Sistemática e análise filogenética da Subfamília Heteronotinae Goding, 1926 (Hemiptera: Auchenorrhyncha: Membracidae) = Systematics and phylogenetic analysis of the treehopper subfamily Heteronotinae Goding, 1926 (Hemiptera: Auchenorrhyncha: Membracidae)

Abstract

Resumo: Representantes da família Membracidae são notórios pela extraordinária diversidade morfológica do seu pronoto, estruturas multicoloridas e de formato curioso que despertam o interesse de pesquisadores e amadores. Neste aspecto, a subfamília Heteronotinae Goding, 1926 é uma das mais diversas, e inclui nove gêneros de distribuição exclusivamente neotropical, notavelmente dissimilares entre si. Os membros de Heteronotinae apresentam as seguintes sinapomorfias: frontoclípeo côncavo, veia transversal m-cu1 ausente nas asas anteriores, e segunda valva das fêmeas com ápice serreado dorsalmente. Até o momento, as relações evolutivas entre estes carismáticos insetos permanecem inexploradas, embora muitas espécies apresentem comportamentos evolutivamente interessantes e adaptações ao mimetismo e camuflagem. Aqui são apresentados os resultados de uma investigação filogenética baseada na análise de seqüências de DNA de quatro genes nucleares (28S rDNA, Histona 2A, Histona 3, Wingless) e dois mitocondriais (Citocromo Oxidase I e NADH desidrogenase 1), obtidas de 87 exemplares de membracídeos (66 no grupos interno e no 21 grupo externo), incluindo representantes das principais linhagens de Heteronotinae. Os objetivos desta pesquisa são: (1) reconstruir a filogenia de Heteronotinae; (2) revisar a classificação de Heteronotinae ao nível de tribo e gênero; e (3) fornecer redescrições atualizadas para todas tribos e gêneros incluídos. Análises filogenéticas dos dados concatenados (com um total de 4379 pares de bases, alinhamento do gene 28S inferido a partir do algoritmo MAFFT Q-INS-i) foram conduzidas implementando três critérios de reconstrução filogenética: inferência bayesiana, máxima verossimilhança e máxima parcimônia. As topologias obtidas indicaram os seguintes resultados: (a) Heteronotinae é polifilética, com Darnoides posicionada fora da subfamília; (b) Heteronotinae sensu stricto (excluindo Darnoides) é uma unidade monofilética, dividida em duas grandes linhagens, ums destas representada pelo gênero Heteronotus, e o outra incluindo todos os outros gêneros de Heteronotinae; (c) Heteronotus Laporte, Nassunia Fairmaire, Omolon Walker, Rhexia Stål, e Smiliorachis Fairmaire foram recuperados como monofiléticos com forte suporte de ramos; e (d) Anchistrotus Buckton, Iria Stål, e Dysyncritus Fowler foram consistentemente recuperados como para- ou polifiléticos. Análises individuais para cada gene revelaram pequenos conflitos entre as partições, entretanto, pelo menos três genes forneceram suporte aos principais clados mostrados na análise concatenada dos dados. Valores de suporte particionado de máxima verossimilhança (partition likelihood scores), computados para nós selecionados na árvore ótima de máxima verossimilhança, mostraram que as partições, quando combinadas, fornecem maior suporte para os clados do que quando as partições são analisadas independentemente. Testes de significância topológica implementados em análises cujas topologias foram constringidas à atual classificação de Heteronotinae mostraram resultados congruentes, e rejeitaram a monofilia de Anchistrotus e Iria, mas não rejeitaram a monofilia de Heteronotinae (incluindo Darnoides) e Dysyncritus. Em nível específico, morfotipos do mesmo táxon mostraram divergências nas seqüências de DNA de múltiplos genes, sugerindo a possibilidade de espécies crípticas em Heteronotinae (especificamente, nos gêneros Iria, Dysyncritus, Nassunia e Heteronotus). Em Heteronotus, as linhagens recuperadas refletem o dimorfismo sexual observado no gênero, e podem estar correlacionadas à adaptações ao mimetismo e camuflagem. A presente investigação resultou em uma hipótese robusta das relações filogenéticas das linhagens de Heteronotinae que é congruente com a morfologia do grupo, e fornece uma base sólida para uma nova proposta de classificação para subfamília. Caracteres diagnósticos, descrições detalhadas e chaves dicotômicas são apresentadas para a subfamília Heteronotinae Goding, 1926, incluindo 11 gêneros em duas tribos: Heteronotini Goding, 1926 (redefinida como monotípica para incluir apenas o gênero Heteronotus Laporte) e Smiliorachini nova tribo (incluindo Dysyncritus Fowler, Heteronotinae1 gen. nov., Heteronotinae2 gen. nov., Heteronotinae3 gen. nov., Heteronotinae4 gen. nov., Iria Stål, Nassunia Fairmaire, Omolon Walker (=Anchistrotus Buckton syn.nov.) Rhexia Stål, e Smiliorachis Fairmaire). Com base em evidências moleculares e morfológicas, Darnoides é aqui considerado incertae sedis em Membracidae. Mudanças nomenclaturais, muitas baseadas no exame de espécimes-tipo, incluem a revalidação de uma espécie, 11 novas combinações e três espécies novas, listadas a seguir: Iria fasciifera (Stål, 1862) sp. reval., Nassunia nigromacula (Funkhouser, 1940) comb. nov., Omolon amitteraglobus (Boulard, 1983) comb. nov., Omolon besckii (Germar, 1835) comb. nov., Omolon consentaneus (Fairmaire, 1846) comb. nov., Omolon discontinuus (Walker, 1858) comb. nov., Omolon inanis (Fabricius, 1803) comb. nov., Omolon obesus (Buckton, 1902) comb. nov., Omolon obfuscatus (Buckton, 1902) comb. nov., Heteronotinae4 maculinervis (Stål, 1862) comb. nov., Heteronotinae4 stictica (Stål, 1862) comb. nov. e Smiliorachis inornata (Stål, 1862) comb. reval., Heteronotinae1 sp. nov., Heteronotinae2 sp. nov. e Heteronotinae3 sp. nov.

