[:de]Phylogenetik bei afrikanischen Zwergchamäleons[:en]Phylogenetics of African dwarf chameleons[:]

[:de]Phylogenetik bei afrikanischen Zwergchamäleons[:en]Phylogenetics of African dwarf chameleons[:]

by Alex Negro Wissenschaft

[:de]

In den Archiven von Museen und anderen zoologischen Sammlungen sind nach wie vor viele Einzel-Gen-Fragmentdaten enthalten. Obwohl es heute relativ einfach möglich ist, ganze Genome zu entschlüsseln und Material zur Aufbewahrung entsprechend zu präparieren, war es das früher lange Zeit nicht. Wissenschaftler an der Universität von Johannesburg (Südafrika) haben nun untersucht, ob und wenn ja welche Bestandteile dieser Einzelgene bei Zwergchamäleons Rückschluss auf das gesamte Genom bezüglich der Erstellung von phylogenetischen Stammbäumen geben können.

Von 44 Zwergchamäleons wurden während diverser Expeditionen zwischen 2010 und 2022 Proben in Form von abgeschnittenen Schwanzspitzen entnommen. Die beprobten Tiere wurden in den Provinzen Eastern Cape, KwaZulu-Natal, Limpopo, Mpumalanga, Northern Cape und Western Cape gefangen und wieder freigelassen. Sie gehörten zu den Arten Bradypodion barbatulum, caeruleogula, caffrum, damaranum, gutturale, melanocephalum, ngomeense, occidentale, pumilum, setaroi, taeniabronchum, thamnobates, transvaalense, ventrale, venustum sowie candidate species aus Greytown, Kamberg. Karkloof Forest und Gilboa Forest in KwaZulu-Natal. Als Referenzgenom wurde ein bereits vorhandenenes Mitogenom eines Chamaeleo chamaeleon verwendet. Außerdem wurden die Mitogenome von sieben anderen Genera zum Vergleich aus der GenBank geladen.

Aus allen Proben wurde DNA extrahiert und phylogenetisch mit unter anderem Geneious Prime und IQ-Tree analysiert. Insgesamt 22 verschiedene Alignments konnten erstellt werde: Ein vollständiges Mitogenom-Alignment (ohne tRNA), 15 Alignments einzelner Loci, das kurze Fragment von 16S, ein häufig verwendetes COI-Fragment, eine Verkettung von 16S-Fragment mit ND2, eine Verkettung von ND2 und ND5, eine Verkettung der beiden ribosomalen Untereinheiten  und eine Verkettung aller proteinkodierenden Gene (PCG).  Eine statistische Auswertung der Daten folgte.

Die Ergebnisse zeigten, dass die vollständige Mitogenom-Topologie weitestgehend mit den bisher veröffentlichten Phylogenesen afrikanischer Zwergchamäleons aus ND2-16S-Verkettungen übereinstimmen. Die Phylogenese basierend auf den ND2-Fragmenten erwies sich als stabiler und war sogar noch näher am Mitogenom dran. Diese Genfragmente sind also gut dazu geeignet, ein Genom und damit eine Chamäleon-Art phylogenetisch einzuordnen. Ein paar Unterschiede zu den bisher veröffentlichten Phylogenesen gab es jedoch auch. Die Mitogenom-Topologie sieht Bradypodion setaroi und Bradypodion caffrum als Schwestertaxa an. Außerdem gehört Bradypodion ngomeense möglicherweise genetisch in die Bradypodion transvaalense clade hinein, anstatt nur ein Schwestertaxon derselben zu sein.

The efficacy of single mitochondrial genes at reconciling the complete mitogenome phylogeny – a case study on dwarf chameleons
Devon C. Main, Jody M. Taft, Anthony J. Geneva, Bettine Jansen van Vuuren, Krystal A. Tolley
PeerJ 12:e17076, 2024
DOI: 10.7717/peerj.17076

Foto: Bradypodion transvaalense, fotografiert von Ryan van Huyssteen, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International[:en]

The archives of museums and other zoological collections still contain a lot of single-gene fragment data. Although it is now relatively easy to decode entire genomes and prepare material for storage, this was not the case for a long time. Scientists at the University of Johannesburg (South Africa) have now investigated whether and, if so, which components of these single genes in dwarf chameleons can provide information on the entire genome with regard to the creation of phylogenetic family trees.

