A new time tree of birds reveals the interplay between dispersal, geographic range size, and diversification
Current Biology | 鸟类谱系新“时间树”揭示扩散能力、地理分布与物种分化的复杂关系
生物多样性的时空动态是由物种特征和地理过程之间的复杂相互作用决定的。一个关键的例子是扩散对地理范围扩大和基因流动的影响，这两者都可能决定物种形成率。在这项研究中，我们构建了 9,000 多种鸟类的时间校准系统发育，并利用有关鸟类特征和空间发生的大量数据来探索扩散、生物地理学和物种形成之间的联系。系统发育路径分析和性状相关多样化模型表明，地理范围大小与手翼指数密切相关，手翼指数是与飞行效率和扩散能力相关的翼展比的代表。相比之下，我们发现扩散对多样化率影响的证据好坏参半：分散谱系显示出略高的物种形成率或较高的灭绝率。因此，我们的结果表明，高扩散能力增加了范围的扩大和周转，这可能是因为分散谱系扩展到岛屿或其他地理受限的环境中，并且种群规模较小。我们的研究结果强调了扩散和分布范围大小在塑造全球鸟类多样化和生物地理学模式中的微妙和相互关联的作用，并为探索宏观生态学和宏观进化的广泛研究问题提供了丰富的系统发育模板。
Multiple bursts ofspeciationinMadagascar’s endangered lemurs
马达加斯加濒危狐猴物种形成的多次爆发
狐猴经常被引用为适应性辐射的一个例子，因为 100 多个现存物种已经进化并填补了马达加斯加的生态位。然而，最近的研究表明，狐猴缺乏其他适应性辐射的标志：随着时间的推移而下降的爆炸性物种形成率。因此，表征狐猴的进化节奏和模式可以揭示随着时间的推移出现超多样化进化枝的替代方式，这可能与传统模型不同。我们使用具有广泛分类学样本的系统发育学数据集探索狐猴进化，其中包括亚洲和非洲大陆的懒猴形目。我们的分析揭示了多次多样化的爆发（没有随后的下降），这解释了当今狐猴多样性的大部分原因。我们还发现，与懒猴相比，马达加斯加狐猴的物种形成率更高，并且我们证明具有高多样化率的狐猴分支也具有较高的基因组渗入率。这表明这些灵长类动物的杂交不是进化的死胡同，而是多样化的潜在燃料。考虑到影响链球菌灵长类动物的保护危机，大约 95% 的物种面临灭绝威胁，这项研究为解释马达加斯加灵长类动物多样性提供了一个视角，并揭示了物种形成、灭绝和基因流动的模式，这将有助于为未来的保护决策提供信息。
A trans-species cytoplasmic polymorphism is associated with seed shape and aridity across multiple species of sunflowers
植物细胞有三个基因组。其中最大的基因组位于细胞核中，而较小的基因组则存在于位于细胞质中的叶绿体和线粒体中。基于核基因的进化史有时与细胞质基因的进化史不一致。在本文中，我们揭示了一年生向日葵造成这种模式的进化机制。我们发现，由于种间杂交，多个向日葵物种共享两个不同的细胞质谱系，并且不同的细胞质是种子形状差异和对多种环境因素的可能适应的基础。因此，尽管具有独特的形态和核型，向日葵物种进化为适应性等位基因网络，强调通过基因流的连通性有助于物种在碎片化景观上的持久性。
植物和动物的细胞质基因组往往无法追踪物种边界。然而，造成这种模式的机制知之甚少，部分原因是很少有研究将细胞质变异与表型特征或环境差异联系起来。在这里，我们使用1,554个先前发表的全基因组序列和185个新的全基因组序列，代表向日葵属的14个类群，在普通花园中测量的91个表型性状，以及39个环境变量来测试细胞质基因组变异的环境和表型影响。与之前的工作一致，在多个物种中发现了两个不同的叶绿体进化枝，物种间叶绿体进化枝的共享主要是由于重复渗入而不是不完整的谱系分选。还发现了两个线粒体进化枝，与 98% 的个体的叶绿体进化枝相匹配，这意味着两个基因组的主要母系遗传。细胞质进化枝与多个物种种子形状的差异有关，并且可能与干旱有关，这表明在局部适应中发挥作用。相反，我们未能找到任何基于叶绿体和核变异之间关联的可信细胞核相互作用。综上所述，这项工作表明，一年生向日葵的细胞质基因组代表了一种跨物种平衡的多态性，这种多态性可能是通过适应不同环境来维持的。更广泛地说，我们的结果证实了同游戏概念，表明即使是非常强大的生殖障碍的渗入如何促进整个物种复合体的环境适应。
The power of coalescent methods for inferring recent and ancient gene flow in endangered Bactrian camels
