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輻射演化導(dǎo)致譜系之間廣泛的分支形成、快速分化和適應(yīng)性進(jìn)化。分子生物學(xué)的發(fā)展，已經(jīng)形成了遺傳分化速率的可靠測(cè)度方法體系。遺傳分化的結(jié)果是以能夠適應(yīng)環(huán)境、具有特定功能的表型而呈現(xiàn)出來(lái)的。表型多樣性在一定程度上代表了遺傳多樣性和進(jìn)化優(yōu)勢(shì)，然而表型進(jìn)化速率的定量測(cè)度方法至今沒有建立。造成這個(gè)局面的原因是由于進(jìn)化枝在連續(xù)的歷史分化過(guò)程中的不穩(wěn)定軌跡和各種選擇壓力的影響，連續(xù)時(shí)間尺度上的形態(tài)學(xué)數(shù)據(jù)的缺失導(dǎo)致類群的宏觀演化模型仍然存在爭(zhēng)議，進(jìn)而表型進(jìn)化與選擇壓力之間的關(guān)系無(wú)法得到精準(zhǔn)解讀。

近日，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所白明研究團(tuán)隊(duì)的一篇發(fā)表在自然出版集團(tuán)《通訊生物學(xué)》（Communications Biology）的文章結(jié)合大數(shù)據(jù)、定量形態(tài)學(xué)和系統(tǒng)發(fā)育學(xué)，提出了一個(gè)表型進(jìn)化速率的定量測(cè)度新方法，實(shí)現(xiàn)了在連續(xù)歷史時(shí)空尺度上定量解析表型變化規(guī)律，開啟了生物分支演化格局與驅(qū)動(dòng)因素關(guān)系評(píng)估的新研究范式。本研究以演化過(guò)程中產(chǎn)生復(fù)雜形態(tài)信息和多樣食性的金龜科昆蟲為例，主要開展了三個(gè)方面的研究：1）四個(gè)具有重要生態(tài)功能的表型特征（上顎、前胸背板、鞘翅、后翅）在不同食性（糞食性、植食性、雜食性）的金龜子類群中的形態(tài)分化格局研究（圖一）；2）通過(guò)計(jì)算時(shí)間尺度上連續(xù)分支節(jié)點(diǎn)之間的表型特征在形態(tài)空間中的差異，建立了一個(gè)表型進(jìn)化速率分析新指標(biāo)——形變速率（DR，deformation ratio index），該指標(biāo)可以用于探索表型變化與選擇壓力之間的相關(guān)性；3）由于不同表型特征的形變速率無(wú)法直接比較，故本研究對(duì)不同表型特征在連續(xù)時(shí)間軸上的形變速率進(jìn)行了歸一化處理，進(jìn)而建立了另一個(gè)表型進(jìn)化速率分析新指標(biāo)——環(huán)比增長(zhǎng)率（SGR，sequential growth rate），實(shí)現(xiàn)了不同表型特征的橫向比較。

利用新方法，本研究首先發(fā)現(xiàn)了在晚侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)時(shí)期，金龜子四個(gè)表型特征具有相同的形態(tài)演變規(guī)律，并為糞食性金龜子與哺乳動(dòng)物協(xié)同進(jìn)化假說(shuō)提供了支持（圖二）。第二，通過(guò)評(píng)估選擇壓力與表型特征的古生態(tài)功能耦合關(guān)系，發(fā)現(xiàn)了在白堊紀(jì)時(shí)期金龜子鞘翅的形變幅度最大，這與先前認(rèn)為上顎對(duì)古生態(tài)變化響應(yīng)程度最高的觀點(diǎn)不同（圖三）。第三，發(fā)現(xiàn)金龜科昆蟲并不是隨著古近紀(jì)被子植物的崛起突然成為優(yōu)勢(shì)類群，而是早在白堊紀(jì)被子植物發(fā)生時(shí)就出現(xiàn)了表型上的響應(yīng)，呈現(xiàn)出表型特征微小且持續(xù)定向演化，這從定量形態(tài)學(xué)的角度解釋了有利的遺傳特征逐漸在物種中積累從而發(fā)生定向進(jìn)化的現(xiàn)象。本研究通過(guò)比較不同功能特征的多樣性來(lái)解釋生物的宏觀演化模式，為研究物種興衰和選擇壓力間的作用機(jī)制提供新的視角。

該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)博士后科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所自主部署項(xiàng)目、國(guó)家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查項(xiàng)目、東北亞生物多樣性研究中心項(xiàng)目等的資助。中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所助理研究員佟一杰博士為第一作者，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所白明研究員為通訊作者，中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所助理研究員路園園博士、寧夏大學(xué)在讀博士生田哲豪、中國(guó)科學(xué)院動(dòng)物研究所/廣東省科學(xué)院動(dòng)物研究所楊星科研究員參與了該研究。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s42003-024-06250-1