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Shou-Wang Lin

• Species are the basic units of evolution and biodiversity, and the process of speciation has been one of the most important questions in biology. The evolution of species with common descent is considered to be mainly driven by natural and sexual selection. The material basis and mechanical cause of organismic evolution were recognized during the formation of the modern synthesis of the evolutionary theory in the early 20th century, providing the framework for speciation studies. During this period, the biological species concept was developed in the frame of population genetics, putting emphasis on the reproductive isolation between populations. The phylogenetic species concept developed in the 1980s, on the other hand, does not make any particular assumption about evolutionary or speciation processes. It defines species via their unique combination of character states which are compatible with phylogenetic practices. However, the aforementioned two species concepts are difficult to apply in alpha-taxonomy, where newly discovered species are largely described by the morphological (typological) species concept for practical reasons. Nevertheless, the description of morphological species provides the basis for further assessments of species delimitation via other species concepts and approaches. One of the tools for assisting the identification and discovery of animal species is DNA barcoding, which uses a standard region of mitochondrial DNA sequence as a universal DNA barcode. However, its assumption of intraspecific genetic distances being smaller than interspecific genetic distances does not always hold. Species-level poly-/paraphyly is prevalent due to the discrepancy between the phylogenies of mitochondrial DNA and species. This suggests that the application of DNA barcodes must be combined with an integrative taxonomic approach. Beside the application as a tool for assisting species identification, the information from mitochondrial DNA sequences opens up a window for looking into the complex history of species. Sexual selection is a potential mechanism driving the evolution of species. It favors traits that increase mating probability and mating success. It can result from intrasexual competition, female preference or sexual conflict. However, previous comparative studies using the degree of sexual dimorphism as a proxy for the strength of sexual selection have yielded inconsistent results as to the relationship between sexual selection and species richness. A possible cause of the inferred low association are factors other than sexual selection, which can also lead to the evolution of sexual dimorphism, such as selection for increased female fecundity. In order to assess the effect of sexual selection on speciation, the lability and evolvability of traits need to be studied that are clearly under sexual selection. The aim of this thesis is to improve the knowledge about dwarf spider (Erigoninae, Linyphiidae) diversity and taxonomy, and to assess the evolutionary patterns of dimorphic traits that are under sexual selection. I focused on the abundant and diverse male prosomal modifications in dwarf spiders that are linked to the transfer of secretions from the male to the female during courtship and mating (gustatory courtship). This approach explores the process of speciation and the role of sexual selection on species diversification. I described new erigonine species and revised the classification of known species based on phylogenetic analyses. I also applied X-ray micro-computed tomography (micro-CT) to investigate the distribution and evolutionary pattern of the gustatory glands to tease apart the evolution of prosomal shape and glandular equipment. This cumulative thesis consists of three publications: Publication 1: This publication aimed at contributing to the knowledge of erigonine diversity. The genus Shaanxinus previously contained only two species from