我们分析了三种骆驼的基因组数据，以推断物种之间的基因流动并估计物种分化时间。与早期的分析相比，我们发现了从家养双峰双峰骆驼到野生物种的基因流动的有力证据，引发了人们对杂交对野生物种遗传完整性影响的担忧。我们检测了家养单峰骆驼和双峰科动物之间的基因流动。基因组的编码部分和非编码部分以及基因流模型之间的结果是一致的。我们的研究强调了基因流分析在评估现代物种在破碎栖息地中的持久性方面的力量。
基因组序列数据蕴藏着有关物种分化和种间基因流动 interspecific gene flow 历史的宝贵信息，可能为濒危物种的保护提供重要见解。然而，从基因组数据中提取此类信息需要强大的统计推理方法。最近对基因组序列数据的分析发现，几乎没有证据表明基因从家养双峰骆驼流入濒临灭绝的野生双峰骆驼物种。然而，用于推断基因流的方法基于数据摘要，缺乏用基因流表示物种复杂系统发育历史的力量和精确度。在这里，我们将贝叶斯方法应用于基因组序列数据，以测试骆驼属三个物种之间的近期和古代基因流动，并估计基因流动的强度和时间。我们检测到基因从家养双峰骆驼流入野生双峰骆驼的强烈信号，证实了基于线粒体 DNA 和 Y 染色体的早期证据。总体基因流似乎均匀地影响常染色体基因组，外显子和非编码区域的基因流有效率相似。如果分析中不考虑基因流，物种分化时间的估计会受到严重影响。我们的结果突出了聚结模型在基因组数据分析中的力量，以及基因组的编码和非编码部分在阐明现代物种进化历史方面的效用。
Phylogenetic networks empower biodiversity research
网状进化长期以来一直被认为是促进遗传和性状多样性的关键机制。随着基因组数据的广泛使用，在检测非树状模式的统计方法的快速发展的推动下，研究跨类群的历史网状进化引起了广泛关注。系统发育网络提供了一种生物学上直观的方法来描述进化过程，例如杂交物种形成和渗入杂交，从而产生历史基因流动的特征。解释系统发育网络对于缺乏参考基因组资源和先前调查的明确假设（例如基于分子数据、形态或物种分布的假设）的保护关注群体尤为重要。在这里，我们重点介绍了从基因组规模数据推断网络的计算方法的最新进展，并为从系统发育网络中得出生物学见解提供了指南。特别强调在同种异体多倍体化的背景下对杂交和全基因组复制进行建模。自始至终都讨论了实证研究的实用建议和常用方法的局限性。我们预计系统发育网络将影响保护生物学和生物多样性研究，并强调在不久的将来需要仔细考虑从这些网络推断出的网状进化。网络将加速生物多样性研究的其他紧迫途径，特别是对孤儿作物和自然系统气候变化适应能力的调查。系统发育网络的前景与特题中的更广泛主题联系在一起，通过提供一个新兴的概率框架来推断物种和种群之间的历史连通性，监测和恢复人类世日益分散的生态系统中的基因流动。
Synergies between speciation and conservation science yield novel insights for mitigating the biodiversity crisis of the Anthropocene
地球正在经历持续的破坏性环境变化，这在很大程度上（如果不是完全）是由于人为影响造成的。这无情地导致我们生物圈的分裂，并威胁到所有大陆和栖息地的生物多样性。虽然森林拥有超过 80% 的陆地生物多样性，但地球上剩余的森林中有 70% 位于森林边缘 1 公里范围内 （1）。水生栖息地的丧失同样令人担忧，标志性的是珊瑚礁栖息地的急剧丧失，由于持续的气候变化，预计珊瑚礁栖息地将丧失 84% （2-5）。事实上，栖息地破碎化和土地转换 （6， 7）、物种丧失 （8-10）、“人为质量”的扩散 （11） 以及臭名昭著的气候变化 （12） 的同时影响正在破坏几乎所有自然系统，并带来灾难性的后果 （13).昆明-蒙特利尔全球生物多样性 COP15 框架制定了一项全球协议，将 30% 的土地指定为保护区，尽管前景广阔，但仍达不到防止生物多样性重大丧失所需的 44% 的陆地栖息地 （14）。尽管保护区之间的生物连通性可以提高其生态功效，但全球只有~10%的陆地保护区在结构上相连（15,16），其关键连通性受到土地使用转换的威胁（17）。这一加速过程已成为生态学家和进化生物学家的号召，特别是考虑到需要制定定义连接良好的景观的作指南 （18）。在这里，本专题重点关注测量、监测和维持野生动物种群之间遗传物质交换（即“基因流”）的挑战，作为在日益分散的世界中恢复连通性的一种手段 （17， 19）。
