A study of the genus Thaumetopoea (Lepidoptera: Notodontidae), using morphological, ecological, andmolecular traits

Thaumetopoeinae include several species called processionary moths, mainly due to their gregarious behaviour to form long single lines to forage and to pupate. Even if historically it has been considered as a separate family, Thaumetopoeinae were recently included as a subfamily of Notodontidae, based on both cladistic and molecular analyses. This groups has a great importance for forestry and landscape because their larvae feed on trees and shrubs, both broadleaved and coniferous, defoliating the canopy and weakening the plants, making them more susceptible to tree killers (i.e. bark beetles). Furthermore, they threaten human and animal health due to the presence of urticating setae in larvae and/or adults that are used as an effective defence strategy against vertebrate predators. In humans, these setae are responsible of allergic reactions, also of strong intensity, from dermatitis to anaphylactic shock; instead in animals, they produce pruritus, necrosis, abortions, anorexia, up to death. Thaumetopoea is the most known genus and historically it has been split into three separated genera. A recent molecular study has defined the phylogenetic relationships and the evolution of life history traits for a few taxa of this genus that is mainly distributed in Europe, the Mediterranean and Iranoturanic areas. In the first study, I completed the phylogeny of the genus analysing all the 15 species of Thaumetopoea s. lat., introducing both rare species found in different museum collections, by defining a set of 165 traits from head, thorax, abdomen, wing and male genitalia. The very recently described Thaumetopoea loxostigma Hacker, 2016 could not be included as the only extant specimen, viz. the holotype, was not available. According to the original description, T. loxostigma is closely related to the Thaumetopoea apologetica – Thaumetopoea jordana group, which itself needs revision. Five subspecies other than nominal ones are currently recognised within Thaumetopoea , namely T. apologetica abyssinica, T. herculeana judaea, T. processionea pseudosolitaria, T. solitaria iranica, and T. pityocampa orana, and they were included in the analysis. Whenever possible, the specimens were compared with the types of the various species. Morphological traits were combined with 9 mitochondrial genes already present in literature for some species. For the others, I sequenced the barcoding portion of cox1 due to the difficulties to amplify old fragmented DNA also using ad hoc primers. Matrix was processed using different software, to test different approaches, and the analyses were conducted both on separated matrix (morphological vs. molecular) and in combined ones (morphological + molecular). Finally, morphological traits were plotted on reference tree in order to identify apomorphies and homoplasious changes useful to draw a morphological key for the Thaumetopoea genus. Furthermore, I selected ecological and life history traits: presence of urticating setae on larva; pupation site; larval seasonal feeding activity; host plant group; host plant family, in order to outline the traits of a possible ancestor of processionary moths. In the second study, I use the morphological traits collected and the large number of specimens analysed to draw a morphological key and distribution maps of the whole genus Thaumetopoea, which will be helpful to entomologists and foresters to identify the adult specimens both in museum collection and in field. In the meantime, I synonymised some taxa recently described, mainly for lack of diagnostic characters or inconsistency. In the third study, I focused on the single clade genus Thaumetopoea in order to collect the information about the species of the 'summer' Thaumetopoea from Eurasia, feeding on coniferous hosts. Information included morphological and life history traits. Furthermore, the work involved also T. cheela that is proposed to be included in this group based on morphology and indirect evidence of life history traits. Although some evidences supported the hypothesis that Cedrus could be the host on which most of speciation in the summer clade had happened, more studies have to be made, especially for the less known species. Although my works complete the phylogeny of the genus of Thaumetopoea and provide valid methods to identify the species, which is very important because of the group includes some of the most important forest pests that also affect human and domesticated animal health through the urticating setae, more work is left to do in order to complete the knowledge on some neglected taxa and to expand the analysis to other genera of the subfamily, which apparently share the same traits and are causing similar problems in other continents.

