Nature | 中心重大突破：张国捷团队揭示鸟类辐射演化过程
Nature | 中心重大突破：张国捷团队揭示鸟类辐射演化过程
原创 陈光霁&谢宇龙 ZJU生命演化研究 2024-04-02 07:16 浙江
鸟类新的系统发育关系
引言
2024年4月2日，由浙江大学生命演化研究中心张国捷教授联合国内外学者发起的万种鸟类基因组计划（Bird 10K Genomes project, B10K）发布了第二阶段的关于鸟类生命之树的研究成果。该研究以2020年团队在Nature发布的363种鸟类的全基因组比对数据为基础，重构并革新了现生鸟类的系统发育树，厘清了现生鸟类各类群之间的关系，提出将现生鸟类最大的类群新鸟小纲分为奇迹鸟类、鸽鸨类、陆鸟类、和全新确立的元素鸟类四个分支的新的划分方案，解决了鸟类类群关系长达一个多世纪的争议，为正确理解鸟类物种演化及复杂性状演化提供了坚实基础。该研究已经以“Complexity of avian evolution revealed by family-level genomes（科阶元基因组揭示鸟类演化复杂性）”为题，发表于Nature杂志。
科阶元基因组揭示鸟类演化复杂性（Jon Fjeldså、Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
01
革新现生鸟类系统发育树
现生的鸟类有一万多种，在生物分类学上被归入了鸟纲（Aves）中的新鸟亚纲（Neornithes），大致可以分为古颚下纲（Palaeognathae）和今颚下纲（Neognathae）两个主要的类群。而在古颚下纲里则包含了大量我们熟知的无法飞行的鸟类，比如非洲的鸵鸟、澳洲的鸸鹋（ér miáo）、新西兰的鹬鸵（yù tuó），还有南美洲的大美洲鸵与具有飞行能力的䳍（gōng）鸟等等。今颚下纲则可以进一步分为鸡雁小纲（Galloanseraes）与新鸟小纲（Neoaves）两大分支。就如其名，鸡雁小纲由鸡形目和雁形目共同构成，包括了我们熟悉的鸡、鸭和雁等。所有其他现生近万种鸟类则都隶属于新鸟小纲，也被称为新鸟类。新鸟类是当今鸟类的主体, 95%现生鸟类都属于新鸟类。
鸟类在恐龙大灭绝事件后快速繁衍和分化（陈星、刘野、UnexpectedDinoLesson、Jon Fjeldså等绘）
鸟类是恐龙的后裔，所有其他类群的恐龙在白垩纪末期的大灭绝事件中走向了终结，但鸟类却出现了物种快速繁衍和分化。根据过去的研究，在短短不到1千万年里，新鸟类的祖先分化出大量的新的类群，基本奠定了当下新鸟小纲近万种鸟类的物种多样性格局。相比人类所属的大猿类在1千8百万年里已知分化出大约70-80个物种（现今仅存8个物种）。辐射性演化带来快速的物种多样化，也使得研究新鸟小纲各个类群间的演化关系变得极具挑战性。生命之树是理解物种演化的关键，是理解复杂性状多样化、生物多样性的重要基石。在过去一百多年里，鸟类系统分类学的研究人员通过不同数据类型，例如形态学数据、线粒体数据、少量蛋白质编码基因序列数据和鸟类物种基因组数据等等，对新鸟小纲主要类群之间的系统发育关系，提出了各种各样的观点，也产生了许多争议。这也使得新鸟小纲内部的演化关系成为鸟类系统发育尚未厘清的重要问题之一。
本次研究以更为合理的全基因组范围筛选的基因间区比对序列数据集重新构建了现生鸟类的系统发育树，提供了一套新的鸟类分类划分方案。
新的鸟类生命之树将新鸟小纲划分为四大分支。第一个分支是以火烈鸟与䴙䴘（pì tī）为代表的奇迹鸟类（火烈鸟总目，Phoenicopterimorphae）。第二大分支是包含了鸽、鸨与杜鹃的鸽鸨类（Columbaves）。第三大分支是囊括了南鸟类（Australaves）和非洲禽类（Afroaves ）的陆鸟类（Telluraves），前者包括雀鸟、鹦鹉、叫鹤和隼等，后者包括海雕、鹰、美洲鹰以及鸱鸮（chī xiāo）和啄木鸟等。