China. I collected dwarf spiders from multiple locations in Taiwan from above-ground vegetations with a seldom applied collecting method. Inspection of the collected material resulted in the discovery of 13 Shaanxinus species. An additional species from Vietnam was described from a museum collection. I provided a revision of the genus Shaanxinus. A phylogenetic analysis using morphological characters was conducted for determining the possible generic synamomorphies. I also reconstructed the glandular distribution associated with male prosomal modifications, as well as the detailed structure of a male secondary sexual organ (pedipalp) by micro-CT. Furthermore, I conducted phylogenetic analyses based on sequences from two mitochondrial and one nuclear loci, and assessed the efficacy of different criteria in species identification using DNA barcoding. Distinction of morphologically similar species have been assisted by molecular data. The species level poly-/paraphyly found in mitochondrial DNA sequences caused the low efficacy of many distance- and tree-based species identification methods, while the nearest neighbor method showed high identification success. The non-monophyly is likely caused by instances of interspecific hybridization and recent parapatric speciation. The genus Shaanxinus thus lend itself as an ideal group for congeneric phylogeographic studies addressing the interactions between closely related species. Published in: Lin, S.-W., Lopardo, L., Haase, M. & Uhl, G. 2019. Taxonomic revision of the dwarf spider genus Shaanxinus Tanasevitch, 2006 (Araneae, Linyphiidae, Erigoninae), with new species from Taiwan and Vietnam. Organism Diversity & Evolution, 19, 211-276. Publication 2: Sexually dimorphic prosomal modifications that are related to gustatory courtship occur in many dwarf spider species. These features evolved in the context of sexual selection, which has a potential effect on species diversification. In contrast to many erigonine genera which present little variability in male prosomal traits, the genus Oedothorax presents higher diversity in male prosomal structures among species not only in the position and shapes of the modifications, but also in the degree of modification, ranging from absent to highly elaborated. This genus thus lends itself as a suitable target group for studying the effect of gustatory-courtship-related traits on species diversification. I conducted a revision of the 82 species previously belonging to this genus. Based on the result of a phylogenetic analysis, this genus was re-delimited with 10 species as Oedothorax sensu stricto, while taxonomic decisions were made for other species including synonymization with species from other genera and transferring species to other existing and newly defined genera. 25 species were deemed as “Oedothorax” incertae sedis. The reconstruction of character state evolution suggested multiple origins of specific prosomal modification types. Convergent evolution of these traits among different lineages suggests that sexual selection has played an important role in the species diversification of dwarf spiders. Published in: Lin, S.-W., Lopardo, L. & Uhl, G. 2021. Evolution of nuptial-gift-related male prosomal structures: taxonomic revision and cladistic analysis of the genus Oedothorax (Araneae: Linyphiidae: Erigoninae). Zoological Journal of the Linnean Society, XX, 1-168. Publication 3: Although sexually dimorphic traits have inspired the concept of sexual selection as the driving force of their evolution, they might also have evolved due to other ecological factors. These factors include the sexual signal adaptation to the environment as well as sexual differences in ecological relations and parental investment. In contrast, the gustatory courtship in dwarf spiders is associated with sexually dimorphic male prosomal modifications, which have clearly evolved in the context of sexual selection. Multiple origins of various external prosomal modifications have been