鳥類是恐龍的后裔，所有其他類群的恐龍?jiān)诎讏准o(jì)末期的大滅絕事件中走向了終結(jié)，但絕大多數(shù)現(xiàn)生鳥類的祖先卻在短短不到1千萬年的時(shí)間里，快速繁衍、分化出了非常多新的類群，堪稱演化奇跡。
可是，在過去一個(gè)多世紀(jì)里，現(xiàn)生鳥類家譜的內(nèi)部關(guān)系一直懸而未決，成為了構(gòu)建生命之樹的代表性難題。
4月2日，以我國科學(xué)家為發(fā)起方和主要參與方的國際鳥類基因組聯(lián)盟發(fā)布了萬種鳥類基因組計(jì)劃第二階段的一項(xiàng)重要研究成果，重建了現(xiàn)生鳥類演化的生命之樹，不僅提出了新的分類方案，也厘清了現(xiàn)生鳥類各類群之間的關(guān)系。相關(guān)論文發(fā)表于《自然》。
科階元基因組揭示鳥類演化復(fù)雜性。Jon Fjeldsa?、Josefin Stiller和陳光霽繪
鳥類大爆發(fā)成“難題制造機(jī)”
目前，現(xiàn)生鳥類有超過一萬種，在生物分類學(xué)上屬于鳥綱中的新鳥亞綱，大致可以分為古顎類和今顎類兩個(gè)主要類群。
古顎類里包含了大量無法飛行的鳥類；今顎類則可以進(jìn)一步分為雞雁小綱與新鳥小綱兩大分支，前者包括了人們熟悉的雞、鴨和雁等，而后者則是當(dāng)今鳥類的主體，她包括了95%的現(xiàn)生鳥類。
論文通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心的講席教授張國捷介紹，新鳥小綱在歷史上曾經(jīng)經(jīng)歷了快速的物種大爆發(fā)，在不到1千萬年里分化出了大量新的鳥類類群，基本奠定了當(dāng)下全球鳥類物種多樣性的格局。
“輻射性演化帶來快速的物種多樣化，使得研究新鳥小綱各個(gè)類群間的演化關(guān)系變得極具挑戰(zhàn)性，導(dǎo)致對(duì)現(xiàn)生鳥類的分類在‘目’和‘科’級(jí)別上及其混亂，缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。”張國捷指出。
快速的輻射性演化是祖先物種在較短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)出多個(gè)物種類群的過程。論文共同作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心研究員馮少鴻解釋，之所以會(huì)出現(xiàn)類群間親緣關(guān)系判定難題，是因?yàn)樵谶@個(gè)過程中，存在的基因不完全譜系分流、分化后跨物種雜交等現(xiàn)象。因此，尋找合理有效的分析位點(diǎn)因此變得尤為重要。
2020年，國際鳥類基因組聯(lián)盟在《自然》發(fā)表成果，通過建立不依賴參考基因組的全基因組序列比對(duì)方法，構(gòu)建了363種鳥類全基因組同源序列，覆蓋了92%的現(xiàn)生鳥類科階元，為解析鳥類“科”級(jí)別系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系提供了可能。
革新鳥類生命之樹
在過去的一百多年里，鳥類系統(tǒng)分類學(xué)的研究人員通過不同數(shù)據(jù)類型，比如形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)、線粒體數(shù)據(jù)、少量蛋白質(zhì)編碼基因序列數(shù)據(jù)和鳥類物種基因組數(shù)據(jù)等等，對(duì)新鳥小綱主要類群之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系，提出了各種各樣的觀點(diǎn)，也產(chǎn)生了許多爭議。
“我們的研究校正了前人研究的認(rèn)識(shí)誤區(qū)，對(duì)之前認(rèn)為的演化關(guān)系進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整。”論文共同作者、中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生陳光霽介紹，此次新的分類方案在新鳥小綱內(nèi)劃分出四個(gè)主要的演化支，除了已有的奇跡鳥類、鴿鴇類、陸鳥類，還提出了一個(gè)全新類群——元素鳥類。
元素鳥類既包括了主要在水域活動(dòng)的企鵝、潛鳥、信天翁等鷺形類和鶴形類鳥類，也包括了主要在陸地活動(dòng)的麝雉等，以及更擅長在天空活動(dòng)的夜鷹和雨燕等夜鷹目鳥類。因?qū)?yīng)水、土和氣三種元素而得名。
