Chromatic patterns in Coleoptera and their evolution the Chrysolina clade (Coleoptera, Chrysomelidae)

Colours and chromatic patterns of insects are, since long time, a subject of particular interest for researchers. However, despite several orders exhibit complex colour patterns, few groups received most of the attention, i.e. butterflies (Lepidoptera) and Drosophila fruit flies (Diptera). Today, colour patterns found in each one of these two groups are known in great detail under various aspects, from those of the comparative morphology of pattern elements to those of developmental processes and genetics. Surprisingly, studies on the chromatic patterns of beetles, despite the large variety of chromatic patterns found among their members, have been widely neglected. An accurate perusal of literature revealed that works dealing with interspecific evolution of patterns are very scanty. In addition, information is lacking also about the putative developmental or topological relationships between colour patterns and integument morphology, with particular reference to the role of wing veins, which were demonstrated to be a fundamental patterning device in other groups. This research meant to move the first steps towards filling some of the major gaps in the present knowledge of evolutionary phenomena occurring in beetles colours and colours patterns. The first section of the thesis (Colours and chromatic effects in beetles) deals with some aspects of colours and colour patterns which are of general interest, at level of the whole order. A review of colour-producing phenomena is presented, with particular attention to the colours of physical origin (i.e., those which stronger evolvabilty), and some original observations are presented. In the following section (Pattern evolution and Evo-Devo aspects) the focus is brought on aspects of the interactions between anatomy and colour patterns, for which several original observations are presented and discussed. The limited information available from the literature is reviewed, and original data and case studies are presented and discussed. Induction- or control-like effects from morphological elements towards colour pattern elements are exemplified, discussed and proposed as a major device active in the colour patterning of the integument. In the third section of the thesis (Structural and evolutionary aspects in Chrysolina), the focus is brought on a circumscribed group of leaf-beetles, the genus Chrysolina and the allied ones. A wide survey of their colour pattern is performed, aiming at a reconstruction of the main evolutionary changes occurred in this genus. In order to achieve a necessary phylogenetic framework, which was unavailable from the literature, a morphology-based phylogeny attempt is presented, although the results did not provide a good resolution. However a few interesting considerations were allowed by the more resolved branches of the tree. In particular, similar-looking species scattered among different genera and subgenera are recognised as belonging to a monophyletic clade, and thus their peculiar pattern (fastuosa-like pattern) is demonstrated to derive from a single evolutionary event. Finally, investigations on the ultrastructure of the epicuticle allowed to recognize the morphological basis for the chromatic polymorphism found in many of the species showing physical colours, and to observe an up-to-date unknown morphological arrangement of the epicuticle, which account for the widespread comparison of black phenotypes. In conclusion, some considerations are proposed on the large evolutionary potential of mechanism producing physical colours, and of the morphological elements capable to interact with the colour pattern.

I colori e i pattern cromatici presenti sui tegumenti degli insetti rappresentano da tempo un soggetto di interesse per numerosi ricercatori. Tuttavia, nonostante pattern cromatici complessi si riscontrino presso numerosi ordini di insetti, lo sforzo di ricerca è stato distribuito in modo eterogeneo, concentrandosi in particolar modo sui lepidotteri. Grazie a una lunga tradizione di ricerca, infatti, i complessi disegni che si sviluppano sulle ali delle farfalle sono oggi conosciuti con notevole approfondimento negli aspetti biochimici e ultrastrutturali, nei meccanismi di sviluppo e nelle loro basi genetiche, nella composizione ed evoluzione degli elementi discreti che li compongono, nonché negli aspetti di interazione con l'ambiente. In tempi più recenti, anche i pattern cromatici che caratterizzano i ditteri drosofilidi sono stati studiati in dettaglio negli aspetti strutturali, morfogenetici ed evolutivi. Meno noti sono i fenomeni cromatici che si riscontrano presso altri gruppi di insetti, fra cui i coleotteri, ordine a cui si ascrivono circa 350.000 specie note. In particolare, sono stati ampiamente trascurati studi comparativi, interpretativi o evolutivi condotti a livello interspecifico e paragonabili a quelli condotti sugli altri gruppi citati. L’esplorazione della bibliografia specifica, infatti, ha permesso di individuare solo una scarna serie di lavori a riguardo, alcuni dei quali risalenti ai primi del ‘900. Questi si rivelano del tutto insufficienti a fornire un quadro generale sui fenomeni che governano i pattern cromatici dei coleotteri. Ad oggi non abbiamo