescenza identificano i confini delle specie e ordinano i lignaggi indipendenti determinando il cambiamento nel tasso di ramificazione del lignaggio 63,64,66. Spesso basati sul concetto filogenetico delle specie67, gli approcci basati sulla coalescenza includono i processi dell'albero di Poisson (PTP)68 e la loro variazione, PTP69 multi-rate. In ogni caso, i cluster formati dagli approcci di delimitazione delle specie molecolari sono collettivamente indicati come unità tassonomiche operative molecolari (MOTU).
Qui, presentiamo i metodi per una pipeline di intruglio per la generazione di MOTU che coinvolge tre approcci basati su soglie e tre approcci basati sulla coalescenza (Figura 1). La pipeline è testata su due set di dati, vale a dire (1) sequenze COI-3' del ripariale Byrrhinus Motschulsky, 1858 beetles, che è composto da due specie pubblicate35 precedentemente erette utilizzando la tassonomia integrativa e sequenze aggiuntive da specie non descritte, e (2) sequenze COI-5' di Anacaena Thomson, 1859 beetles, che è composto da sequenze di due specie pubblicate70 precedentemente eretto utilizzando l'alfa-tassonomia e sequenze aggiuntive di specie non descritte.

Figura 1: Diagramma di flusso della pipeline di intruglio per la generazione di MOTU. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.