与最近发表的其他几篇专题（20-27）一样，这本论文集致力于探索基础科学在减轻人为改造和破碎景观对生物多样性造成的挑战方面的应用。该系列中的 11 篇论文围绕着保护物种及其生态系统的目标，研究了生物种群中基因流动的作用及其与景观连通性的基本关系。该馆藏通过将物种形成和保护生物学的传统上不同的科学议程联系起来，重点关注这种合作如何转化为保护创新和应用来追求这一目标。尽管它们乍一看似乎是矛盾的对立，物种形成生物学侧重于由于基因流动停止而导致的物种起源，而保护科学则侧重于通过促进基因流动来防止物种灭绝，但这套论文强调了它们在物种形成-灭绝连续体中的概念连续性（图 1）。
Genomics of Neotropical biodiversity indicators: Two butterfly radiations with rampant chromosomal rearrangements and hybridization
了解导致快速物种形成的因素是进化生物学的一个关键目标。在这里，我们重点关注新热带蝴蝶的两种快速辐射。我们的基因组数据具有广泛的分类学和地理覆盖范围，揭示了广泛的杂交和猖獗的染色体重排，每一种都可能促成了高多样化率。我们的研究强调了使用基因组数据来解决分类学上具有挑战性的物种群，并阐明快速辐射多样化的驱动因素。我们表明，对于最近辐射的生物多样性热点，由于基因流动和最近的物种形成，条形码不足以表征物种丰富度。对动态物种边界背后的渗入和核型多样性的考虑刺激了以过程为导向的分类学实践，这对监测和管理脆弱栖息地的生物多样性具有重要意义。
进化生物学的一个核心问题是是什么推动了谱系的多样化。最近的快速辐射是解决这个问题的理想系统，因为它们仍然显示出与物种形成相关的关键形态和生态适应。虽然大多数关于近期辐射的研究都集中在岛屿环境中发生的辐射，但对具有复杂物种相互作用的大陆辐射的关注较少。在这里，我们研究了 Melinaea 和 Mechanitis 蝴蝶（睡莲科：Ithomiini）大陆辐射的驱动因素，它们在大陆新热带地区迅速辐射。它们是亚马逊生物地理学和颜色图案拟态的经典模型，已被提议作为生物多样性指标。我们生成了每个属的五个物种的参考基因组，并生成了覆盖广泛地理范围的大多数物种和亚种的全基因组重测序数据，以评估系统地理学关系、杂交模式和染色体重排。我们的数据有助于解决这些分类学上具有挑战性的蝴蝶的分类问题，并揭示出非常高的多样化率。我们在这两种辐射中发现了历史杂交和假定杂交物种的猖獗证据，这可能通过丰富遗传多样性促进了它们的快速多样化。此外，我们发现了同源物种之间的数十种染色体融合和裂变，这些融合和裂变可能加速了生殖隔离。我们得出的结论是，地理、杂交和染色体重排之间的相互作用促成了高度多样化的新热带地区的这些快速辐射。我们假设，如果重复的地理隔离期与谱系特异性的不相容性快速积累相结合，然后与某些基因交换进行二次接触，则可能会刺激快速辐射。
Suturing fragmented landscapes: Mosaic hybrid zones in plants may facilitate ecosystem resiliency
马赛克杂交区为密切相关的类群提供了占据更大环境生态位的机会，这在地形和环境异质地区可能意味着更大、更不分散的地理分布。我们通过预测亲本和杂交种在当前和未来环境中的分布，量化了对北美西部恢复和景观管理很重要的三个研究系统中的马赛克影响。土地扰动和气候变化强化了制定战略以创建有弹性的植物群落的必要性，通过占据中间环境空间将亲本分布缝合在一起的杂交种可能通过将物种形成科学与保护实践相结合提供新的管理机会。
由于异质景观的复杂生物地理历史，北美西部许多广泛分布的植物类群已经多样化为表型和遗传差异的谱系。当地理上同时出现但环境不同的谱系异花授粉并形成杂交种时，可以形成杂交种，这些杂交种占据了没有地理斜线的独特环境生态位。这扩大了亲本和杂交个体生长的总环境空间，从而产生更大、更少分散的地理分布。在这里，我们重点介绍了三个研究系统的杂交镶嵌，其中包含对北美西部广泛植物群落至关重要的类群：Ericameria nauseosa、Artemisia tridentata 和 Sphaeralcea fendleri。这些系统包含不同的类群，这些类群在整个景观中共存并很容易杂交。类群之间的杂交促进了生态位扩展到与适应性遗传变异的独特组合一致的中间环境，在每个研究系统内创造了更多的连续性——研究系统占用 ~820 至 270,000 公里2凭借杂交，地理区域更大。此外，预计杂交种将在未来的气候中发挥重要作用，因为它们的分布可能比现在大 8% 至 475%。趋同模式表明马赛克杂交是一种未被充分认识的机制，具有广泛的生态和进化影响。利用马赛克杂交可能有助于制定恢复管理计划，旨在减轻气候变化背景下栖息地破碎化对生态系统的有害影响。
