近日，我國科學(xué)家發(fā)起并作為主要參與方的萬種鳥類基因組計劃發(fā)布了第二階段的關(guān)于鳥類生命之樹的研究成果。
該研究重建了現(xiàn)生鳥類演化的生命之樹，厘清了現(xiàn)生鳥類各類群之間的關(guān)系，提出了新的分類方案，解決了鳥類類群關(guān)系長達(dá)一個多世紀(jì)的爭議，為正確理解鳥類物種演化及復(fù)雜性狀演化奠定了堅實基礎(chǔ)。該成果已發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》上。
梳理鳥類演化關(guān)系是極大的挑戰(zhàn)
現(xiàn)生的鳥類有超過一萬種，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主要的類群。
古顎類里包含了大量無法飛行的鳥類，如非洲的鴕鳥、澳洲的鴯鹋和新西蘭的鷸鴕等。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，前者包括雞、鴨和雁等，后者則是當(dāng)今鳥類的主體，包括了95%的現(xiàn)生鳥類。
鳥類是恐龍的后裔，所有其他類群的恐龍在白堊紀(jì)末期的大滅絕事件中走向了終結(jié)，但鳥類卻出現(xiàn)了物種快速繁衍和分化。根據(jù)過去的研究，在不到1千萬年里，新鳥類的祖先分化出大量的新的類群，基本奠定了當(dāng)下新鳥小綱近萬種鳥類的物種多樣性格局。
在過去100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，例如形態(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，對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，也產(chǎn)生了許多爭議。
據(jù)論文通訊作者、浙江大學(xué)生命演化研究中心講席教授張國捷介紹，由于分化時間很短，研究人員梳理各種鳥類的演化地位以及不同類群之間關(guān)系面臨極大挑戰(zhàn)，導(dǎo)致對現(xiàn)生鳥類的分類在“目”和“科”級別上極其混亂，缺乏統(tǒng)一的認(rèn)識。
快速的輻射性演化是祖先物種在較短時間內(nèi)爆發(fā)出多個物種類群的過程。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表示，在這個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，會使類群間的親緣難以判定。
據(jù)介紹，本次研究以更為合理的全基因組范圍篩選的基因間區(qū)比對序列數(shù)據(jù)集重新構(gòu)建了現(xiàn)生鳥類的系統(tǒng)發(fā)育樹，研究校正了前人研究的認(rèn)識誤區(qū)，對之前認(rèn)為的演化關(guān)系進(jìn)行了較大幅度的調(diào)整，新的分類方案將新鳥小綱內(nèi)劃分出四個主要的演化支，包括奇跡鳥類、鴿鴇類、陸鳥類和一個本研究提出的全新類群。
這個新的類群被稱為“元素鳥類”，既包括了主要在水域活動的企鵝、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的麝雉等，還有更擅長在天空活動的夜鷹和雨燕等夜鷹目鳥類；對應(yīng)水、土和氣三種古典元素，因此得名。過去的研究將這幾類鳥類分散在不同的演化分支里，但這項研究結(jié)果表明它們其實來自于一個單系群，也就是由相同的祖先分化而來。
基因間區(qū)序列成為更理想的選擇
新鳥類發(fā)生輻射性演化的時間也存在較大爭議。之前的分子生物學(xué)研究可以推定這一事件發(fā)生在白堊紀(jì)末期那次大滅絕事件附近，但是不能判定是發(fā)生在大滅絕之前還是之后。
馮少鴻表示，“我們構(gòu)建的鳥類系統(tǒng)發(fā)育時間樹，支持大量的新鳥類群是在白堊紀(jì)-古近紀(jì)界線后發(fā)生快速的輻射性演化的觀點。此外，我們還發(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，堿基替換率和相對腦容量急劇上升，而體重急劇降低等一系列變化。這也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假說?！?/p>
據(jù)他介紹，研究人員還定位了鳥類的另一個輻射性演化事件，這一事件發(fā)生在古近紀(jì)-新近紀(jì)界線之后，距今大約2240萬年，結(jié)果導(dǎo)致了雀形目鳥類成為了現(xiàn)代鳥類的第一大類群。這個類群目前有超過6000個物種。
在傳統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系研究中，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。而受到選擇壓力較低的區(qū)域可能是更為適宜的研究材料。
論文共同作者、中國科學(xué)院大學(xué)博士研究生陳光霽告訴記者，“基因間區(qū)序列可能是更為理想的選擇。我們的研究印證了這一猜想。相比增加物種數(shù)量與增加數(shù)據(jù)量的方案，提高有效數(shù)據(jù)量對解決過去的部分分支的分類難題更為關(guān)鍵。”
研究團(tuán)隊比較了不同類型的序列對系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系的影響，發(fā)現(xiàn)編碼蛋白質(zhì)的外顯子序列確實帶來了最為明顯的差異偏倚。以外顯子基因組序列構(gòu)建的物種樹與基因間區(qū)序列構(gòu)建的物種樹在內(nèi)支上存在38處差異，而其他數(shù)據(jù)類型則只有6-7處差異。
外顯子樹還表現(xiàn)出更低的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一致性，且更容易受到抽樣到不同基因序列而帶來的偏差，以及抽樣數(shù)據(jù)量多少的影響。這一結(jié)果再次佐證了基因間區(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。
“通過生命之樹，我們不僅可以理解一個物種或者生物類群在何時起源、如何起源，以及起源后的演化歷史，而且還為我們理解生物學(xué)現(xiàn)象和功能的起源和演化歷史提供了可能。”張國捷說，此次提出的新的“科”級別鳥類生命之樹為我們理解所有現(xiàn)生一萬多種鳥類的演化過程提供了基礎(chǔ)性的分類框架，為理解全面生物多樣性格局的建立奠定了基礎(chǔ)。
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