Samples were taken from 44 dwarf chameleons in the form of cut-off tail tips during various expeditions between 2010 and 2022. The sampled animals were captured and released in the Eastern Cape, KwaZulu-Natal, Limpopo, Mpumalanga, Northern Cape and Western Cape provinces. They belonged to the species Bradypodion barbatulum, caeruleogula, caffrum, damaranum, gutturale, melanocephalum, ngomeense, occidentale, pumilum, setaroi, taeniabronchum, thamnobates, transvaalense, ventrale, venustum as well as candidate species from Greytown, Kamberg. Karkloof Forest and Gilboa Forest in KwaZulu-Natal. An existing mitogenome of a Chamaeleo chamaeleon was used as a reference genome. In addition, the mitogenomes of seven other genera were loaded from GenBank for comparison.

DNA was extracted from all samples and phylogenetically analysed using Geneious Prime and IQ-Tree, among others. A total of 22 different alignments were created: a complete mitogenome alignment (without tRNA), 15 alignments of individual loci, the short fragment of 16S, a frequently used COI fragment, a concatenation of 16S fragment with ND2, a concatenation of ND2 and ND5, a concatenation of the two ribosomal subunits and a concatenation of all protein-coding genes (PCG). A statistical analysis of the data followed.

The results showed that the complete mitogenome topology is largely consistent with the previously published phylogenies of African dwarf chameleons from ND2-16S concatenations. The phylogeny based on the ND2 fragments proved to be more stable and even closer to the mitogenome. These gene fragments are therefore well suited to phylogenetically classify a genome and thus a chameleon species. However, there were also a few differences to the previously published phylogenies. The mitogenome topology considers Bradypodion setaroi and Bradypodion caffrum to be sister taxa. Furthermore, Bradypodion ngomeense possibly belongs genetically to the Bradypodion transvaalense clade instead of being a sister taxon of it.

The efficacy of single mitochondrial genes at reconciling the complete mitogenome phylogeny – a case study on dwarf chameleons
Devon C. Main, Jody M. Taft, Anthony J. Geneva, Bettine Jansen van Vuuren, Krystal A. Tolley
PeerJ 12:e17076, 2024
DOI: 10.7717/peerj.17076

Picture: Bradypodion transvaalense, photographed by Ryan van Huyssteen, Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International[:]

[:de]Rhampholeon spectrum – nicht nur eine Art?[:en]Rhampholeon spectrum – not just one species?[:]

[:de]Rhampholeon spectrum – nicht nur eine Art?[:en]Rhampholeon spectrum – not just one species?[:]

by Alex Negro Wissenschaft

[:de]

Die Erdchamäleon-Gattung Rhampholeon kommt vor allem in Ostafrika vor. Rhampholeon viridis, Rhampholeon spinosus und Rhampholeon temporalis leben dabei jeweils in klar begrenzten und voneinander isolierten Gebieten Tansanias. Rhampholeon spectrum scheint jedoch bisher das völlige Gegenteil zu sein: Die Art verfügt über ein enormes Verbreitungsgebiet im Westen Afrikas. Es reicht von der Elfenbeinküste über Ghana, Togo, Benin nach Nigeria und bis an die Randgebiete von Niger und Chad, dann weiter über Kamerun, Äquatorialguinea und Gabun bis hinein in die zentralafrikanische Republik sowie in die demokratische Republik Kongo und die Republik Kongo (Kongo-Brazzaville). Forscher aus den USA und Kamerun haben nun genetisch untersucht, was hinter der weiten Verbreitung steckt.

