Reverse Taxonomy for Elucidating Diversity of Insect-Associated Nematodes: A Case Study with Termites

Abstract

Background: The molecular operational taxonomic unit (MOTU) has recently been applied to microbial and microscopic animal biodiversity surveys. However, in many cases, some of the MOTUs cannot be definitively tied to any of the taxonomic groups in current databases. To surmount these limitations, the concept of “reverse taxonomy” has been proposed, i.e. to primarily list the MOTUs with morphological information, and then identify and/or describe them at genus/species level using subsamples or by re-isolating the target organisms. Nevertheless, the application of “reverse taxonomy” has not been sufficiently evaluated. Therefore, the practical applicability of “reverse taxonomy” is tested using termite-associated nematodes as a model system for phoretic/parasitic organisms which have high habitat specificity and a potential handle (their termite host species) for re-isolation attempts.

Methodology: Forty-eight species (from 298 colonies) of termites collected from the American tropics and subtropics were examined for their nematode associates using the reverse taxonomy method and culturing attempts (morphological identification and further sequencing efforts). The survey yielded 51 sequence types ( = MOTUs) belonging to 19 tentatively identified genera. Within these, four were identified based on molecular data with preliminary morphological observation, and an additional seven were identified or characterized from successful culturing, leaving eight genera unidentified.

Conclusions: That 1/3 of the genera were not successfully identified suggests deficiencies in the depth of available sequences in the database and biological characters, i.e. usually isolated as phoretic/parasitic stages which are not available for morphological identification, and too many undiscovered lineages of nematodes. Although there still is the issue of culturability of nematodes, culturing attempts could help to make reverse taxonomy methods more effective. However, expansion of the database, i.e., production of more DNA barcodes tied to biological information by finding and characterizing additional new and known lineages, is necessary for analyzing functional diversity.Antecedentes: La unidad taxonómica operacional molecular (MOTU) se ha aplicado recientemente a estudios de biodiversidad animal microbiana y microscópica. Sin embargo, en muchos casos, algunas de las MOTU no se pueden vincular definitivamente a ninguno de los grupos taxonómicos en las bases de datos actuales. Para superar estas limitaciones, se ha propuesto el concepto de "taxonomía inversa", es decir, enumerar principalmente las MOTU con información morfológica y luego identificarlas y / o describirlas a nivel de género / especie utilizando submuestras o volviendo a aislar los organismos objetivo. Sin embargo, la aplicación de la “taxonomía inversa” no ha sido suficientemente evaluada. Por lo tanto, la aplicabilidad práctica de la "taxonomía inversa" se prueba utilizando nematodos asociados a las termitas como un sistema modelo para organismos foréticos / parásitos que tienen una alta especificidad de hábitat y un manejo potencial (su especie huésped de termitas) para intentos de re-aislamiento. Metodología: Se examinaron cuarenta y ocho especies (de 298 colonias) de termitas recolectadas de los trópicos y subtrópicos americanos para sus nematodos asociados utilizando el método de taxonomía inversa e intentos de cultivo (identificación morfológica y esfuerzos de secuenciación adicionales). La encuesta arrojó 51 tipos de secuencia (= MOTU) pertenecientes a 19 géneros identificados tentativamente. Dentro de estos, cuatro fueron identificados en base a datos moleculares con observación morfológica preliminar, y siete adicionales fueron identificados o caracterizados a partir de cultivos exitosos, dejando ocho géneros sin identificar. Conclusiones: El hecho de que 1/3 de los géneros no se identificaron con éxito sugiere deficiencias en la profundidad de las secuencias disponibles en la base de datos y los caracteres biológicos, es decir, generalmente aislados como estadios foréticos / parasitarios que no están disponibles para la identificación morfológica, y demasiados linajes no descubiertos de nematodos. Aunque todavía existe el problema de la capacidad de cultivo de los nematodos, los intentos de cultivo podrían ayudar a que los métodos de taxonomía inversa sean más efectivos. Sin embargo, la expansión de la base de datos, es decir, la producción de más códigos de barras de ADN vinculados a la información biológica mediante la búsqueda y caracterización de linajes nuevos y conocidos adicionales, es necesaria para analizar la diversidad funcional.Antecedentes: A unidade taxonômica operacional molecular (MOTU) foi recentemente aplicada a levantamentos microbianos e microscópicos da biodiversidade animal. No entanto, em muitos casos, alguns dos MOTUs não podem ser definitivamente vinculados a qualquer um dos grupos taxonômicos nas bases de dados atuais. Para superar essas limitações, o conceito de "taxonomia reversa" foi proposto, ou seja, listar principalmente os MOTUs com informações morfológicas e, em seguida, identificá-los e / ou descrevê-los em nível de gênero / espécie usando subamostras ou isolando novamente os organismos alvo. No entanto, a aplicação da “taxonomia reversa” não foi suficientemente avaliada. Portanto, a aplicabilidade prática da "taxonomia reversa" é testada usando nematóides associados a cupins como um sistema modelo para organismos foréticos / parasitas que têm alta especificidade de habitat e um manejo potencial (suas espécies hospedeiras de cupins) para tentativas de reisolamento. Metodologia: Quarenta e oito espécies (de 298 colônias) de térmitas coletadas nos trópicos e subtrópicos americanos foram examinadas para seus nematóides associados usando o método de taxonomia reversa e tentativas de cultivo (identificação morfológica e outros esforços de sequenciamento). A pesquisa rendeu 51 tipos de sequência (= MOTUs) pertencentes a 19 gêneros identificados provisoriamente. Dentre estes, quatro foram identificados com base em dados moleculares com observação morfológica preliminar, e outros sete foram identificados ou caracterizados de cultivo bem-sucedido, deixando oito gêneros não identificados. Conclusões: O fato de 1/3 dos gêneros não terem sido identificados com sucesso sugere deficiências na profundidade das sequências disponíveis no banco de dados e caracteres biológicos, ou seja, geralmente isolados como estágios foréticos / parasitários que não estão disponíveis para identificação morfológica, e muitas linhagens não descobertas de nematóides. Embora ainda exista a questão da cultivabilidade de nematóides, as tentativas de cultivo podem ajudar a tornar os métodos de taxonomia reversa mais eficazes. No entanto, a expansão da base de dados, ou seja, a produção de mais códigos de barras de DNA ligados a informações biológicas, encontrando e caracterizando linhagens novas e conhecidas adicionais, é necessária para analisar a diversidade funcional.