新的鸟类系统发育关系示意图。左图为新的系统发育关系，右图为以往的系统发育关系，虚线与色块线条表示新旧系统发育关系的之间的变化（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
第四大分支是由这次研究提出了全新的类群，元素鸟类（Elementaves），这个命名源自拉丁语中的 elementum（元素）和 aves（鸟）。元素鸟类既包括了主要在水域活动的企鹅、潜鸟、信天翁等鹭形类（Phaethoquornithes）、鹤形类（Cursorimorphae）鸟类，也包括了主要在陆地活动的麝雉等，还有更擅长在天空活动的夜鹰和雨燕等夜鹰目（Caprimulgiformes）鸟类；对应水、土和气三种古典元素，因此得名。
元素鸟类被确认为新的单系群，分类划分变化示意图。左图为新的系统发育关系，右图为以往的系统发育关系，色块线条标注了这些类群在新分类方案和过去分类方案之间的变化，虚线表示在更高阶层的类群关系存在差异（Jon Fjeldså、Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
在元素鸟类中，具有翼爪这一返祖特征的麝雉所在麝雉目（Opisthocomiformes），一直以来存在分类地位不确定以及系统发育位置不明确的问题，依据新的鸟类生命之树，麝雉目与鹤形总目（Cursorimorphae）的鸟类亲缘关系更为相近。而包含了夜鹰、雨燕和蜂鸟的夜鹰目也从新鸟小纲基部类群，被重新划定为与鹭形类具有更近的亲缘关系。
与此同时，通过这项研究，奇迹鸟类（Phoenicopterimorphae）作为新鸟类的基部类群的系统发育位置得以重新确认。此类鸟因其外表华丽与行为奇异而闻名，但其系统发育位置也时常引起争论。如火烈鸟曾被错误地归进今颚下纲的各种分支里，例如：鸭类和鹳形目等；相似地，䴙䴘则曾被错误地分类进潜鸟目；奇迹鸟类也因其水边栖息的生活习性等因素，被错误的认为与滨鸟以及鹭形类鸟类亲缘关系更近。依据新的鸟类生命之树，奇迹鸟类被划分为新鸟小纲的基部类群，是其他所有新鸟类的姐妹群。
奇迹鸟类地位的重新确立示意图。左图为新的系统发育关系，右图为以往的系统发育关系，虚线与色块线条表示新旧系统发育关系的之间的变化（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
鸽鸨类中鸨形总目（Otidimorphae）内部类群的演化关系得以重新梳理。鸨形总目包含了大鸨所属的鸨形目（Otidiformes）、以杜鹃为代表的鹃形目（Cuculiformes）、和非洲特有的蕉鹃鸟所在的蕉鹃目（Musophagiformes）三个大类群。这三个类群之间的系统发育关系也一直具有争议，新的鸟类生命之树不再支持过去认为鸨形目鸟类与蕉鹃目鸟类亲缘关系更近的观点，而是支持鸨形目鸟类应当与鹃形目鸟类亲缘关系更近，再与蕉鹃目鸟类共同组成鸨形总目的观点。
鸨形总目系统发育关系的重新划分示意图。左图为新的系统发育关系，右图为以往的系统发育关系，虚线表示新旧系统发育关系的之间的变化（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