Untersucht wurden Proben von einer Insel am nördlichsten Zipfel Äquatorialguineas, mehreren Bergen in Kamerun sowie Proben aus zwei Gebieten in Gabun. Zum Erstaunen der Forscher stellte sich heraus, dass Rhampoleon spectrum keineswegs überall genetisch gleich ist. Aus den Proben konnten zwei Kladen identifiziert werden: Eine im Tiefland und eine montane, bei denen die Chamäleons ausschließlich über 700 m üNN vorkommen. Insgesamt fünf genetisch verschiedene Populationen wurden identifiziert, von denen mehrere möglicherweise neue, noch unbeschriebene Chamäleonarten darstellen könnten.

Zur Tiefland-Klade gehört zum einen die Population in Gabun, beprobt wurden hier Chamäleons aus dem Ivindo Nationalpark und Tiere in einem Gebiet nahe der Stadt Mekambo. Die zweite Population der Tiefland-Klade kommt auf niedrigen Höhen des Mount Korup vor, einem Berg vulkanischen Ursprungs Der Mount Korup liegt im gleichnamigen geschützten Nationalpark in Kamerun an der Grenze zu Nigeria.

Zur Montan-Klade von Rhampholeon spectrum zählen drei Populationen. Eine Population kommt auf dem Mount Biao auf der Insel Bioko vor, die zu Äquatorialguinea gehört. Eine zweite Population findet sich auf dem Mount Cameroon, einem aktiven Vulkan im Westen Kameruns unweit des Golfes von Guinea. Vom Mount Cameroon stammt das Typusexemplar von Rhampholeon spectrum. Der bei der Erstbeschreibung genannte Fundort, Mapanja, liegt dabei nur wenige Kilometer von einem der Orte entfernt, an denen in der vorliegenden Studie Individuen entnommen wurden. Es handelt sich bei dieser Population also wahrscheinlich um die „echten“ Rhampholeon spectrum, die sogenannte topotypische Gruppe. Die dritte Population der Montanklade ist auf drei benachbarten Bergen in Kamerun beheimatet: Dem Mount Kupe, dem Mount Mangengouba und dem Mount Nlonako. Alle drei gehören mit dem Mount Cameroon und dem Mount Biao zur sogenannten Kamerunlinie, einer Gebirgskette vulkanischen Urpsrungs, die sich an der Grenze zwischen Kamerun und Nigera vom Meer bis zum Tschadsee erstreckt.    

Die Forscher beschäftigen sich außerdem mit der Frage, wie sich die verschiedenen Populationen entwickelt haben könnten. Die Trennung zwischen Rhampoleon spectrum und den Erdchamäleons in Tansania lässt sich ins späte Eozän vor rund 40 Millionen Jahren datieren. In dieser Zeit lösten sich die bis dahin zusammenhängenden Regenwälder in West-, Zentral- und Ostafrika in kleinere, teils isolierte Fragmente auf. Die Rhampoleon spectrum Klade teilte sich dann im Miozän vor rund 11,1 Millionen Jahre in die Tiefland- und Montanpopulationen. Im Miozän führten tektonische Bewegungen zur Erhebung einer niedrigen Gebirgskette, die von Südkamerun bis in den Süden der Republik Kongo reichte. Flüsse, Wüsten und andere geografische Barrieren veränderten sich. Etwas später, vor rund 9,3 Millionen Jahren, spaltete sich die Population auf der Insel Bioko ab. Die Erdchamäleons der Insel sind damit älter als die Insel selbst – die Forscher erklären dieses Phänomen damit, dass die Insel früher über eine Landbrücke mit dem Festland Afrikas verbunden gewesen sein muss. Die Chamäleons hätten also die Insel kolonialisiert, hätten eine Heimat auf dem Berg gefunden und wären erst dann vom Festland isoliert worden. Die genetisch identische Population auf dem Festland konnte allerdings nicht gefunden werden – die Forscher halten sie für ausgestorben. Im späten Miozän, vor rund 6,9 Millionen Jahren, entstanden die Populationen auf Mount Korup und in Gabun. Erst am Übergang vom Miozän ins Pleistozän, vor 5,2 Millionen Jahren, entstanden dann die Populationen auf dem Mount Cameroon und Mount Kupe.

