研究揭示随机演化事件或导致物种间相似性

近日，中国科学院动物研究所白明研究组、浙江大学张国捷团队、深圳华大生命科学研究院、中科院昆明动物研究所与丹麦哥本哈根大学等，发表了关于有袋类哺乳动物的物种辐射性大爆发过程的研究成果。该研究重建了有袋类物种的演化关系，揭示了物种快速分化过程中一些随机事件有可能导致远缘物种具有相似表型的现象，并解释了利用形态和分子数据在构建物种树经常出现冲突的发生机制。

1达尔文在《物种起源》中提出，地球上的所有物种最初都是从同一种原始生命演化而来，即共同祖先理论。由这个共同祖先不断分叉演化形成现在物种类群的历程即构成生命之树，从简单的单细胞生物到复杂的生命体，每个物种都可以找到其最近缘物种和最近共同祖先。以人类为例，人类约在700万年前与黑猩猩从共同祖先古猿分化形成，古猿类和旧世界猴在约2800万年前拥有相同的祖先，最早的灵长类物种祖先可追溯至8000万年前，而目前地球上的哺乳动物在约两亿多年前都有共同祖先。重构正确的物种关系树是演化生物学研究和开展跨物种比较研究的基础，对推理各种生物学现象的起源过程至关重要。

DNA是大多数生物的遗传蓝图，按照达尔文提出的物种演化模型，物种间DNA序列的差异可以反映物种的分化历程，即DNA序列越相似的物种在生命之树上就更接近。同时，表型由DNA来决定，理论上携带相同表型的物种演化关系也就越接近。依据这样的推论，形态数据和DNA数据都可以用来构建物种树。实际上，DNA数据与形态特征在推断物种演化历程上经常出现相互矛盾的结果。20世纪80年代以来，利用DNA数据重构物种演化历程逐渐成为主流，但缺乏研究来解释为什么会存在这样的矛盾，为什么形态信息经常会得到不可靠的物种关系树。

分子树和与形态树的矛盾经常发生在经历过物种快速分化的类群里。不完全的谱系分选（incomplete lineage sorting）是可导致上述情况出现的原因之一。多个物种在极短的时间内从一个共同祖先里分化出来，使某些祖先基因的多态性在随后的物种分化历程中被随机分选到分化出的不同物种里，从而使部分分化后形成的多个物种随机保留了相同的基因型。以人、黑猩猩和大猩猩为例。相较于大猩猩，人与黑猩猩的亲缘关系更近。如图所示，三者共同祖先的群体具有较高的遗传多样性，大猩猩在第一次物种分化后形成，随着时间的推移，大猩猩的群体最终固定了蓝色的基因型。人和黑猩猩的共同祖先群体继承了橙色和蓝色两种基因型，而在第二次物种分化的时候，人可能最终随机固定了和大猩猩一样的蓝色的基因型，黑猩猩最终随机固定了橙色的基因型。这样一来，我们观察到人的一些基因组序列跟大猩猩更相似，而跟黑猩猩差异更大。尽管黑猩猩是与人最近缘的物种，在人的基因组里约超过15%的基因组区域，是与大猩猩更相似。这种不完全的谱系分选现象在许多经历过物种大爆发的类群里均出现过，如各种哺乳动物类群、鸟类、昆虫、鱼类等，但这种现象对性状的演化是否存在影响尚未研究。

为了探索不完全的谱系分选对物种形态和性状演化的影响，科研团队利用有袋类动物开展研究。之前的一些研究提出，现存有袋类物种起源的过程经历了物种大爆发，导致长期以来有袋类物种早期演化关系存在争议。而这一争议主要围绕着南美有袋类微兽目（Microbiotheria）的演化地位。小山猴是该目唯一的现存物种，其作为南美洲的有袋类动物，却在骨骼、生殖器官和大脑结构等方面与澳洲的有袋类动物更相似，尤其是袋鼠、考拉等双门齿目动物。正是由于这种形态的相似性，早前基于形态特征推定的演化关系认为小山猴应该和双门齿目的袋鼠和考拉更近缘，进而推测美洲小山猴应起源于澳洲。然而，本研究利用小山猴和其他有袋类动物的全基因组数据，表明小山猴应是澳洲所有有袋类动物的姐妹群，也就是说，它是和澳洲有袋类有共同祖先但不属于澳洲有袋类。进一步分析揭示，有袋类基因组有超过50%区域构建出的分子树跟真实的物种分化过程不一致，即小山猴反而跟某些澳洲有袋类之间的相似度大于澳洲有袋类之间的相似度。早前观察的那些与真实物种发生过程不符的性状特征很可能是由于物种快速分化的过程不完全的谱系分选导致。

这些有冲突的基因组区域包含上百个与神经系统、免疫系统、骨骼形态等相关的基因，它们可能与现今物种性状特征与物种发生历程之间的矛盾有关。研究推测，不完全的谱系分选所引发的祖先多态性的随机固定可能偶然地导致两个亲缘关系较远的物种继承相同的祖先基因型，如果不同的祖先基因型会产生不同的形态特征，那么这样一来，就可能导致远缘物种具有更加相似的表型。为了验证上述猜想，研究利用博物馆馆藏标本确定了小山猴的肱骨弯曲形态、脊柱棘突高度、门牙形态均与双门齿目的袋鼠和考拉更为相似。研究团队进一步利用比较基因组学分析手段筛选候选基因，采用基因编辑技术，对受不完全的谱系分选影响的基因建立小鼠实验模型。实验小鼠和野生小鼠的骨骼性状扫描结果的比较研究证实，受不完全的谱系分选影响的基因型替换确实产生了符合预期的表型结果。

物种性状的演化被认为是物种长期适应环境的结果：突变产生新的基因与新的性状，新基因通过繁殖扩散开来，有利于生存与繁殖的性状及其基因会被自然选择保留下来。在远缘物种中出现相同的性状，过去会用趋同演化来解释这样现象。然而，这一研究揭示了不同类群间相同性状的出现可能是随机遗传了祖先性状引起的。研究证明，仅依靠部分基因、部分性状的溯源来构建物种关系树是不可靠的，全基因组数据才是重构物种发生历程的金标准。全基因组数据可以充分揭示不完全的谱系分选作为一种可能的机制来解释基因组物种树和表型变异之间冲突的现象。此外，该研究还综合了古气候地理，物种分化、形态、DNA等方面得证据来佐证有袋类物种演化进程。

4月20日，相关研究成果以Incomplete lineage sorting and phenotypic evolution in marsupials为题，在线发表在《细胞》（Cell）上。

论文链接

不完全的谱系分选示意图（每组两个圆点代表一个个体，每个圆点代表一个基因）