而在陆鸟类非洲禽类中的鹰形目（Accipitriformes）鸟类的系统发育位置也被修订。长期以来，以鹰为代表的鹰形目与以猫头鹰为代表的鸮形目（Strigiformes）的亲缘关系一直以来存在着许多争议。有观点认为这两类猛禽应当组成鹰形总目，而另一些数据观点则支持将鹰形目划归为非洲禽类（Afroaves）的外群物种。鹰形目的分类位置的确认在新构建的鸟类生命之树中也遇到了较大的困难，尽管在数据分析中使用了较大的数据量，仍然难以完美地解开鹰形目鸟类的系统发育位置。依据现有数据结果，研究团队给出鹰形目鸟类与鸮形目鸟类的亲缘关系更近，划归进非洲禽类分支的划分方案。
鹰形目系统发育位置的重新划分示意图。左图为新的系统发育关系，右图为以往的系统发育关系，虚线表示新旧系统发育关系的之间的变化（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
此外，研究也对古颚下纲（Palaeognathae）内部类群关系的重新梳理。在古颚下纲这类无法飞行的鸟类中，因存在复杂的演化事件，之前的研究将以大美洲鸵为代表的美洲鸵鸟目（Rheiformes）与以鸸鹋为代表的鹤鸵目（Casuariiformes）的演化位置经常无法确定。依据新的鸟类生命之树，大美洲鸵（又称三趾鸵鸟）所在的美洲鸵鸟目与䳍鸟所属的䳍形目（Tinamiformesas）鸟类亲缘关系更为相近；鸸鹋为代表的鹤鸵目与以鹬鸵（Kiwi, 也称几维鸟）所属的无翼鸟目(Apterygiformes, 也称鹬鸵目)的亲缘关系更近；非洲鸵鸟所属鸵鸟目（Struthioniformes）为古颚下纲的基部类群。
古颚下纲系统发育关系的重新划分示意图。左图为新的系统发育关系，右图为以往的系统发育关系，虚线与色块线条新旧系统发育关系的之间的变化（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
02
解决演化难题，更需要提高有效数据量
为何现生鸟类各个类群之间的演化关系长期悬而未决，成为构建生命之树的代表性难题。其重要的原因在于新鸟小纲短时间内经历了快速物种分化。具体说来，快速的辐射适应演化是祖先物种在较短时间内因适应新兴生态位而爆发出多个物种类群，因其在多样化分化过程中存在的不完全谱系分流、分化后出现跨物种杂交现象，使得分化后的物种类群亲缘关系混乱。不完全谱系分流（incomplete lineage sorting, ILS）是指祖先基因多态性在后代中随机保留而造成通过部分位点分析获得的系统发育关系会与真实的演化历史不一致的现象，在快速的辐射适应中尤为常见。基因渐渗（introgression）则是指近缘物种或者分化不完全的物种间在历史上发生了杂交而造成的遗传物质互换现象，也会造成系统发育关系分析结果与真实的演化历史也会出现不一致的现象。
为此，如此众多短时间内分化出来的类群之间的演化关系，寻找合理有效的分析位点因此变得尤为重要。国际鸟类基因组联盟组织发起万种鸟基因组计划旨在构建所有现生鸟类基因组图谱，从全基因组水平构建所有现生鸟类物种的生命之树。2020年，研究团队以封面文章发表在Nature的成果，通过建立不依赖参考基因组的全基因组序列比对方法，构建了363种鸟类全基因组同源序列，覆盖了92%的现生鸟类科阶元，为解析鸟类“科”级别系统发育关系提供了可能。
快速辐射性演化、不完全谱系分流、基因渐渗等现象会在重构鸟类系统发育时产生误导的示意图。上图为演化过程，下图为对应的误导现象。（谢宇龙绘）
在传统构建系统发育关系的研究中，编码蛋白质的序列（外显子）和超保守元件（Ultraconserved Elements, UCEs）等保守的基因组区域常被选用为构树的数据来源。但这些保守区域因为受到维持蛋白质结构和功能的选择压力，展现出了极为复杂的演化模式。加上，通用的系统发育模型在这些区域的适合度较差，无法用统一的模型对这类数据构建出稳定支持的系统发育关系。因此，较低选择压力的基因组区域，如基因的内含子区域和基因间的区域会是比较好的研究材料。但相较于基因间区序列，内含子序列因为与受强烈选择压力的外显子区域相连而存在连锁效应（“搭便车”效应），从而影响了系统发育关系的重构。因此，基因间区序列可能是进行系统发育关系重构分析中更为理想的选择。
