基于线粒体基因组与位点组成异质性模型重建襀翅目系统发育与演化历史

本刊推荐：为解决襀翅目(Plecoptera)系统发育关系长期存在争议的问题，研究人员开展了全球尺度下涵盖全部17科的线粒体基因组系统发育研究。通过应用位点异质性模型(CAT-GTR+G4)，研究确立了Scopuridae为EuholognathaL最早分支类群，解析了Systellognatha内部系统发育关系，并重建了从宾夕法尼亚期到白垩纪的演化时间框架。该研究为石蝇的生物地理学、形态学和行为演化研究奠定了重要基础。

　　

在昆虫演化史上，襀翅目（Plecoptera，俗称石蝇）作为最早出现的有翅昆虫类群之一，不仅具有重要的演化地位，更是淡水生态系统健康的关键指示生物。尽管其生态和演化意义重大，但石蝇的稳健系统发育框架一直难以建立。长期以来，基于形态学证据的传统分类体系与分子系统学研究结果存在显著矛盾，尤其是高级阶元（如科间）的系统发育关系始终悬而未决。更棘手的是，线粒体基因组数据中存在位点组成异质性（site compositional heterogeneity）和速率变异等问题，使得不同数据集和分析方法往往得出相互冲突的拓扑结构。

为了破解这一难题，由王业浩、杨潇、Michael S. Engel、霍清波、杜予州和蔡晨阳组成的研究团队开展了一项全球尺度的系统发育基因组学研究。他们新测了29种石蝇的线粒体基因组，并结合已发表的68个物种数据，首次实现了对襀翅目全部17个科的线粒体基因组覆盖。通过采用最大似然法（ML）和贝叶斯推断（BI）等系统发育重建方法，并重点应用了能有效处理位点异质性的CAT-GTR+G4模型，研究人员成功构建了一个更为可靠的石蝇系统发育框架，并整合古生物学和年代地层数据，重建了襀翅目的演化时间尺度和关键分化时期。这项开创性研究成果正式发表在《iScience》期刊上。

在研究技术方法上，作者团队主要采用了高通量测序技术获取线粒体基因组数据，运用MACSE进行密码子比对和MAFFT进行rRNA序列对齐，通过trimAl进行序列修剪。利用FASconCAT构建了4种不同矩阵的数据集，采用IQ-TREE和PhyloBayes MPI进行系统发育重建，并通过ModelFinder进行最佳分区和模型选择。在分子钟分析中，使用PAML MCMCTree模块，选取了8个经过严格评估的化石标定点，采用相关速率模型推算了各类群的分化时间。

研究结果主要体现在以下几个方面：

襀翅目系统发育关系

研究强烈支持 Antarctoperlaria 和 Arctoperlaria 两个亚目，以及 Euholognatha 和 Systellognatha 两个下目的单系性。在南半球石蝇（Antarctoperlaria）中，Eustheniidae 和 Diamphipnoidae 形成的 Eusthenioidea 总科与由 Gripopterygidae 和 Austroperlidae 组成的 Gripopterygoidea 总科构成姐妹群关系。

在北半球石蝇（Arctoperlaria）的 Euholognatha 下目中，Scopuridae 被确定为最早分化的支系，与其它真全颚类形成姐妹群关系。值得注意的是，Leuctridae 和 Taeniopterygidae 共同组成第二个分化支系，而 Capniidae 则是 Nemouridae 和 Notonemouridae 的姐妹群。Nemouridae 中的 Nemourinae 和 Amphinemurinae 两个亚科并未形成独立的单系群。

在 Systellognatha 下目中，系统发育关系被解析为 (Styloperlidae, (Peltoperlidae, (Pteronarcyidae, (Kathroperlidae, (Perlidae, (Chloroperlidae, Perlodidae))))))。新建立的 Kathroperlidae 科被稳定地置于传统 Perloidea 总科的姐妹群位置。

模型比较分析

通过留一交叉验证（LOO-CV）、广泛适用信息准则（wAIC）和后验预测检查（PPC）等模型比较指标，研究发现 CAT-GTR+G4 模型对数据集的拟合效果显著优于其它模型（GTR+G、mtART+C20+G 和 mtART+C60+G），因此选择基于该模型构建的系统发育树作为解释石蝇演化历史的优选拓扑结构。

