Unveiling character evolution in peridinioid dinoflagellates: clarifying phylogeny towards a stable classification

Abstract

Dinoflagellates are a group of protists with unusual behavioural and cellular features, found in both marine and fresh water. The traditional dinoflagellate classification, based mainly on external morphology and features of the cell surface, is not supported by current knowledge on detailed cell ultrastructure combined with DNA-sequence based phylogenies. The application of this combined approach to the group of armoured dinoflagellates traditionally organized around the genus Peridinium, the so-called peridinioids, has induced changes in our understanding of the phylogeny of this group, some of them quite unexpected. Detailed ultrastructural examination of further peridinioid species is necessary to identify phylogenetically relevant characters in the group, and to provide realistic scenarios of character evolution in dinoflagellates. In the present work, the fine structure of several freshwater dinoflagellates was examined and rRNA gene sequences added to DNA-based phylogenetic hypotheses. One proved to be a new species of the woloszynskioid genus Tovellia, described as T. rubescens sp. nov., a name that aludes to the regular colour changes from yellowish-green to reddish observed in cultures of this organism (Chapter 2). The detailed analysis of the ultrastructure of T. rubescens afforded the opportunity to confirm the stability of several fine-structural features associated with the Tovelliaceae, a group relevant for the understanding of the features of the ancestral to the peridinioids. The discovery in Portugal of a species of Sphaerodinium different from the one previously examined in detail represented the first demonstration of species-level diversity in the genus obtained by modern techniques and allowed the verification of significant, unusual characters that appear to be characteristic of the genus, again with relevance to our understanding of plesiomorphic characters in peridinioids (Chapter 3). The examination of a representative of typical Parvodinium, a genus segregated in 2008 from the genus Peridinium solely on the basis of amphiesmal plate arrangement, resulted in the addition of a fine-structural identity to the genus that will allow further comparisons to be made within the family Peridiniopsidaceae. Detailed fine-structural examination of specimens of the Parvodinium umbonatum–P. inconspicuum species complex (which includes the type of the genus) afforded the recognition of characters potentially typical of the genus, which do not correlate with amphiesmal plate arrangements (Chapter 4). The finding in a nearby lake of two somewhat different populations identifiable as Peridiniopsis cunningtonii led to the reassessment of the affinities of this species, which was found to be more related to Parvodinium than Peridiniopsis; a new combination, Parvodinium cunningtonii comb. nov., was proposed, and a new variety was described, Parvodinium cunningtonii var. inerme var. nov. (Chapter 5). These observed affinities highlight the current uncertainty about all species of Peridinium, Peridiniopsis and Parvodinium that have not yet been examined by modern methods. In Chapter 6 tentative scenarios of character evolution in peridinioids are presented, incorporating the newly obtained fine-structural information and highlighting the need for further stabilization of genus, family and order level classifications, and the necessity for a reavaluation of the wealth of fine-structural dinoflagellate features uncovered during the past 20 years.

Os dinoflagelados são protistas com características comportamentais e celulares muito particulares, que ocorrem tanto em sistemas marinhos como de água doce. A classificação tradicional dos dinoflagelados, baseada na morfologia celular externa, não é apoiada pelas características ultrastruturais conhecidas actualmente nem pelas filogenias obtidas com base em sequências de DNA. A aplicação conjunta da informação filogenética e ultrastrutural ao grupo dos dinoflagelados com teca organizados conceptualmente à volta do género Peridinium, os chamados peridinióides, resultou na alteração da visão da filogenia do grupo, com algumas modificações inesperadas. É necessário o estudo detalhado da ultrastrutura de mais espécies de peridinióides para identificar características do grupo que sejam relevantes no nível filogenético e que possam ajudar a identificar cenários realísticos da evolução de características em dinoflagelados. Neste trabalho, a ultrastrutura de vários dinoflagelados de água doce foi examinada e as respectivas sequências do gene que codifica o ribossoma foram adicionadas em análises filogenéticas. Um dos organismos examinados representa uma nova espécie de Tovellia, descrita com o nome T. rubescens sp. nov., em alusão à alteração regular da cor destes organismos em cultura, de amarelo-esverdeada para avermelhada (Capítulo 2). A análise detalhada da ultrastrutura de T. rubescens sp. nov. permitiu confirmar a estabilidade de várias características ultrastruturais associadas com as Tovelliaceae, um grupo relevante para o conhecimento das características do ancestral dos peridinióides. A descoberta em Portugal de uma espécie de Sphaerodinium diferente da anteriormente examinada em detalhe, constituiu a primeira demonstração com técnicas modernas da existência de várias espécies neste género e permitiu confirmar a presença de várias características pouco comuns, estabelecendo-as como características deste género; as características de Sphaerodinium são também relevantes para o nosso conhecimento das plesiomorfias em peridiniódies (Capítulo 3). A observação de um representante de Parvodinium, um género proposto em 2008 para reunir organismos anteriormente classificados em Peridinium somente com base no tipo de tabulação, possibilitou a caracterização ultrastrutural do género, o que permitirá fazer comparações com outros dinoflagelados da família Peridiniopsidaceae. O estudo detalhado das características ultrastruturais de espécimes do complexo de espécies de Parvodinium umbonatum– P. inconspicuum (que inclui a espécie tipo do género) permitiu o reconhecimento de características potencialmente típicas de Parvodinium que não estão correlacionadas com o arranjo das placas (Capítulo 4). A descoberta, num lago da região de Aveiro, de duas populações ligeiramente diferentes de dinoflagelados identificáveis como Peridiniopsis cunningtonii permitiram fazer uma re-avaliação das afinidades desta espécie, que revelaram uma maior afinidade com o género Parvodinium do que com o género Peridiniopsis; é proposta a nova combinação Parvodinium cunningtonii comb. nov. e faz-se a descrição de uma nova variedade, Parvodinium cunningtonii var. inerme var. nov. (Capítulo 5). Estas novas afinidades encontradas para esta espécie destacam a incerteza que ainda permanece em todas as espécies de Peridinium, Peridiniopsis e Parvodinium que ainda não foram examinadas por métodos modernos. No Capítulo 6 são apresentados cenários possíveis de evolução de características em peridinióides, incorporando as características ultrastruturais descritas neste trabalho e destacando a necessidade de estabilização das classificações ao nível de género, família e ordem, e ainda a necessidade de uma revisão sistemática de toda a informação ultrastrutural sobre dinoflagelados que foi adquirida durante os últimos 20 anos.