che pochissime notizie sui meccanismi di controllo e di sviluppo dei loro pattern cromatici, sulle loro eventuali relazioni con le venulazioni delle ali (ampiamente verificate in lepidotteri e ditteri) o con altri elementi morfoanatomici, così come sulle loro capacità e tendenze evolutive. Con questa tesi si sono voluti muovere i primi passi verso una riduzione dell’enorme lacuna di conoscenza ora delineata. Lo studio è stato condotto su due livelli diversi. Ad un primo livello, di carattere più generale, si sono voluti esplorare, dopo una accurata valutazione della letteratura, alcuni fenomeni di interesse generale, a cominciare dall’analisi di quelli più basilari: quelli, cioè, che determinano la produzione dei colori. Sono stati privilegiati, in questo caso, i diversi fenomeni che determinano la produzione di colori fisici in quanto, oltre a collegarsi direttamente con la seconda parte dello studio, sono quelli che presentano le maggiori potenzialità evolutive. Questa sezione (Colours and chromatic effects in beetles) si basa principalmente su un’accurata rassegna e analisi critica della bibliografia, che è stata integrata con alcune osservazioni originali. Nella sezione successiva (Pattern evolution and Evo-Devo aspects) si indagano alcuni aspetti dei pattern cromatici secondo una prospettiva “Evo-Devo” (così come viene comunemente detta la moderna la biologia evoluzionistica dello sviluppo), in particolare discutendo le relazioni che essi intraprendono con elementi anatomici del tegumento. In questi capitoli viene suggerito che le attività di induzione/controllo/alterazione dei pattern (sia pigmentari che di origine fisica) prodotte dagli elementi morfologici dell’elitra (punti, strie, vene) rivestano un ruolo di prim’ordine nello sviluppo e nell’evoluzione dei pattern. Lo stesso viene suggerito a proposito delle inserzioni muscolari, per le quali viene verificata la capacità di induzione di un pattern cromatico, confermando e ampliando la documentazione di un importante dato bibliografico risalente ai primi del 1900, ma in seguito apparentemente dimenticato. Infine, viene discusso un interessante, ricorrente fenomeno di convergenza cromatica intraspecifica legata alla distribuzione geografica, per il quale sembrano improbabili spiegazioni legate alla selezione darwiniana. Nella seconda parte della tesi (Structural and evolutionary aspects in Chrysolina) si è affrontata una ricostruzione dell’evoluzione dei pattern cromatici all’interno di un gruppo di coleotteri. A questo scopo, è stato individuato come utile candidato il genere Chrysolina (Chrysomelidae Chrysomelinae) inteso in senso lato, cioè comprendente alcuni generi affini di incerta collocazione tassonomica. La possibilità di accedere ad ampie collezioni entomologiche mi ha permesso di condurre una vasta ricognizione sulla quasi totalità dei sottogeneri e delle specie esistenti a livello mondiale. Le condizioni cromatiche osservate su decine di migliaia di esemplari sono state ricondotte a un numero limitato di pattern cromatici e mappate all’interno di una tabella sinottica con risoluzione a livello di sottogenere (attualmente si considerano validi circa 65 sottogeneri per il solo genere Chrysolina s. str.). Poiché non esiste, in letteratura, alcuna filogenesi del gruppo indagato, è stato intrapreso un tentativo di filogenesi su base morfologica condotto su 59 specie rappresentative di 4 generi e 52 sottogeneri. Nonostante il prolungato sforzo di ricognizione e codifica, il risultato ottenuto è stato complessivamente deludente, a causa, presumibilmente, dell’estrema uniformità morfologica riscontrata nel gruppo in esame. Ciononostante, alcuni cladi sono risultati supportati abbastanza da permettere alcune interessanti considerazioni. Ciascuna condizione cromatica è stata discussa dal punto di vista morfo-strutturale e, quando possibile o pertinente, evolutivo. Il risultato più interessante, in questo senso, è rappresentato dal riconoscimento di alcune forme cromatiche, distribuite fra 2 generi (Oreina e Chrysolina) e 8 sottogeneri diversi, quali espressioni di un unico pattern fondamentale (chiamato fastuosa-like pattern) che risulta riconducibile a un’unica innovazione evolutiva: le specie che ne sono interessate, infatti, a dispetto della tassonomia corrente, appartengono tutte a un medesimo clade. La conduzione di uno studio sull’ultrastruttura della cuticola ha permesso, infine, di verificare l’origine del polimorfismo che caratterizza molte delle specie interessate dallo studio. In particolare, è stato individuato un meccanismo inedito che permette la frequente comparsa di forme nere (note anche come forme nigrine) presso gran parte delle specie a colorazione metallica, funzionando come un interruttore il cui azionamento (su scala filogenetica) permette di rendere visibile la colorazione pigmentaria oppure quella di origine fisica. In conclusione, vengono proposte alcune osservazioni sulla grande versatilità dei meccanismi che producono colori o pattern di origine fisica, dalla quale può forse conseguire una difficoltà di controllo degli stessi, così come sulla versatilità degli elementi morfologici del tegumento, che si possono interfacciare con meccanismi cromatici molto diversi, producendo interessanti fenomeni di convergenza di pattern anche fra gruppi filogeneticamente molto lontani.