分化时间估算

通过分子钟分析，研究推算出冠群襀翅目起源于宾夕法尼亚纪（319-302 Ma）。冠群 Antarctoperlaria 的起源时间跨度较大，从瓜达卢普世早期到中三叠世（271-237 Ma），科级分化主要发生在晚三叠世到中侏罗世。冠群 Arctoperlaria 在西斯乌拉尔世（297-277 Ma）发生分化。冠群 Euholognatha 起源于最新西斯乌拉尔世到中乐平世（276-254 Ma），其中 Scopuridae 的分化发生在早侏罗世中期到最早白垩世（187-137 Ma）。冠群 Nemouroidea 出现在晚瓜达卢普世到中侏罗世（264-242 Ma）。Leuctridae 和 Taeniopterygidae 的分支起源于三叠纪（248-224 Ma），与 Capniidae 和 (Notonemouridae + Nemouridae) 分支（243-222 Ma）几乎同时发生。

冠群 Systellognatha 的起源时间估计在早瓜达卢普世到最早中侏罗世（268-245 Ma）之间。冠群 Peltoperlidae 和 Pteronarcyidae 分别起源于中晚三叠世到中早侏罗世（217-188 Ma）和晚早侏罗世到最早晚侏罗世（180-160 Ma）。冠群 Perloidea 在晚三叠世（229-204 Ma）发生分化。Perlidae 从晚侏罗世早期到早白垩世（156-132 Ma）开始分化，而 Perlodidae 和 Chloroperlidae 的分支起源于早侏罗世晚期到最早晚侏罗世（185-159 Ma），这两个科的冠群分化时间分别发生在早白垩世（143-115 Ma）和早白垩世最晚期到晚白垩世（112-82 Ma）。

研究结论与讨论部分强调了线粒体基因组在襀翅目系统发育研究中的有效性。研究表明，通过谨慎选择外类群（本研究使用蜉蝣目作为外类群）和采用适当的模型（特别是CAT-GTR模型），线粒体基因组数据能够解决石蝇的系统发育关系，其中Systellognatha下目的系统发育框架与转录组和Sanger测序数据的结果相互印证。

关于襀翅目的起源和分化，研究认为冠群石蝇起源于宾夕法尼亚纪，与最早的茎群石蝇化石Gulou carpenteri（发现于中国祁连山动物群，时代为最新巴什基尔世到中莫斯科世）的记录相符。Arctoperlaria的分化发生在西斯乌拉尔世，与石蝇早期多样化时期同步，而Antarctoperlaria的起源时间晚于Arctoperlaria。

研究还讨论了Scopuridae的交配行为演化意义。虽然大多数Arctoperlaria通过振动信号（drumming）进行交配通信，但Scopuridae缺乏与鼓击行为相关的形态结构和行为，这很可能是次生丢失的结果。这种鼓击行为的丢失在石蝇演化史上可能多次独立发生，在Chloroperlidae、Perlidae（Perlesta）和Perlodidae（Perlodinae，不包括Diploperlini）中也有发现。

该研究的局限性主要在于线粒体基因组信息位点相对有限，进化速率较快，导致Euholognatha和Systellognatha内部一些关键基部分支节点的支持率较低，可能高估了分化时间。此外，许多化石类群在目内的系统位置尚未正式解决，特别是那些可能与Antarctoperlaria相关的化石，这给分化时间估算带来了不确定性。

总之，这项研究首次建立了覆盖全球襀翅目所有科的稳健系统发育框架，解决了长期存在的科间系统发育关系争议，特别是明确了Scopuridae作为Euholognatha最早分支类群的地位，提出了Leuctridae和Taeniopterygidae为姐妹群的新观点，并重建了从古生代到中生代的石蝇演化历史。研究强调了使用最佳拟合模型（如CAT-GTR）处理位点组成异质性在线粒体系统发育中的重要性，为未来整合基因组数据、扩大类群采样和应用进化模型来完善石蝇生命之树奠定了基础，也为理解这一古老昆虫类群的复杂演化 dynamics提供了重要见解。