鸟类基因组及演化生物学研究

48只鸟系统发育分析

文章引用

Erich D. Jarvis, Siavash Mirarab, Andre J. Aberer, Bo Li, Peter Houde, Cai Li, Simon Y. W. Ho, Brant C. Faircloth, Benoit Nabholz, Jason T. Howard, Alexander Suh, Claudia C. Weber, Rute R. da Fonseca, Jianwen Li, Fang Zhang, Hui Li, Long Zhou, Nitish Narula, Liang Liu, Ganesh Ganapathy, Bastien Boussau, Md. Shamsuzzoha Bayzid, Volodymyr Zavidovych, Sankar Subramanian, Toni Gabaldón, Salvador Capella- Gutiérrez, Jaime Huerta-Cepas, Bhanu Rekepalli, Kasper Munch, Mikkel Schierup, Bent Lindow, Wesley C. Warren, David Ray, Richard E. Green, Michael Bruford, Xiangjiang Zhan, Andrew Dixon, Shengbin Li, Ning Li, Yinhua Huang, Elizabeth P. Derryberry, Mads Frost Bertelsen, Frederick Sheldon, Robb T. Brumfield, Claudio Mello, Peter V. Lovell, Morgan Wirthlin, José Alfredo Samaniego, Amhed Missael Vargas Velazquez, Alonzo Alfaro-Núñez, Paula F. Campos, Bent Petersen, Thomas Sicheritz-Ponten, An Pas, Tom Bailey, Paul Scofield, Michael Bunce, David Lambert, Qi Zhou, Polina Perelman, Amy C. Driskell, Beth Shapiro, Zijun Xiong, Yongli Zeng, Shiping Liu, Zhenyu Li, Binghang Liu, Kui Wu, Jin Xiao, Xiong Yinqi, Qiuemei Zheng, Yong Zhang, Huanming Yang, Jian Wang, Linnea Smeds, Frank E. Rheindt, Michael Braun, Jon Fjeldsa, Ludovic Orlando, Keith Barker, Knud Andreas Jønsson, Warren Johnson, Klaus-Peter Koepfli, Stephen O'Brien, David Haussler, Oliver A. Ryder, Carsten Rahbek, Eske Willerslev, Gary R. Graves, Travis C. Glenn, John McCormack, Dave Burt, Hans Ellegren, Per Alström, Scott V. Edwards, Alexandros Stamatakis, David P. Mindell, Joel Cracraft, Edward L. Braun, Tandy Warnow, Wang Jun, M Thomas P Gilbert, and Guojie Zhang, 'Whole Genome Analyses Resolve the Early Branches to the Tree of Life of Modern Birds', Science (2014).

英文摘要

To better determine the history of modern birds, we performed a genome-scale phylogenetic analysis of 48 species representing all orders of Neoaves using phylogenomic methods created to handle genomescale data. We recovered a highly resolved tree that confirms previously controversial sister or close relationships. We identified the first divergence in Neoaves, two groups we named Passerea and Columbea, representing independent lineages of diverse, and convergently evolved, land and water bird species. Among Passerea we infer the common ancestor of core landbirds to have been an apex predator, and confirm independent gains of vocal learning. Among Columbea we identify pigeons and flamingoes as belonging to sister clades. Even with whole genomes, some of the earliest branches in Neoaves proved challenging to resolve, which was best explained by massive protein coding sequence convergence and high levels of incomplete lineage sorting that occurred during a rapid radiation following the K-Pg mass extinction event about 66 million years ago.

文章解读

鸟类的新生命之树

文/郑秋梅等人

麝雉是类似野鸡的热带鸟,于1776年被德国科学家Statius Müller描述并命名,然而它的分类地位却一直备受争议。1979年,James L. Peters等人的研究却认为麝雉应该属于鸡形目。1990年,Charles G. Sibley 和 Burt L. Monroe的研究认为麝雉属于鹃形目。2006年, Bradley C. Livezey和Richard L. Zusi的研究则觉得应该自成一目,称作麝雉目。

麝雉的这种“尴尬”局面只是鸟类分类学中的一个普通例子。因为鸟类在早期演化历史上经历了一次辐射性的物种大爆发,爆发的时间很短,使得现存鸟类的演化关系难以区分。虽然研究者众多,在2010年前,2/3以上的目、科分类级别关系混乱。如何构建可靠的鸟类生命之树是鸟类生物学甚至整个生物演化学科所面临的一个巨大挑战。

为了破解鸟类分类学这个“历史悬案”,2010年,一个由中国、美国、丹麦等多个国家研究者组成的研究团队选取了具有代表性的48种鸟类(覆盖了鸟类几乎所有的目)进行全基因测序,期望利用全基因组的信息来构建鸟类的演化树。历时4年,这项研究的成果最近发表在《科学》杂志上。

这项研究的主要成果之一是得到了目前为止最具可信度的鸟类演化树,重新确定了许多曾在历史上具有极大争议的鸟类的演化地位。具体而言,是指这棵演化树上不同分支的确定性比之前研究所得的演化树要更好,可信度更高。例如,根据目前得到的鸟类演化树,可以很有把握地说(可信度90%以上),麝雉这个物种应该自成一目,与鸻形目和鹤形目是近亲,虽然外形与鸡有些相似,但实际上与鸡形目相差甚远。尽管在少数的个别分支上,这棵鸟类演化树依然不是非常确定,但也为后续的进一步研究确定了方向。

尽管拥有48只鸟的全基因组信息,研究者在构建鸟类演化树中遇到了诸多困难。其中一个主要原因是,鸟类物种大爆发的时间很短,导致这些鸟类基因组之间存在大量的不完全谱系分选现象。另外,数据多也不完全是好事,因为基因组上有些区域会有较多的噪音,从而影响物种演化树的推断。例如,发生在基因外显子区的GC偏向性基因转换容易导致推断出错误的演化树。因此,研究者需要仔细挑选出适合构树的高质量区域。数据量的庞大也使得之前的方法工具无法处理,需要对这些工具进行改进升级。

根据所得的鸟类演化树,研究者发现,占现存鸟类95%物种的Neoaves(新鸟小纲)可以分成两大分支,分别被命名为Passerea和Columbea,这两大分支分别独立演化出了各自的陆生鸟类和水生鸟类。在Passerea分支中,研究者认为其陆生鸟类的共同祖先应该是位于生态位顶端的捕食者,而其中具有鸣唱学习能力的鸟类是独立多起源的。在Columbea中,发现鸽子和火烈鸟其实是姐妹分支。Neoaves的主要分支大部分都是在白垩纪–早第三纪大灭绝事件(约6600万年前,小行星撞地球)的前后1000-1500万年内形成。这次大灭绝事件为鸟类提供了新的生境,为鸟类新物种的爆发创造了条件。

鸟类的这棵新生命之树的确立是鸟类分类学研究历史上的重大飞跃,对其它类群的分类学问题也有重要参考意义。然而这个“历史悬案”还没最终结案,据悉,这个研究团队后续将会对所有现存鸟类物种进行基因组测序,期望得到一棵更加完整的鸟类生命之树。

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