shown in erigonine phylogeny, but the evolutionary pattern of the associated glands has not been investigated. Our phylogenetic analysis incorporated the characters related to the glandular distribution in the male prosoma as well as the external shapes yielded from X-ray micro-computed-tomography showed a single origin of gland among the investigated erigonine taxa. The internal anatomy revealed previously undetected trait lability in attachments of muscles to the cuticular structures, as well as the presence/absence and differences in glandular distribution even in species without external modification. Our finding further supports that erigonine male prosomal traits are under divergent selection, and corroborates the argument that erigonines are a suitable group for investigating the effect of sexual selection on speciation. Published in: Lin, S.-W., Lopardo, L. & Uhl, G. 2021. Diversification through gustatory courtship: an X‑ray micro‑computed tomography study on dwarf spiders. Frontiers in Zoology, 18: 51.   The results of this thesis corroborate the importance of applying phylogenetic methods and an integrative approach in the description of new species, as well as in revising taxa which might not be monophyletic. Overall, the studies contributed to a more comprehensive knowledge about erigonine species diversity, phylogeny and the possible diversifying effect of sexual selection on male traits associated with gustatory courtship.
• Die Arten sind die Grundeinheiten der Evolution und der biologischen Vielfalt, und der Prozess der Artbildung ist eine der wichtigsten Fragen der Biologie. Es wird davon ausgegangen, dass die Evolution der Arten bei gemeinsamer Abstammung hauptsächlich durch natürliche und sexuelle Selektion angetrieben wird. Die materielle Grundlage und die mechanische Ursache der organismischen Evolution wurden während der Entstehung der modernen Synthese der Evolutionstheorie zu Beginn des 20. Jahrhunderts anerkannt und bildeten den Rahmen für die Speziationsforschung. In dieser Zeit wurde das biologische Artkonzept im Rahmen der Populationsgenetik entwickelt, wobei der Schwerpunkt auf der reproduktiven Isolation zwischen Populationen lag. Das in den 1980er Jahren entwickelte phylogenetische Artkonzept hingegen geht nicht von bestimmten Annahmen über Evolutions- oder Speziationsprozesse aus. Es definiert Arten über ihre einzigartige Kombination von Merkmalsausprägungen, die mit phylogenetischen Verfahren vereinbar sind. Die beiden vorgenannten Artkonzepte sind jedoch in der Alpha-Taxonomie nur schwer anwendbar, da neu entdeckte Arten aus praktischen Gründen weitgehend durch das morphologische (typologische) Artkonzept beschrieben werden. Nichtsdestotrotz bietet die Beschreibung morphologischer Arten die Grundlage für weitere Bewertungen der Artabgrenzung anhand anderer Artkonzepte und -ansätze. Eines der Instrumente zur Unterstützung der Identifizierung und Entdeckung von Tierarten ist das DNA-Barcoding, bei dem eine Standardregion der mitochondrialen DNA-Sequenz als universeller DNA-Barcode verwendet wird. Die Annahme, dass die intraspezifischen genetischen Abstände kleiner sind als die interspezifischen genetischen Abstände, ist jedoch nicht immer zutreffend. Aufgrund der Diskrepanz zwischen den Phylogenien der mitochondrialen DNA und der Arten ist Poly-/Paraphylie auf Artniveau vorherrschend. Dies legt nahe, dass die Anwendung von DNA-Barcodes mit einem integrativen taxonomischen Ansatz kombiniert werden muss. Neben der Anwendung als Hilfsmittel zur Identifizierung von Arten eröffnen die Informationen aus mitochondrialen DNA-Sequenzen ein Fenster zur Erforschung der komplexen Geschichte der Arten. Die sexuelle Selektion ist ein möglicher Mechanismus, der die Evolution der Arten vorantreibt. Sie begünstigt Merkmale, die die Paarungswahrscheinlichkeit und den Paarungserfolg erhöhen. Sie kann aus intrasexuellem Wettbewerb, weiblicher Präferenz oder sexuellen Konflikten resultieren. Frühere vergleichende Studien, in denen