Exploring taxonomy and functional morphology in Campsurinae mayflies (Ephemeroptera: Polymitarcyidae)

Abstract

Ephemeroidea is a superfamily of Ephemeroptera that encompasses the only species ofmayflies in which nymphs are adapted to live in buried shelters. Polymitarcyidae is the most diverse family within this superfamily. Recently, the systematic classification of neotropical representatives of Polymitarcyidae has been revised in works based on conventional external morphological characteristics. Polymitarycidae exhibits some unique biological aspects in Ephemeroptera, such as adults having the shortest lifespan among mayflies and nymphs capable of silk production. Campsurinae is the most species-rich family of Polymitarcyidae, with a Pan-American distribution, showing greater diversity in the Neotropical region. Campsurinae nymphs construct U-shaped shelters in various aquatic substrates, and some species have been observed producing silk and manipulating silk fibers on shelter walls. In this study, as a consequence of our investigations on internal morphology, we describe the nymph of Tortopsis canum (Chapter I) and a new species of Campsurus (Chapter II). In the main study of this work, the objective was to analyze the histology and histochemistry of Malpighian tubules of Campsurinae species and species not belonging to Polymitarcyidae but still within Ephemeroidea. The studied Campsurinae species were Campsurus truncatus Ulmer, 1920, Campsurus sp., and Tortopsis canum Gonçalves, Da-Silva & Nessimian, 2011, which build shelters in different sediments (Chapter III). The studied species that do not belong to Polymitarcyidae were Campylocia burmeisteri (Hagen, 1888) (Ephemeroptera: Euthyplociidae) and Hexagenia albivitta (Walker, 1853) (Ephemeroptera: Ephemeridae) (Chapter III). Additionally, we analyzed the ultrastructure of the sperm of Campsurus violaceus Needham & Murphy, 1924 (IV). The Malpighian tubules of the studied Campsurinae species exhibit anatomy similar to the Malpighian tubules of C. burmeisteri and H. albivitta. However, the cell wall of the Malpighian tubules of the Campsurinae species contains secretory columnar cells, which are not found in the tubules of C. burmeisteri and H. albivitta. The secretory columnar cells of the Campsurinae species display cytoplasm containing granules that react positively to Periodic Acid-Schiff (PAS) and Bromophenol Blue tests, confirming the secretion of glycoprotein material by the Malpighian tubules. The morphology found in the sperm of C. violaceus shows variations that may serve as important phylogenetic signals in evolutionary studies of mayflies, such as the pattern of protofilaments in the accessory tubules, the arrangement of accessory bodies, and the number of mitochondria. Keywords: ephemeroidea, south america, mayflies, silk production, sperm, ultrastructure.Ephemeroidea é uma superfamília de Ephemeroptera que engloba as únicas espécies cujas ninfas são adaptadas a viver em túneis escavados. Polymitarcyidae é a família mais diversa desta superfamília. Recentemente, a classificação sistemática de representantes neotropicais de Polymitarcyidae tem sido revisada em estudos baseados em características convencionais da morfologia externa. Polymitarcyidae apresenta aspectos biológicos únicos em Ephemeroptera, como os adultos que possuem o menor tempo de vida entre as efemerópteras e as ninfas que são capazes de produzir seda. Campsurinae é a família mais especiosa de Polymitarcyidae, possuindo distribuição panamericana, com maior diversidade na região neotropical. As ninfas de Campsurinae constroem abrigos em formato de U em diferentes substratos e algumas espécies foram observadas produzindo seda e manipulando as fibras nas paredes dos abrigos. Neste trabalho, como consequência da investigação sobre morfologia interna, nós descrevemos a ninfa de Tortopsis canum Gonçalves, Da-Silva & Nessimian, 2011 (Capítulo I) e uma nova espécie de Campsurus (Capítulo II). No principal estudo deste trabalho, o objetivo foi analisar a histologia e a histoquímica de túbulos de Malpighi de espécies de Campsurinae e de espécies não pertencentes à Polymitarcyidae, mas ainda dentro de Ephemeroidea. As espécies de Campsurinae estudadas foram Campsurus truncatus Ulmer, 1920, Campsurus sp. e T. canum, (Capítulo III). As espécies estudadas que não pertencem a Polymitarcyidae foram Campylocia burmeisteri (Hagen, 1888) (Ephemeroptera: Euthyplociidae) e Hexagenia albivitta (Walker, 1853) (Ephemeroptera: Ephemeridae) (Capítulo III). Além disso, nós analisamos a ultraestrutura do espermatozoide de Campsurus violaceus Needham & Murphy, 1924 (IV). Os túbulos de Malpighi das espécies de Campsurinae estudadas apresentam anatomia similar aos túbulos de Malpighi de C. burmeisteri e de H. albivitta. No entanto, a parede celular dos túbulos de Malpighi das espécies de Campsurinae apresentam células colunares secretoras, não encontradas nos túbulos de C. burmeisteri e de H. albivitta. As células colunares secretoras das espécies de Campsurinae apreentam citoplasma contendo grânulos que reagem positivamente aos testes de Ácido Periódico de Schiff (PAS) e Bromofenol Azul, confirmando a secreção de material glicoproteico pelos túbulos de Malpighi. A morfologia encontrada no espermatozoide de C. violaceus exibe variações que podem servir como importantes sinais filogenéticos em estudos evolutivos de efemerópteros, como o padrão de protofilamentos nos túbulos acessórios, o arranjo de corpos acessórios e o número de mitocôndrias. Palavras-chave: ephemeroidea, américa do sul, efemerópteras, produção de seda, espermatozoide, ultraestrutura.