Abstract: Treehoppers in the family Membracidae are entomologically famous for the extreme morphological diversity of their pronotum, often consisting of brightly colored and/or curiously shaped structures that have long puzzled researchers and amateurs alike. With regard to pronotal morphology, the Neotropical treehopper subfamily Heteronotinae Goding, 1926 is among the most diverse, displaying remarkably different structures across its nine currently recognized genera. Members of Heteronotinae share the following synapomorphies: 'scoopshaped' frontoclypeus, crossvein m-cu1 absent in the forewings, and the female second valvulae with dorsal crenulation distally. To date, the evolutionary relationships within these charismatic insects remain unexplored despite the fact that heteronotines also display multiple mimicry/camouflage strategies and a range of evolutionarily interesting behaviors. Presented here are the results of a phylogenetic investigation based on the combination of DNA nucleotide sequence data from four nuclear (28S rDNA, Histone 2A, Histone 3, Wingless) and two mitochondrial (Cytochrome Oxidase I, and NADH dehydrogenase 1) loci generated from 87 treehopper exemplar taxa (66 ingroup and 21 outgroup taxa) representing all major heteronotine lineages. The goals of this research are to (1): reconstruct the phylogeny of Heteronotinae; (2) revise the classification of Heteronotinae at the tribal and generic levels; and (3) provide updated diagnosis for all included tribes and genera. Phylogenetic analyses using the concatenated dataset (with a total of 4,379 bp, 28S rDNA alignment inferred from MAFFT Q-INS-i) were performed under multiple reconstruction criteria (Bayesian inference, maximum likelihood, and maximum parsimony). The resulting topologies indicated several strongly supported results: (a) Heteronotinae was consistently recovered polyphyletic, with Darnoides placed outside of the subfamily; (b) Heteronotinae sensu stricto (excluding Darnoides) was strongly supported as monophyletic, and was divided into two major clades (one representing the genus Heteronotus, and the other including all other heteronotine genera); (c) Heteronotus Laporte, Nassunia Fairmaire, Omolon Walker, Rhexia Stål, and Smiliorachis Fairmaire were all recovered as monophyletic with strong branch support; (d) Anchistrotus Buckton, Iria Stål, and Dysyncritus Fowler were consistently recovered as para- or polyphyletic. Single-gene analyses revealed minor conflicts among data partitions, with all major relationships independently supported by at least three gene loci. Partitioned likelihood support values, computed for selected nodes in the optimal ML tree, showed increased singlegene support for several clades in the context of a combined analysis. Hypothesis significance tests conducted on topologies artificially constrained to the current heteronotine classification were largely congruent, and rejected the monophyly of Anchistrotus and Iria, but failed to reject the monophyly of Heteronotinae lato sensu (including Darnoides) and Dysyncritus. At the species level, morphotypes of the same taxon yielded sequence differences in multiple gene regions, suggesting the possibility of cryptic species in Heteronotinae (and in, specifically, the genera Iria, Dysyncritus, Nassunia, and Heteronotus. Within Heteronotus, lineages recovered differentially reflect sexual dimorphism observed in the genus, suggesting the evolution of alternative strategies regarding mimicry and camouflage. The present investigation resulted in a robust hypothesis of Heteronotinae evolution that is strongly congruent with morphology, and provides a solid basis for a comprehensive subfamily classification. Diagnostic morphological features, detailed descriptions and dichotomous keys are presented for the subfamily Heteronotinae Goding, 1926 including 11 genera in two tribes: Heteronotini Goding, 1926 (herein redefined as monotypic, including only the genus Heteronotus Laporte) and Smiliorachini new tribe (including Dysyncritus Fowler, Heteronotinae1 gen. nov., Heteronotinae2 gen. nov., Heteronotinae3 gen. nov., Heteronotinae4 gen. nov., Iria Stål, Nassunia Fairmaire, Omolon Walker (=Anchistrotus Buckton syn. nov.), Rhexia Stål, and Smiliorachis Fairmaire). Based on molecular and morphological evidence, Darnoides is here considered incertae sedis within Membracidae. Nomenclatural changes largely based on the examination of type-specimen material include the revalidation of one species, 11 new combinations, and description of three new species: Iria fasciifera (Stål, 1862) sp. reval., Nassunia nigromacula (Funkhouser, 1940) comb. nov., Omolon amitteraglobus (Boulard, 1983) comb. nov., Omolon besckii (Germar, 1835) comb. nov., Omolon consentaneus (Fairmaire, 1846) comb. nov., Omolon discontinuus (Walker, 1858) comb. nov., Omolon inanis (Fabricius, 1803) comb. nov., Omolon obesus (Buckton, 1902) comb. nov., Omolon obfuscatus (Buckton, 1902) comb. nov., Heteronotinae4 maculinervis (Stål, 1862) comb. nov., Heteronotinae4 stictica (Stål, 1862) comb. nov., Smiliorachis inornata (Stål, 1862) comb. reval., Heteronotinae1 sp. nov., Heteronotinae2 sp. nov., and Heteronotinae3 sp. nov.