Weiterführende Forschung zu diesem Thema wird zeigen, ob sich tatsächlich neue Arten unter dem Namen Rhampholeon spectrum verstecken – die Chancen dafür stehen gut. Interessant wären auch Untersuchungen zu Populationen der Art, die in dieser Studie keine Erwähnung finden. Denn natürlich könnten auch die Rhampholeon spectrum aus Süd- und Ostkamerun, kontinentalem Äquatorialguinea, Südgabun und dem Kongo weitere, eigenständige Populationen sein. Es bleibt also spannend!

Diversification and historical demography of Rhampholeon spectrum in West-Central Africa
Walter Paulin, Tapondjou Nkonmeneck, Kaitlin E. Allen, Paul M. Hime, Kristen N. Knipp, Marina M. Kameni, Arnaud M. Tchassem, LeGrand N. Gonwouo, Rafe M. Brown
PLOS One, Dezember 2022
DOI: 10.1371/journal.pone.0277107[:en]

The pygmy chameleon genus Rhampholeon is mainly found in East Africa. Rhampholeon viridis, Rhampholeon spinosus, and Rhampholeon temporalis each live in clearly defined and isolated areas of Tanzania. Rhampholeon spectrum, however, seems to be the complete opposite so far: The species has an enormous range in western Africa. It extends from Côte d’Ivoire through Ghana, Togo, and Benin to Nigeria and the outskirts of Niger and Chad, then on through Cameroon, Equatorial Guinea, and Gabon into the Central African Republic as well as the Democratic Republic of Congo and the Republic of Congo. Researchers from the USA and Cameroon have now investigated genetically what is behind the wide distribution.

Samples from an island at the northernmost tip of Equatorial Guinea, several mountains in Cameroon, and samples from two areas in Gabon were examined. To the researchers‘ astonishment, it turned out that Rhampoleon spectrum is by no means genetically identical everywhere. Two clades could be identified from the samples: One in the lowlands and one in the montane forest, where the chameleons are found exclusively above 700 m a.s.l. A total of five genetically distinct populations were identified, several of which may represent new, as yet undescribed chameleon species.

The lowland clade includes the population in Gabon, where chameleons were sampled from Ivindo National Park and animals in an area near the town of Mekambo. The second population of the lowland clade occurs at low altitudes on Mount Korup, a mountain of volcanic origin. Mount Korup is located in the protected national park of the same name in Cameroon on the border with Nigeria.

The montane clade of the Rhampholeon spectrum includes three populations. One population occurs on Mount Biao on the island of Bioko, which belongs to Equatorial Guinea. A second population is found on Mount Cameroon, an active volcano in western Cameroon not far from the Gulf of Guinea. The type specimen of Rhampholeon spectrum comes from Mount Cameroon. The locality mentioned in the first description, Mapanja, is only a few kilometres away from one of the places where individuals were collected in the present study. This population is therefore probably the „true“ Rhampholeon spectrum, the so-called topotypic group. The third population of the montane clade is found on three neighbouring mountains in Cameroon: Mount Kupe, Mount Mangengouba, and Mount Nlonako. Together with Mount Cameroon and Mount Biao, all three belong to the so-called Cameroon Line, a mountain range of volcanic origin that stretches along the border between Cameroon and Nigeria from the sea to Lake Chad.