经过长时间的比较、测试和讨论，研究团队选择了最具说服力且最具挑战性的方案：构建大规模跨越多物种的全基因组综合的基因间区数据集用于解析鸟类系统发育关系之谜。研究团队分析了近千亿个碱基（每种物种约275 Mb），最终采用了对全基因组进行均匀间隔抽样，在每10 kb的窗口的前端选择1 kb的基因间区比对序列，在最大程度地保留系统发育信息的同时，平衡窗口内的由于重组带来的偏差。在经过去除与外显子和内含子区域重叠的窗口后，共得到63,430个1kb基因间区比对序列。
在分析过程中，研究团队进一步验证了研究思路的可靠性。
研究团队发现，在361个鸟类祖先演化节点中，大约89%（321个）可以通过少量的基因间区序列得到解析，少部分（30个）的祖先节点可以通过增加数据量的方案得到可信的演化发育关系，但有大约2.8%（10个）极为少量的复杂节点（如鹰形目与鸮形目），即使增加数据量仍然难以解出稳定可信的演化发育关系。此外，在对比增加物种数量与增加数据量的方案中，研究团队发现，提高有效数据量比提高物种数量更为关键。这也意味着，要解开存在争议的复杂节点的演化历程，充足的有效数据量至关重要。
增加数据量使得复杂节点的拓扑结构逐渐趋于稳定（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
研究团队比较了不同类型的序列对系统发育关系的影响，发现编码蛋白质的外显子序列确实带来了最为明显的差异偏倚。以外显子基因组序列构建的物种树（外显子树）与基因间区序列构建的物种树在内支上存在38处差异，而其他数据类型则只有6-7处差异。外显子树还表现出更低的拓扑结构一致性，且更容易受到抽样到不同基因序列而带来的偏差，以及抽样数据量多少的影响。这一结果再次佐证了基因间区序列是进行系统发育关系重构分析中更为理想的选择。
外显子序列构建系统发育树的不稳定性与不饱和情况。相较于基因间区、内含子、超保守元件，通过增加数据量的手段，以外显子序列构建的系统发育树与参考物种树之间仍然存在较大差异（上图）；在接近最大数据量的情况下，以外显子序列构建的系统发育关系仍然不稳定，说明了其数据量仍然处于不饱和状态（下图）。（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
03
追溯鸟类辐射性演化的大事件
早期新鸟类经历的快速辐射性演化事件诞生了现生鸟类数十个主要类群，但这次辐射性演化发生时间却一直备受争论。目前，对这一事件发生在导致恐龙大灭绝的白垩纪-古近纪（K–Pg）灭绝事件界线之前还是之后仍然存在很大的争议。如果在大灭绝之前鸟类就已经发生了辐射演化，那说明过去提出的新生态位的出现是鸟类辐射演化重要前提的假说可能存在错误。
发生于白垩纪-古近纪界限的（K–Pg）的恐龙大灭绝事件。（刘野绘）
“大规模幸存”假说（mass survival）认为新鸟类群的辐射性演化发生这一大灭绝事件之前，也就是新鸟类先发生了快速辐射演化，然后多个新鸟类类群在希克苏鲁伯（Chicxulub）陨石撞击引起的全球变化中幸存下来。而另一种“大爆炸”假说（big bang）则认为新鸟类群的快速分化是发生在大灭绝事件之后，也就是得益于大灭绝事件空置出来的生态位，早期的新鸟类发生了快速的辐射适应演化。现有的化石证据更加支持后一种观点。而早先开展的小范围的基因分子相关研究，尽管为新鸟类群快速分化这一事件的存在提供了证据，但也因其估算的分化时间范围较为宽泛，无法为新鸟类分化发生在大灭绝事件之前还是之后提供明确的结论。
