Comparative phylogeography reveals widespread cryptic diversity driven by ecology in Panamanian birds
Authors: McLaughlin J. F. , Aguilar Celestino , Bernstein Justin M. , Navia-Gine Wayra G. , Cueto-Aparicio Luis E. , Alarcon Ashleigh C. , Alarcon Brandon D. , Collier Rugger , Takyar Anshule , Vong Sidney J. , López-Chong Oscar G. , Driver Robert , Loaiza Jose R. , De León Luis F. , Saltonstall Kristin , Lipshutz Sara E. , Arcila Dahiana , Brock Kinsey M. , Miller Matthew J. 
Published: March 2023

Widespread species often harbor unrecognized genetic diversity, and investigating the factors associated with such cryptic variation can help us better understand the forces driving diversification. Here, we identify potential cryptic species based on a comprehensive dataset of COI mitochondrial DNA barcodes from 2,333 individual Panamanian birds across 429 species, representing 391 (59%) of the 659 resident landbird species of the country, as well as opportunistically sampled waterbirds. We complement this dataset with additional publicly available mitochondrial loci, such as ND2 and cytochromeb,obtained from whole mitochondrial genomes from 20 taxa. Using barcode identification numbers (BINs), we find putative cryptic species in 19% of landbird species, highlighting hidden diversity in the relatively well-described avifauna of Panama. Whereas some of these mitochondrial divergence events corresponded with recognized geographic features that likely isolated populations, such as the Cordillera Central highlands, the majority (74%) of lowland splits were between eastern and western populations. The timing of these splits are not temporally coincident across taxa, suggesting that historical events, such as the formation of the Isthmus of Panama and Pleistocene climatic cycles, were not the primary drivers of cryptic diversification. Rather, we observed that forest species, understory species, insectivores, and strongly territorial species—all traits associated with lower dispersal ability—were all more likely to have multiple BINs in Panama, suggesting strong ecological associations with cryptic divergence. Additionally, hand-wing index, a proxy for dispersal capability, was significantly lower in species with multiple BINs, indicating that dispersal ability plays an important role in generating diversity in Neotropical birds. Together, these results underscore the need for evolutionary studies of tropical bird communities to consider ecological factors along with geographic explanations, and that even in areas with well-known avifauna, avian diversity may be substantially underestimated.

LAY SUMMARY

- What factors are common among bird species with cryptic diversity in Panama? What role do geography, ecology, phylogeographic history, and other factors play in generating bird diversity?

- 19% of widely-sampled bird species form two or more distinct DNA barcode clades, suggesting widespread unrecognized diversity.

- Traits associated with reduced dispersal ability, such as use of forest understory, high territoriality, low hand-wing index, and insectivory, were more common in taxa with cryptic diversity.

Filogeografía comparada revela amplia diversidad críptica causada por la ecología en las aves de Panamá

Especies extendidas frecuentemente tiene diversidad genética no reconocida, y investigando los factores asociados con esta variación críptica puede ayudarnos a entender las fuerzas que impulsan la diversificación. Aquí, identificamos especies crípticas potenciales basadas en un conjunto de datos de códigos de barras de ADN mitocondrial de 2,333 individuos de aves de Panama en 429 especies, representando 391 (59%) de las 659 especies de aves terrestres residentes del país, además de algunas aves acuáticas muestreada de manera oportunista. Adicionalmente, complementamos estos datos con secuencias mitocondriales disponibles públicamente de otros loci, tal como ND2 o citocroma b, obtenidos de los genomas mitocondriales completos de 20 taxones. Utilizando los números de identificación de código de barras (en ingles: BINs), un sistema taxonómico numérico que proporcina una estimación imparcial de la diversidad potencial a nivel de especie, encontramos especies crípticas putativas en 19% de las especies de aves terrestres, lo que destaca la diversidad oculta en la avifauna bien descrita de Panamá. Aunque algunos de estos eventos de divergencia conciden con características geográficas que probablemente aislaron las poblaciones, la mayoría (74%) de la divergencia en las tierras bajas se encuentra entre las poblaciones orientales y occidentales. El tiempo de esta divergencia no coincidió entre los taxones, sugiriendo que eventos históricos tales como la formación del Istmo de Panamá y los ciclos climáticos del pleistoceno, no fueron los principales impulsores de la especiación. En cambio, observamos asociaciones fuertes entre las características ecológicas y la divergencia mitocondriale: las especies del bosque, sotobosque, con una dieta insectívora, y con territorialidad fuerte mostraton múltiple BINs probables. Adicionalmente, el índice mano-ala, que está asociado a la capacidad de dispersión, fue significativamente menor en las especies con BINs multiples, sugiriendo que la capacidad de dispersión tiene un rol importamente en la generación de la diversidad de las aves neotropicales. Estos resultos demonstran la necesidad de que estudios evolutivos de las comunidades de aves tropicales consideren los factores ecológicos en conjunto con las explicaciones geográficos.

Palabras clave:biodiversidad tropical, biogeografía, códigos de barras, dispersión, especies crípticas