The researchers are also looking into the question of how the different populations might have evolved. The separation between Rhampoleon spectrum and the pygmy chameleons in Tanzania can be dated to the late Eocene around 40 million years ago. During this time, the previously continuous rainforests in West, Central, and East Africa broke up into smaller, sometimes isolated fragments. The Rhampoleon spectrum clade then split into lowland and montane populations in the Miocene around 11.1 million years ago. In the Miocene, tectonic movements led to the uplift of a low mountain range that extended from southern Cameroon to the south of the Republic of Congo. Rivers, deserts, and other geographical barriers changed. Somewhat later, about 9.3 million years ago, the population on Bioko Island split off. The island’s pygmy chameleons are thus older than the island itself – the researchers explain this phenomenon by the fact that the island must have been connected to mainland Africa via a land bridge in the past. The chameleons would therefore have colonised the island, found a home on the mountain, and only then became isolated from the mainland. However, the genetically identical population on the mainland could not be found – researchers consider it extinct. In the late Miocene, around 6.9 million years ago, the populations on Mount Korup and in Gabon emerged. Only at the transition from the Miocene to the Pleistocene, 5.2 million years ago, did the populations on Mount Cameroon and Mount Kupe emerge.

Further research on this topic will show whether new species are actually hiding under the name Rhampholeon spectrum – chances are good. It would also be interesting to investigate populations of the species that are not mentioned in this study. Because, of course, the Rhampholeon spectrum from southern and eastern Cameroon, continental Equatorial Guinea, southern Gabon, and the Congo could also be further, independent populations. Science remains exciting!

Diversification and historical demography of Rhampholeon spectrum in West-Central Africa
Walter Paulin, Tapondjou Nkonmeneck, Kaitlin E. Allen, Paul M. Hime, Kristen N. Knipp, Marina M. Kameni, Arnaud M. Tchassem, LeGrand N. Gonwouo, Rafe M. Brown
PLOS One, December 2022
DOI: 10.1371/journal.pone.0277107[:]

[:de]Entstehung der Artenvielfalt von Chamäleons[:en]Species diversification in chameleons[:]

[:de]Entstehung der Artenvielfalt von Chamäleons[:en]Species diversification in chameleons[:]

by Alex Negro Wissenschaft

[:de]

Aus früheren Studien weiß man, dass sich die ersten Chamäleons in der späten Kreidezeit, etwa vor 90 Millionen Jahren, auf dem Festland Afrikas entwickelten. Etwa an der Grenze zwischen Kreidezeit und Tertiär, vor rund 65 Millionen Jahren, begannen sich verschiedene Arten zu entwickeln. Unklar ist bis heute, welche Faktoren zur Artenvielfalt beigetragen haben. Zwei Forscher der Swansea Universität in Wales haben nun mit verschiedenen Berechnungsmodellen der Phylogenetik untersucht, was die Diversifikation (die Aufsplittung der Chamäleons in viele verschiedene Arten) beeinflusst haben könnte.

Zum einen untersuchten sie die Diversifikation der Chamäleon-Arten auf Madagaskar. Es gibt evolutionsgeschichtlich zwei Zeitpunkte, an denen sich Chamäleons offenbar übers Meer vom Festland Afrikas nach Madagaskar ausbreiteten. Einer liegt etwa 65 Millionen Jahre in der Vergangenheit, der andere 45 Millionen Jahre. Man könnte nun denken, dass die klimatisch extrem unterschiedlichen Lebensräume auf Madagaskar die Artentwicklung nach der Verbreitung übers Meer sehr schnell vorangetrieben haben könnten. Zur Überraschung der Forscher fand sich jedoch kein Hinweis darauf. Der Artenreichtum an Chamäleons auf Madagaskar muss also daher kommen, dass sich Chamäleons dort schon sehr früh verbreiteten und damit einfach nur sehr viel mehr Zeit hatten, sich zu verschiedenen Arten zu entwickeln, als anderswo.

Des Weiteren untersuchten die Forscher, ob der Wechsel zwischen zwei Ökomorphen – von Boden bewohnenden Stummelschwanzchamäleons zu Baum bewohnenden Chamäleons mit längeren Schwänzen – einen Einfluss auf die Artenvielfalt hatte. Eher überraschend war, dass dies nicht der Fall zu sein schien. Die Entwicklung zu Baumbewohnern mit längeren Schwänzen fand relativ früh zu ein oder zwei Gelegenheiten statt. Es konnten keine Hinweise darauf gefunden werden, dass der Wechsel zwischen Ökomorphen die Diversifizierung beschleunigt hätte. Stattdessen stellte sich heraus, dass Artbildungsraten sich in den letzten 60 Millionen Jahren immer weiter verlangsamten. Nur ein sehr früher Verbreitungsevent der Gattung Bradypodion in Südafrika vor rund 10 Millionen Jahren ging  mit einer doppelt bis vierfachen Artbildungsrate einher.