基于本次研究构建的鸟类系统发育时间树，支持大量的新鸟类群是在白垩纪-古近纪界线后发生了快速的辐射性演化这一观点。除此之外，本研究还发现，在大灭绝事件之后，早期新鸟类的有效种群大小发生了急剧扩张，碱基替换率和相对脑容量急剧上升，而体重急剧降低的一系列变化。这也支持了新鸟类的多样化是适应新兴生态位而发生快速辐射性演化的假说。
K-Pg灭绝事件后鸟类碱基替换率、体重和相对脑容量急剧变化（Josefin Stiller 和 陈光霁绘）
04
结论
研究团队利用363只鸟类的全基因组数据覆盖92%的科阶元，以基因间区比对序列重新构建并革新了现生鸟类的系统发育树，为厘清鸟纲类群的分类关系提出了一套新的划分方案。研究通过比较分析提出，基因间区序列可能更适宜用于系统发育研究，并为后续大规模大尺度演化研究提供宝贵的经验：“相较于增加物种采样量，充足的有效数据量对解决困难节点的复杂演化历程至关重要”。研究结果也进一步支持，大量的新鸟类群经历的快速的辐射性演化发生于白垩纪-古近纪（K–Pg）物种大灭绝事件界线后，并揭示了雀形目鸟类在古近纪-新近纪（Paleogene-Neogene）界线之后也经历了快速的辐射性演化。
论文信息
论文标题：Complexity of avian evolution revealed by family-level genomes
上线时间：2024年4月2日
发表期刊：Nature
DOI: 10.1038/s41586-024-07323-1
URL: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07323-1
作者署名：浙江大学生命演化研究中心张国捷教授，美国加州大学圣迭戈分校Siavash Mirarab副教授与张国捷课题组前博士后、现任哥本哈根大学助理教授Josefin Stiller博士为文章的通讯作者。哥本哈根大学助理教授Josefin Stiller为文章第一作者。浙江大学生命演化研究中心及冯少鸿研究员、博士研究生谢宇龙、硕士研究生黄子健、中国科学院大学博士研究生陈光霁、硕士研究生高榕声为文章共同作者。该项目获得了良渚实验室、浙江大学长三角智慧绿洲创新中心等平台的大力支持，受到了新基石基金会“科学探索奖”、浙江省“鲲鹏行动”计划、中国科学院战略性先导科技专项、中国科学院国际大科学计划培育专项、中央高校基本科研业务费专项资金、国家自然科学基金等的资助。
万种鸟类基因组计划(B10K)介绍
万种鸟类基因组计划（B10K）由浙江大学生命演化研究中心张国捷教授联合丹麦哥本哈根大学M. Thomas P. Gilbert教授、美国洛克菲勒大学Erich D. Jarvis教授、中国科学院北京动物研究所雷富民研究员、丹麦哥本哈根大学Carsten Rahbek教授、史密森学会国家自然历史博物馆Gary R. Graves教授，及深圳华大生命科学研究院和国内外多个自然历史博物馆、研究中心共同发起的国际联合攻关项目。
万种鸟基因组计划（B10K）旨在构建所有现生约10500种鸟类的基因组图谱，将从全基因组水平构建所有现生鸟类物种的生命之树，解码动物遗传变异和性状差异之间的联系，揭示分子演化和生物地理学及生物多样性之间的关系，评估环境气候及人类活动对物种演化过程及生物多样性的影响，并且揭示整个鸟纲物种的种群变化历史。此前B10K项目已有数十篇重要文章产出，包括2014年在Science杂志以专刊形式发表8篇工作，2020年以封面形式发表2篇工作。更多信息可访问万种鸟基因组计划（B10K）官方网站https://b10k.com.