der Grad des Sexualdimorphismus als Indikator für die Stärke der sexuellen Selektion verwendet wurde, haben jedoch widersprüchliche Ergebnisse in Bezug auf die Beziehung zwischen sexueller Selektion und Artenreichtum erbracht. Eine mögliche Ursache für den geringen Zusammenhang sind andere Faktoren als die sexuelle Selektion, die ebenfalls zur Entwicklung des Sexualdimorphismus führen können, wie z. B. die Selektion auf eine höhere weibliche Fruchtbarkeit. Um die Auswirkungen der sexuellen Selektion auf die Artbildung beurteilen zu können, müssen die Labilität und Evolvierbarkeit von Merkmalen untersucht werden, die eindeutig unter sexueller Selektion stehen. Ziel dieser Arbeit ist es, das Wissen über die Vielfalt und Taxonomie der Zwergspinnen (Erigoninae, Linyphiidae) zu verbessern und die evolutionären Muster der dimorphen Merkmale, die der sexuellen Selektion unterliegen, zu bewerten. Ich habe mich auf die zahlreichen und vielfältigen prosomalen Veränderungen der Männchen bei Zwergspinnen konzentriert, die mit der Übertragung von Sekreten vom Männchen auf das Weibchen während der Balz und der Paarung zusammenhängen (gustatorische Balz). Dieser Ansatz erforscht den Prozess der Artbildung und die Rolle der sexuellen Selektion bei der Artenvielfalt. Ich habe neue Erigonin-Arten beschrieben und die Klassifizierung bekannter Arten auf der Grundlage phylogenetischer Analysen überarbeitet. Außerdem untersuchte ich mit Hilfe der Röntgen-Mikro-Computertomographie (micro-CT) die Verteilung und das evolutionäre Muster der Geschmacksdrüsen, um die Evolution der Prosomalform und der Drüsenausstattung zu entschlüsseln. Diese kumulative Arbeit besteht aus drei Veröffentlichungen: Publikation 1: Diese Publikation soll einen Beitrag zum Wissen über die erigonine Vielfalt leisten. Die Gattung Shaanxinus enthielt bisher nur zwei Arten aus China. Ich sammelte Zwergspinnen an mehreren Orten in Taiwan von oberirdischer Vegetation mit einer selten angewandten Sammelmethode. Die Untersuchung des gesammelten Materials führte zur Entdeckung von 13 Shaanxinus-Arten. Eine zusätzliche Art aus Vietnam wurde aus einer Museumssammlung beschrieben. Ich habe eine Revision der Gattung Shaanxinus vorgenommen. Es wurde eine phylogenetische Analyse anhand morphologischer Merkmale durchgeführt, um die möglichen Gattungsdynamomorphien zu bestimmen. Außerdem rekonstruierte ich die Drüsenverteilung im Zusammenhang mit männlichen prosomalen Veränderungen sowie die detaillierte Struktur eines männlichen sekundären Geschlechtsorgans (Pedipalp) mittels Mikro-CT. Darüber hinaus führte ich phylogenetische Analysen auf der Grundlage von Sequenzen zweier mitochondrialer und eines nuklearen Loci durch und bewertete die Wirksamkeit verschiedener Kriterien bei der Artidentifizierung mithilfe von DNA-Barcoding. Die Unterscheidung von morphologisch ähnlichen Arten wurde durch molekulare Daten unterstützt. Die in den mitochondrialen DNA-Sequenzen gefundene Poly-/Paraphylie auf Artniveau führte zu einer geringen Wirksamkeit vieler entfernungs- und baumbasierter Methoden zur Artidentifizierung, während die Methode der nächsten Nachbarn einen hohen Identifizierungserfolg zeigte. Die Nicht-Monophylie ist wahrscheinlich auf Fälle von interspezifischer Hybridisierung und rezenter parapatrischer Speziation zurückzuführen. Die Gattung Shaanxinus eignet sich daher ideal für phylogeografische Studien, die sich mit den Wechselwirkungen zwischen eng verwandten Arten befassen. Veröffentlicht in: Lin, S.