Geographic and climatic constraints on bioregionalization of European ants

• Published in: Journal of biogeography Vol. 50; no. 3; pp. 503 - 514
• Main Authors: Wang, Runxi, Kass, Jamie M., Galkowski, Christophe, Garcia, Federico, Hamer, Matthew T., Radchenko, Alexander, Salata, Sebastian D., Schifani, Enrico, Yusupov, Zalimkhan M., Economo, Evan P., Guénard, Benoit
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Oxford Wiley Subscription Services, Inc 01.03.2023
• Subjects: Ants; beta diversity; Biodiversity; biogeography; Biological evolution; Cluster analysis; Clustering; Formicidae; Geographical distribution; Informatics; insect; Insects; Modelling; Northern European region; phylogenetic turnover; Phylogenetics; Phylogeny; regionalization; Spatial data; Species; species distribution model; Taxa; Taxonomy; Turkey (country); Europe; Anatolia; Northern European region
• ISSN: 0305-0270; 1365-2699
• DOI: 10.1111/jbi.14546

Aim Biogeographical regionalization is scant for most insect groups due to shortfalls in distribution and phylogenetic information, namely the Wallacean and Darwinian shortfalls respectively. Here, we focused on the European ants and compared new techniques to classical analyses based on regional lists and taxonomic methods. We asked the following: (1) Can grid‐based regionalizations using novel distribution data improve biogeographical transitions? and (2) Can phylogenetic approaches reveal new insights regarding ant evolutionary history? Location Europe and Anatolia. Taxon Ants (Formicidae). Methods First, we developed a refined database integrating the occurrences of 747 ant species across 207 regions of Europe and Anatolia, based on newly expert‐validated records derived from the existing Global Ant Biodiversity Informatics database. Using range estimates for these species derived from polygons and species distribution modelling, we produced species assemblages in 50 × 50 km grid cells. We calculated taxonomic and phylogenetic turnover of ant assemblages, then performed a hierarchical clustering procedure to delineate biogeographical structure. Results At both the regional list and grid assemblage levels, the Mediterranean has higher turnover and more biogeographical regions than northern Europe, both taxonomically and phylogenetically. Delineations based on grid assemblages detected more detailed biogeographical transitions, while those based on regional lists showed stronger insularity in biogeographical structure. The phylogenetic regionalization suggested a very similar spatial structure but varied affinities between assemblages in comparison to the taxonomic approach. Main Conclusions Here, we integrated expert‐validated regional lists, species distribution modelling and a recent phylogeny to tackle Wallacean and Darwinian shortfalls for an important insect group by developing a next‐generation map of biogeographical regionalization for European ants. The results of this study suggest strong constraints from geographical barriers and potential effects of climatic history on ant distributions and evolutionary history, and also provide baseline spatial information for future investigations of regional insect distributions. RIASSUNTO Scopo Le regionalizzazioni biogeografiche sono deficitarie per la maggior parte dei gruppi di insetti a causa della carenza di informazioni sulla distribuzione e della carenza di informazioni sulla filogenesi, rispettivamente deficit wallaciano e deficit darwiniano. Nel nostro studio ci siamo occupati delle formiche europee e abbiamo confrontato nuove tecniche di analisi con quelle classiche, combinando liste regionali e metodologie tassonomiche. Ci siamo chiesti se: (1) le regionalizzazioni basate su griglie che utilizzano dati di distribuzione aggiornati possano migliorare la conoscenza delle transizioni biogeografiche; (2) l’introduzione di approcci filogenetici in questo ambito di studio possa rivelare nuove informazioni circa la storia evolutiva delle formiche. Area geografica Europa e Anatolia. Taxon Formiche (Formicidae). Metodi Per prima cosa, abbiamo sviluppato un database dettagliato integrando i dati di presenza di 747 specie di formiche, provenienti da 207 regioni di Europa e Anatolia, basandoci sulla revisione da parte di esperti dei dati provenienti dal database Global Ant Biodiversity Informatics (GABI). Utilizzando stime degli areali delle specie basate su celle poligonali e modellistica di distribuzione, abbiamo ottenuto insiemi di specie distribuiti su una griglia di celle da 50 × 50 km. Abbiamo quindi calcolato il turnover tassonomico e filogenetico delle comunità di formiche, per poi utilizzare un’analisi gerarchica dei gruppi al fine di delinearne la struttura biogeografica. Risultati Sia in base ai risultati ottenuti a partire dalle liste regionali, che a quelli ottenuti tramite la griglia poligonale, il Mediterraneo ha dimostrato di avere un turnover maggiore ed un maggior numero regioni biogeografiche distinte rispetto all’Europa settentrionale, sia su base tassonomica che filogenetica. Le delimitazioni basate sull’analisi delle celle poligonali hanno messo in luce con maggiore dettaglio le transizioni biogeografiche, mentre quelle basate sulle liste regionali hanno evidenziato in modo più marcato il ruolo dell’insularità sulla struttura biogeografica. La bioregionalizzazione filogenetica ha suggerito una struttura spaziale molto simile alle precedenti, ma differenti livelli di affinità