過去的研究是把這幾類鳥類分散在不同的演化分支里，但這項(xiàng)研究表明，它們其實(shí)來自于一個(gè)單系群，也就是由相同的祖先分化而來。
除了分類關(guān)系，早期新鳥類經(jīng)歷的快速輻射性演化發(fā)生的時(shí)間也一直備受爭議。鳥類起源和約6600萬年前的恐龍滅絕事件有關(guān)，但到底是在滅絕事件之前還是之后，學(xué)界形成了兩種截然不同的觀點(diǎn)。
“大規(guī)模幸存”假說認(rèn)為，新鳥類群的輻射性演化發(fā)生這一大滅絕事件之前，也就是說，新鳥類先發(fā)生了快速輻射演化，然后多個(gè)新鳥類類群在隕石撞擊引起的全球變化中幸存了下來。
另一種“大爆炸”假說則認(rèn)為，新鳥類群的快速分化發(fā)生在大滅絕事件之后，得益于大滅絕事件空置出來的生態(tài)位，早期的新鳥類發(fā)生了快速的輻射適應(yīng)演化。
“我們構(gòu)建的鳥類系統(tǒng)發(fā)育時(shí)間樹支持的是‘大爆炸’假說。”馮少鴻表示，研究還發(fā)現(xiàn)，在大滅絕事件后，早期新鳥類的有效種群大小發(fā)生了急劇擴(kuò)張，堿基替換率和相對(duì)腦容量急劇上升，體重則急劇降低。“這也進(jìn)一步支持了新鳥類的多樣化是適應(yīng)新興生態(tài)位而發(fā)生快速輻射性演化的結(jié)果。”
解決演化難題，提高有效數(shù)據(jù)量更關(guān)鍵
這項(xiàng)研究為了厘清了現(xiàn)生鳥類各類群之間的關(guān)系，解決爭議問題，采用了一種比較有挑戰(zhàn)性的方案來構(gòu)建生命之樹。
陳光霽解釋，在構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的傳統(tǒng)研究中，編碼蛋白質(zhì)的序列和超保守元件等保守的基因組區(qū)域常常被選為構(gòu)樹的數(shù)據(jù)來源。但這些保守區(qū)域受到維持蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)和功能的選擇壓力，展現(xiàn)出了極為復(fù)雜的演化模式。“我們認(rèn)為，受到選擇壓力較低的區(qū)域可能是更為適宜的研究材料，比如基因間區(qū)序列。”
于是，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了大規(guī)模跨越多物種的全基因組綜合的基因間區(qū)數(shù)據(jù)集用于解析鳥類系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系之謎。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在361個(gè)鳥類祖先演化節(jié)點(diǎn)中，大約89%可以通過少量的基因間區(qū)序列得到解析，少部分的祖先節(jié)點(diǎn)可以通過增加數(shù)據(jù)量的方案得到可信的演化發(fā)育關(guān)系，還有極少量的復(fù)雜節(jié)點(diǎn)，即使增加數(shù)據(jù)量仍然難以解出穩(wěn)定可信的演化發(fā)育關(guān)系。
此外，在對(duì)比增加物種數(shù)量與增加數(shù)據(jù)量的方案中，研究團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，提高有效數(shù)據(jù)量比提高物種數(shù)量更為關(guān)鍵。
“從我們的研究可以看出，基因間區(qū)序列是進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系重構(gòu)分析中更為理想的選擇。而且，在大規(guī)模大尺度演化研究中，相較于增加物種采樣量，充足的有效數(shù)據(jù)量對(duì)于解決困難節(jié)點(diǎn)的復(fù)雜演化歷程至關(guān)重要。”陳光霽在分享研究經(jīng)驗(yàn)時(shí)談道。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07323-1
本文鏈接：鳥類家譜被重寫！物種大爆發(fā)證實(shí)在恐龍滅絕后http://m.sq15.cn/show-11-4563-0.html
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