La sottofamiglia Thaumetopoeinae (Notodontidae) comprende circa un centinaio di specie descritte, chiamate comunemente processionarie per il tipico comportamento delle larve durante gli spostamenti in file di vario tipo, organizzate per la ricerca del cibo o dei siti di impupamento. Anche se storicamente considerate in una famiglia distinta, le Thaumetopoeinae sono state recentemente inquadrate come sottofamiglia all’interno dei Notodontidae, sulla base di analisi cladistiche e molecolari. Il gruppo ha una grande importanza forestale perché le loro larve si nutrono delle foglie di alberi e arbusti, sia latifoglie sia conifere, indebolendo le piante e rendendole così più suscettibili all’attacco di altre avversità (i.e. scolitidi). Inoltre esse rappresentano una minaccia per la salute umana e degli animali domestici e di allevamento, a causa del rilascio di setole urticanti da parte delle larve e/o degli adulti. Queste setole, evolutesi come un’efficace strategia di difesa nei confronti di vertebrati predatori, a causa di contatti accidentali con altri vertebrati sono responsabili di reazioni allergiche, anche di forte intensità, sviluppando sintomi che spaziano da semplici dermatiti fino a shock anafilattici, con conseguenze mortali in alcuni casi. Il genere Thaumetopoea s.l., diffuso in Europa, Mediterraneo e area Iranoturanica, è senza dubbio il più noto ed è stato oggetto di una revisione che ha portato alla suddivisione in tre generi separati (Helianthocampa, Thaumetopoea, Traumatocampa). Tuttavia, un recente studio molecolare relativo alle specie più comuni ha chiarito alcune relazioni filogenetiche tra i taxa, mettendo in dubbio la validità della suddivisione e auspicando che uno studio comparato di caratteri morfologici, ecologici e molecolari portasse maggiore chiarezza. Con la presente tesi si è cercato di affrontare tale argomento. Nella prima parte è stata completata la filogenesi del genere, analizzando 15 specie di Thaumetopoea s.l., considerando anche specie rare rinvenute in diverse collezioni museali. Sono stati utilizzati al proposito 165 caratteri morfologici individuati in testa, torace, addome e genitali maschili. Thaumetopoea loxostigma Hacker, descritta all’inizio del 2016, non è stata inclusa in quanto l’unico esemplare descritto (olotipo), non era disponibile. Tuttavia, secondo la descrizione originale T. loxostigma è strettamente legata al gruppo Thaumetopoea apologetica - Thaumetopoea jordana, che necessita di una revisione approfondita. Cinque sottospecie diverse da quelle nominali sono attualmente riconosciute all'interno del genere Thaumetopoea, vale a dire: T. apologetica abyssinica, T. herculeana judaea, T. processionea pseudosolitaria, T. solitaria iranica, e T. pityocampa orana, e sono state incluse nell'analisi. Quando possibile, i campioni sono stati confrontati con il materiale tipico. I caratteri morfologici sono stati infine combinati con 9 geni mitocondriali già noti in letteratura le specie più comuni. Per le altre specie, prevalentemente provenienti da collezioni, ci si è limitati a sequenziare la porzione barcoding del gene cox1, date le difficoltà incontrate nell’amplificare DNA antico e frammentato, anche usando primers disegnati ad hoc. Le matrici di dati morfologici e molecolari sono state analizzate utilizzando diverse applicazioni informatiche, per valutare approcci diversi. Le analisi sono state condotte sia su matrici separate (morfologica e molecolare), sia combinate (morfologica + molecolare). Infine, i caratteri morfologici sono stati tracciati sull’albero filogenetico di riferimento al fine di identificare apomorfie e cambiamenti omoplastici utili per realizzare una chiave dicotomica per il genere Thaumetopoea. Inoltre, sono stati selezionati alcuni caratteri ecologici quali: presenza di setole urticanti sulla larva; sito di impupamento; attività di alimentazione stagionale larvale; tipo di piante ospiti; famiglia di piante ospite, al fine di delineare le caratteristiche fondamentali di un possibile antenato del genere Thaumetopoea. I risultati confermano la monofilia del genere e suggeriscono di considerare tutte le specie come appartenenti al genere Thaumetopoea. Nella seconda parte i caratteri morfologici raccolti su un grande numero di campioni sono stati analizzati per costruire una chiave dicotomica e carte di distribuzione del genere Thaumetopoea, nell’intento di fornire strumenti per identificare gli esemplari adulti, sia in collezioni museali sia in campo, fornendo contemporaneamente informazioni importanti per le specie di maggiore rilevanza applicata. Nel redigere tale studio, si è reso necessario porre in sinonimia alcuni taxa recentemente descritti, soprattutto per la mancanza di caratteri diagnostici o di incoerenze a livello delle descrizioni originali. Nella terza parte l’attenzione è stata posta su un particolare gruppo all’interno di Thaumetopoea, comprendente le specie eurasiatiche associate alle conifere ma attive come larva nel periodo primaverile-estivo. Le informazioni raccolte, di tipo morfologico ed ecologico, hanno consentito di chiarire la posizione di T. cheela, specie nota per pochissimi individui raccolti molti anni fa, che è stata inclusa in questo gruppo e per la quale viene ipotizzata un’associazione con il genere Cedrus nelle montagne dell’Himalaya, analogamente ad altre specie afferenti a questo gruppo ma presenti nell’area Mediterranea. Queste osservazioni sostengono l'ipotesi che il genere Cedrus potrebbe essere la pianta ospite su cui è avvenuta la speciazione del gruppo. L’approccio utilizzato nella tesi ha consentito di contribuire alle conoscenze sulla filogenesi del genere Thaumetopoea, fornendo informazioni rilevanti per alcuni taxa di interesse applicato, sia per le piante sia per la salute pubblica. Tuttavia ancora molto rimane da fare per chiarire la posizione di taxa attualmente trascurati o individuati da poco tempo grazie agli studi di genetica di popolazione. Appare inoltre interessante espandere il metodo di analisi ad altri generi della sottofamiglia, che apparentemente condividono caratteristiche simili e che stanno minacciando la salute di piante, persone e animali in Africa, Asia e Australia.