-W., Lopardo, L., Haase, M. & Uhl, G. 2019. Taxonomic revision of the dwarf spider genus Shaanxinus Tanasevitch, 2006 (Araneae, Linyphiidae, Erigoninae), with new species from Taiwan and Vietnam. Organism Diversity & Evolution, 19, 211-276. Publikation 2: Sexuell dimorphe prosomale Modifikationen, die mit der gustatorischen Balz zusammenhängen, kommen bei vielen Zwergspinnenarten vor. Diese Merkmale haben sich im Zusammenhang mit sexueller Selektion entwickelt, was sich möglicherweise auf die Diversifizierung der Arten auswirkt. Im Gegensatz zu vielen erigoninen Gattungen, die nur eine geringe Variabilität bei den männlichen prosomalen Merkmalen aufweisen, weist die Gattung Oedothorax eine größere Vielfalt an männlichen prosomalen Strukturen zwischen den Arten auf, und zwar nicht nur in Bezug auf die Position und die Form der Modifikationen, sondern auch in Bezug auf den Grad der Modifikation, der von abwesend bis stark ausgearbeitet reicht. Diese Gattung bietet sich daher als geeignete Zielgruppe für die Untersuchung der Auswirkungen von Merkmalen, die mit der gustatorischen Balz zusammenhängen, auf die Diversifizierung der Arten an. Ich habe eine Revision der 82 Arten durchgeführt, die bisher zu dieser Gattung gehörten. Auf der Grundlage der Ergebnisse einer phylogenetischen Analyse wurde diese Gattung mit 10 Arten als Oedothorax sensu stricto neu abgegrenzt, während für die anderen Arten taxonomische Entscheidungen getroffen wurden, einschließlich der Synonymisierung mit Arten aus anderen Gattungen und der Übertragung von Arten auf andere bestehende und neu definierte Gattungen. 25 Arten wurden als "Oedothorax" incertae sedis eingestuft. Die Rekonstruktion der Entwicklung des Merkmalsstatus deutet auf mehrere Ursprünge spezifischer prosomaler Modifikationstypen hin. Die konvergente Entwicklung dieser Merkmale zwischen verschiedenen Linien deutet darauf hin, dass die sexuelle Selektion eine wichtige Rolle bei der Artenvielfalt der Zwergspinnen gespielt hat. Veröffentlicht in: Lin, S.-W., Lopardo, L. & Uhl, G. 2021. Evolution of nuptial-gift-related male prosomal structures: taxonomic revision and cladistic analysis of the genus Oedothorax (Araneae: Linyphiidae: Erigoninae). Zoological Journal of the Linnean Society, XX, 1-168. Publikation 3: Obwohl sexuell dimorphe Merkmale das Konzept der sexuellen Selektion als treibende Kraft ihrer Evolution inspiriert haben, könnten sie sich auch aufgrund anderer ökologischer Faktoren entwickelt haben. Zu diesen Faktoren gehören die Anpassung der sexuellen Signale an die Umwelt sowie sexuelle Unterschiede in den ökologischen Beziehungen und den elterlichen Investitionen. Im Gegensatz dazu ist die gustatorische Balz bei Zwergspinnen mit geschlechtsdimorphischen prosomalen Veränderungen der Männchen verbunden, die sich eindeutig im Zusammenhang mit sexueller Selektion entwickelt haben. In der Phylogenie der Erigoninen wurden mehrere Ursprünge verschiedener äußerer prosomaler Modifikationen nachgewiesen, aber das evolutionäre Muster der zugehörigen Drüsen wurde nicht untersucht. Unsere phylogenetische Analyse, in die die Merkmale der Drüsenverteilung im männlichen Prosoma sowie die aus der Röntgen-Mikro-Computertomographie gewonnenen äußeren Formen eingeflossen sind, ergab einen einzigen Ursprung der Drüsen bei den untersuchten erigoninen Taxa. Die innere Anatomie offenbarte eine bisher unentdeckte Labilität der Anhänge der Muskeln an den Kutikularstrukturen sowie das Vorhandensein/Fehlen und die Unterschiede in der Drüsenverteilung selbst bei Arten ohne äußere Veränderungen. Unsere Ergebnisse belegen, dass erigonine männliche prosomale Merkmale einer divergenten Selektion unterliegen, und untermauern das Argument, dass erigonine Arten eine geeignete Gruppe für die Untersuchung der Auswirkungen sexueller Selektion auf die Artbildung sind. Veröffentlicht in: Lin, S.-W., Lopardo, L. & Uhl, G. 2021. Diversification through gustatory courtship: an X‑ray micro‑computed tomography study on dwarf spiders. Frontiers in Zoology, 18: 51. Die Ergebnisse dieser Arbeit bestätigen die Bedeutung der Anwendung phylogenetischer Methoden und eines integrativen Ansatzes bei der Beschreibung neuer Arten sowie bei der Überarbeitung von Taxa, die möglicherweise nicht monophyletisch sind. Insgesamt trugen die Studien zu einem umfassenderen Wissen über die erigonine Artenvielfalt, die Phylogenie und die mögliche diversifizierende Wirkung der sexuellen Selektion auf männliche Merkmale im Zusammenhang mit der gustatorischen Balz bei.