动物所白明研究团队提出表型进化速率测度新方法并评估了金龟子功能形态演化历程

辐射演化导致谱系之间广泛的分支形成、快速分化和适应性进化。分子生物学的发展,已经形成了遗传分化速率的可靠测度方法体系。遗传分化的结果是以能够适应环境、具有特定功能的表型而呈现出来的。表型多样性在一定程度上代表了遗传多样性和进化优势,然而表型进化速率的定量测度方法至今没有建立。造成这个局面的原因是由于进化枝在连续的历史分化过程中的不稳定轨迹和各种选择压力的影响,连续时间尺度上的形态学数据的缺失导致类群的宏观演化模型仍然存在争议,进而表型进化与选择压力之间的关系无法得到精准解读。

近日,中国科学院动物研究所白明研究团队的一篇发表在自然出版集团《通讯生物学》(Communications Biology)的文章结合大数据、定量形态学和系统发育学,提出了一个表型进化速率的定量测度新方法,实现了在连续历史时空尺度上定量解析表型变化规律,开启了生物分支演化格局与驱动因素关系评估的新研究范式。本研究以演化过程中产生复杂形态信息和多样食性的金龟科昆虫为例,主要开展了三个方面的研究:1)四个具有重要生态功能的表型特征(上颚、前胸背板、鞘翅、后翅)在不同食性(粪食性、植食性、杂食性)的金龟子类群中的形态分化格局研究(图一);2)通过计算时间尺度上连续分支节点之间的表型特征在形态空间中的差异,建立了一个表型进化速率分析新指标——形变速率(DR,deformation ratio index),该指标可以用于探索表型变化与选择压力之间的相关性;3)由于不同表型特征的形变速率无法直接比较,故本研究对不同表型特征在连续时间轴上的形变速率进行了归一化处理,进而建立了另一个表型进化速率分析新指标——环比增长率(SGR,sequential growth rate),实现了不同表型特征的横向比较。

利用新方法,本研究首先发现了在晚侏罗纪和白垩纪时期,金龟子四个表型特征具有相同的形态演变规律,并为粪食性金龟子与哺乳动物协同进化假说提供了支持(图二)。第二,通过评估选择压力与表型特征的古生态功能耦合关系,发现了在白垩纪时期金龟子鞘翅的形变幅度最大,这与先前认为上颚对古生态变化响应程度最高的观点不同(图三)。第三,发现金龟科昆虫并不是随着古近纪被子植物的崛起突然成为优势类群,而是早在白垩纪被子植物发生时就出现了表型上的响应,呈现出表型特征微小且持续定向演化,这从定量形态学的角度解释了有利的遗传特征逐渐在物种中积累从而发生定向进化的现象。本研究通过比较不同功能特征的多样性来解释生物的宏观演化模式,为研究物种兴衰和选择压力间的作用机制提供新的视角。

该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院动物研究所自主部署项目、国家科技基础资源调查项目、东北亚生物多样性研究中心项目等的资助。中国科学院动物研究所助理研究员佟一杰博士为第一作者,中国科学院动物研究所白明研究员为通讯作者,中国科学院动物研究所助理研究员路园园博士、宁夏大学在读博士生田哲豪、中国科学院动物研究所/广东省科学院动物研究所杨星科研究员参与了该研究。

文章链接:https://doi.org/10.1038/s42003-024-06250-1

图一 金龟科不同食性类群的形态特征分化

图二??选择压力与金龟子四个表型特征的古生态功能耦合关系

图三 金龟子四个表型特征的形变环比增长率的变化情况

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