fra gli insiemi di specie rispetto a quanto osservato con l’approccio tassonomico. Conclusioni principali Abbiamo integrato liste regionali validate da esperti, modelli di distribuzione delle specie ed una filogenesi aggiornata per affrontare i deficit wallaciano e darwiniano circa un gruppo importante di insetti, fino a sviluppare una mappa di nuova generazione della regionalizzazione biogeografica delle formiche europee. I risultati di questo studio suggeriscono che la distribuzione e la storia evolutiva delle formiche abbiano risentito sia di forti limitazioni dovute alle barriere geografiche che di possibili effetti legati alla storia climatica, offrendo inoltre informazioni spaziali che saranno utili come base di partenza per studi futuri sulle distribuzioni regionali degli insetti. АННОТАЦИЯ Цель Биогеографическое районирование для большинства групп насекомых разработано недостаточно в связи с недостатком данных об их распространении и филогенетической информации, что в определенной степени отражает недостатки систем Уоллеса и Дарвина. В предложенной статье мы сосредоточились на Европейских муравьях и сравнили новые методы с классическим анализом, основанным на региональных списках и таксономических методах. Мы поставили следующие вопросы: 1) Может ли районирование на основе сетки с использованием новых данных о распределении, улучшить биогеографические подходы? и 2) Могут ли филогенетические подходы сформулировать новые идеи в понимании эволюционной истории муравьев? Местонахождение Европа и Анатолия. Таксон Муравьи (Formicidae). Методы Во‐первых, мы разработали уточненную базу данных, объединяющую находки 747 видов муравьев в 207 регионах Европы и Анатолии, основанную на недавно проверенных экспертами данных, полученных из существующей базы данных Global Ant Biodiversity Informatics (GABI). Используя оценки известных ареалов для этих видов, а также моделирование их распространения, мы создали карты распространения совокупностей видов в ячейках сетки 50 × 50 км. Мы рассчитали таксономическую и филогенетическую разнородность сообществ муравьев, затем выполнили процедуру иерархической кластеризации, чтобы очертить биогеографическую структуру. Результаты Как на уровне региональных списков, так и на уровне сеток, Средиземноморье имеет большую разнородность и больше биогеографических регионов, чем северная Европа, как таксономически, так и филогенетически. Разграничения, основанные на группировках в наборах сеток, выявили более детальные биогеографические переходы; в то же время подходы, основанные на региональных списках, показали более сильную ограниченность биогеографической структуры. Филогенетическое районирование предполагает очень похожую пространственную структуру, но изменчивое сходство между сообществами по сравнению с таксономическим подходом. Основные выводы мы объединили проверенные экспертами региональные списки, моделирование распределения видов и современную филогению, чтобы устранить пробелы Уоллеса и Дарвина для важной группы насекомых, разработав карту биогеографического районирования нового поколения для Европейских муравьев. Результаты этого исследования свидетельствуют о сильных ограничениях, связанных с географическими барьерами и потенциальным влиянием климатической истории на распространение муравьев и их эволюционную историю, а также предоставляют базовую пространственную информацию для будущих исследований регионального распределения насекомых. АНОТАЦІЯ Мета Біогеографічна регіоналізація є не розробленою для більшості груп комах через недостатність інформації про їхнє поширення та філогенетичні зв’язки, що є певною мірою наслідком недоліків систем Уоллеса та Дарвіна. В запропонованій статті ми зосередилися на європейських мурашках і порівняли нові підходи з класичним аналізом на основі регіональних списків і таксономічних методів. Ми поставили такі питання: 1) Чи може регіоналізація на основі сітки з використанням нових даних розподілу покращити біогеографічні підходи? і 2) Чи можуть філогенетичні підходи сформулювати нові ідеї в розуміння еволюційної історії мурашок? Розташування Європа та Анатолія. Таксон мурашки (Formicidae). Методи по‐перше, ми розробили уточнену базу даних, що об’єднує знахідки 747 видів мурашок у 207 регіонах Європи та Анатолії, засновану на нещодавно підтверджених експертами даних, отриманих з існуючої бази даних Global Ant Biodiversity Informatics (GABI). Використовуючи оцінки відомих ареалів для цих видів, а також моделювання їхнього розподілу, ми створили мапи поширення сукупності видів у клітинках сітки 50 × 50 км. Ми розрахували таксономічну і філогенетичну різнорідність угруповань мурашок, а потім виконали процедуру ієрархічної кластеризації, щоб окреслити біогеографічну структуру. Результати як на рівні регіональних списків, так і на рівні сітки, Середземномор’я має більшу різнорідність і більше біогеографічних регіонів, ніж північна Європа, як таксономічно, так і філогенетично. Розмежування, засновані на сіткових угрупованнях, виявили більш детальні біогеографічні переходи; в той же час підходи, що засновані на регіональних списках, показали сильнішу обмеженість біогеографічної структури. Філогенетична регіоналізація запропонувала дуже схожу просторову структуру, але мінливу подібність між угрупованнями порівняно з таксономічним підходом. Головні висновки ми об’єднали перевірені експертами регіональні списки, моделювання поширення видів і сучасну філогенію, щоб усунути недоліки Уоллеса та Дарвіна для важливо