Met de ongekende snelheid van wereldwijde achteruitgang van soorten in verschillende taxa 1,2,3,4, wordt de impuls om een uitgebreide biodiversiteitsinventarisatie op te stellen, die voorheen onontdekte en onbeschreven soorten omvat, een race tegen de klok 2,5. Ten eerste heeft het behoud van biodiversiteit alleen zin in het licht van de juiste taxonomische kennis 6,7. De identificatie van biodiversiteit op soortniveau is dus noodzakelijk, aangezien nauw verwante maar verschillende soorten unieke fundamentele niches kunnen hebben8.
In de keversystematiek is alfa-taxonomie of traditionele taxonomie de gouden standaard in soortidentificatie, vergelijkbaar met de meeste, zo niet alle, diergroepen9. Deze benadering is gebaseerd op morfologische kenmerken om organismen te classificeren op een hogere taxonomie en om identificatie op soortniveau te bieden10,11. In veel gevallen kan identificatie op familieniveau12 of zelfs op genusniveau13 worden gedaan met behulp van alleen externe morfologische kenmerken, zoals lichaamsvorm en gespecialiseerde aanpassingen. Ondertussen wordt identificatie op soortniveau bij kevers meestal gedaan via de vergelijking van de structurele details van de aedeagus of de mannelijke genitaliën 14,15,16.
Ondanks de brede acceptatie van deze op morfologie gebaseerde alfa-taxonomie, wordt deze benadering van het ontdekken van soorten belemmerd door talrijke 'taxonomische belemmeringen'6,17,18, vooral bij ongewervelde dieren 19. In de keversystematiek staat de identificatie en/of ontdekking van soorten met behulp van alfa-taxonomie voor de uitdaging van het hebben van een beperkt aantal bekwame taxonomen20,21, van korte en nauwelijks informatieve eerdere beschrijvingen22, en van logistieke problemen met betrekking tot toegang tot literatuur en typespecimens23.
Dit wordt zelfs verergerd wanneer het taxon in kwestie cryptisch of zeer onopvallend is. Cryptische soorten verwijzen naar de verzameling soorten van hetzelfde geslacht, of zelfs verschillende geslachten, die niet gemakkelijk kunnen worden afgebakend door vergelijkende morfologie, gegeven subtiele interspecifieke fenetische verschillen24. Sommige cryptische taxa, die worden beschouwd als 'donkere taxa'25,26,27, lijden bovendien aan hyperdivers maar zwaar onderbelicht. Helaas is dit niet ongewoon bij oever- en waterkevers 8,28. Het niet aanpakken van de afbakening van soorten tussen cryptische donkere taxa bedreigt de biodiversiteit, aangezien een one-size-fits-all instandhoudingsmaatregel wordt gegeven aan organismen met mogelijk verschillende niches en ecologische vereisten 8,29.
Gezien deze uitdagingen heeft 'integratieve taxonomie'23, of de benadering van het koppelen van alfa-taxonomie aan een andere bewijslijn, in de afgelopen twee decennia aan populariteit gewonnen als middel om nieuwe soorten op te richten30,31,32. Een van die bewijslijnen die worden gebruikt in integratieve taxonomische studies over kevers 33,34,35,36,37,38,39 en andere insectenorden 40,41,42,43,44,45 is de DNA-sequentie. In het bijzonder wordt het mitochondriale cytochroom c-oxidase-subeenheid I (COI)-gen gebruikt om een diverse reeks dieren te barcoderen vanwege zijn matig conservatieve aard 46,47,48. Terwijl het 658bp-lange 5′-einde (COI-5"), ook bekend als het 'barcodefragment' of 'Folmer-fragment', is voorgesteld als de 'diagnostische' sequentie49, wordt de 723 bp-lange COI-3' ook gebruikt dankzij een robuuste set primers voor het 3'-einde 50,51,52.
Terwijl DNA-barcodering met behulp van COI is bedacht voor identificatie op soortniveau, wordt het beperkt door een a priori sequentierepository53, zoals GenBank54 en BOLD55, moleculaire soortenafbakeningsbenaderingen stellen soortlimieten vast met behulp van alleen de verstrekte DNA-sequenties zonder voorafgaande repository56. Er zijn twee klassen van benaderingen voor de afbakening van moleculaire soorten op basis van het invoerbestand. Ten eerste, met behulp van sequentie-uitlijning als input, gebruiken op drempels gebaseerde benaderingen afkapwaarden om de divergentie tussen en binnen soorten te bepalen 48,57,58. Als op afstand gebaseerde methoden zijn deze benaderingen gebaseerd op een waargenomen maximale intraspecifieke afstand van 3% voor insecten, die wordt aangeduid als de 'barcodekloof'51,59. Enkele van de op drempels gebaseerde benaderingen zijn SpeciesIdentifier geïmplementeerd in TaxonDNA60, genetische afstand via Kimura 2-parameter (K2P)61 en Assemble Species by Automatic Partitioning (ASAP)62.
Ten tweede, met behulp van de boom als invoerbestand, identificeren op coalescentie gebaseerde benaderingen soortgrenzen en sorteren ze onafhankelijke afstammingslijnen door de verandering in afstammingsvertakkingssnelheid te bepalen 63,64,66. Vaak gebaseerd op fylogenetisch soortconcept67, omvatten coalescentie-gebaseerde benaderingen Poisson-boomprocessen (PTP)68 en hun variatie, multi-rate PTP69. In ieder geval worden de clusters die worden gevormd door de benaderingen van de moleculaire afbakening van soorten gezamenlijk aangeduid als moleculaire operationele taxonomische eenheden (MOTU's).
Hier presenteren we methoden voor een brouwpijplijn voor het genereren van MOTU's met drie op drempels gebaseerde benaderingen en drie op coalescentie gebaseerde benaderingen (Figuur 1). De pijplijn is getest op twee datasets, namelijk (1) COI-3'-sequenties van de oeverbyrrhinus Motschulsky, 1858-kevers, die is samengesteld uit twee gepubliceerde soorten35 die eerder zijn opgericht met behulp van integratieve taxonomie en aanvullende sequenties van onbeschreven soorten, en (2) COI-5'-sequenties van Anacaena Thomson, 1859 kevers, die is samengesteld uit sequenties van twee gepubliceerde soorten70 Eerder opgericht met behulp van alfa-taxonomie en aanvullende sequenties van onbeschreven soorten.

Figuur 1: Stroomschema van de brouwpijplijn voor het genereren van MOTU's. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.