Als dritten Studienschwerpunkt untersuchten die Forscher die Gattung Bradypodion. Während des Klimawandels im Miozän vor rund 10 Millionen Jahren veränderten sich Südafrika sehr stark. Wälder verschwanden, zurück blieben isolierte Waldlebensräume und dazwischen Savannen, die heute zum Teil  sogenannte Hot Spots der Artenvielfalt sind. In zwei davon, der Cape Floristic Region am südwestlichen Zipfel Südafrikas und Maputuland-Pondoland-Albany an der Ostküste Südafrikas, kommen besonders viele Bradypodion-Arten vor. Jede Art ist dabei auf ein geografisch sehr klar begrenztes Gebiet limitiert. Die Forscher vermuten deshalb, dass sich Bradypodion-Arten tatsächlich unter Einfluss der Lebensraum-Veränderung schneller entwickelt haben. Es ist anzumerken, dass die Diversifikationsrate der Gattung Bradypodion wahrscheinlich eher unterschätzt wird, da noch von etlichen versteckten Arten auszugehen ist.

Diversification dynamics of chameleons (Chamaeleonidae)
Stephen Giles, Kevin Arbuckle
Journal of Zoology, 2022
DOI: 10.1111/jzo.13019[:en]

From earlier studies, we know that the first chameleons evolved in the late Cretaceous, about 90 million years ago, on mainland of Africa. Around the border between the Cretaceous and Tertiary periods, about 65 million years ago, different species began to evolve. It is still unclear today which factors contributed to the diversity of species. Two researchers from Swansea University in Wales have now used various computational models of phylogenetics to investigate what might have influenced diversification (the splitting of chameleons into many different species).

First, they studied the diversification of chameleon species in Madagascar. In terms of evolutionary history, there are two points in time when chameleons apparently spread across the sea from mainland Africa to Madagascar. One is about 65 million years in the past, the other 45 million years. You could now think that the climatically extremely different habitats in Madagascar could have driven the evolution of the species very quickly after the spread across the sea. To the surprise of the researchers, however, no evidence of this was found. The species richness of chameleons on Madagascar must therefore come from the fact that chameleons spread there very early and thus simply had much more time to develop into different species than elsewhere.

Furthermore, the researchers investigated whether switching between two ecomorphs – from ground-dwelling stub-tailed chameleons to tree-dwelling chameleons with longer tails – had an impact on species diversity. Rather surprisingly, this did not seem to be the case. The evolution to tree-dwellers with longer tails occurred relatively early on one or two occasions. No evidence could be found that different ecomorphs accelerated diversification. Instead, speciation rates were found to slow down progressively over the last 60 million years. Only a very early dispersal event of the genus Bradypodion in South Africa around 10 million years ago was accompanied by a two- to fourfold diversification rate.

As a third focus of the study, the researchers examined the genus Bradypodion. During the climate change in the Miocene around 10 million years ago, South Africa changed a lot. Forests disappeared, leaving behind isolated forest habitats and, in between, savannahs, some of which are now so-called hot spots of biodiversity. Two of them, the Cape Floristic Region at the southwestern tip of South Africa and Maputuland-Pondoland-Albany on the east coast of South Africa, are home to a particularly large number of Bradypodion species. Each species is limited to a geographically very clearly defined area. The researchers, therefore, suspect that Bradypodion species have actually evolved faster under the influence of habitat change. It should be noted that the diversification rate of the genus Bradypodion is probably rather underestimated, as there are still many hidden species to be assumed.

Diversification dynamics of chameleons (Chamaeleonidae)
Stephen Giles, Kevin Arbuckle
Journal of Zoology, 2022
DOI: 10.1111/jzo.13019[:]