Ortho2Web：解析桔梗科网状进化中杂交与异源多倍化的集成工作流程

《BMC Biology》：Ortho2Web: a workflow for disentangling the roles of hybridization and allopolyploidization in reticulation within Campanulaceae

本研究针对现有系统发育分析流程难以区分杂交与异源多倍化的问题，开发了Ortho2Web工作流程。该流程整合多源基因组数据（Hyb-Seq、RNA-Seq、DGS、WGS），通过正交基因推断、系统发育冲突分析和历史生物地理学重建，揭示了桔梗族（Campanuleae）早期多样化由杂交与异源多倍化共同驱动，且不完全谱系分选（ILS）贡献有限。研究首次在单一框架内实现杂交与多倍化事件的联合解析，为复杂网状进化研究提供了可扩展工具，对理解植物多样性形成机制具有重要意义。

　　

在达尔文提出“生命之树”模型的一个多世纪后，科学家们逐渐意识到生命的演化并非总是简单的二分分支模式。杂交、多倍化、基因渗入等网状进化事件如同隐形的桥梁，将不同谱系紧密交织，形成了更为复杂的“生命之网”。尤其在植物界，杂交与多倍化是物种形成的重要驱动力，但如何准确区分这两种机制并还原其演化历史，一直是系统发育学领域的难点。

传统研究方法往往依赖单一数据类型（如仅用质体基因组或核基因），或仅针对杂交或多倍化中的某一事件单独分析，忽略了二者的协同作用。此外，非生物因素（如取样偏差、旁系同源基因干扰）以及生物因素（如不完全谱系分选）常导致系统发育冲突，进一步增加了重建真实演化历史的难度。桔梗科桔梗族（Campanuleae）作为典型研究对象，包含超过620个物种，其演化历史上频繁发生杂交和多倍化事件，但早期研究受限于技术手段，未能揭示其深层机制。

为解决上述问题，徐超等人开发了Ortho2Web工作流程，并应用于桔梗族的演化研究。该研究整合了82个Hyb-Seq、8个RNA-Seq、3个WGS、1个Hi-C和44个DGS数据，通过多策略降低非生物因素干扰：首先利用多源数据填补取样空白；其次生成互补数据集（1to1、MO、RT、MI）以量化系统发育信号；最后采用基于树的正交基因推断方法减少旁系同源基因影响。关键技术包括：HybPiper组装单拷贝核基因（SCN genes）和质体编码序列（plastid CDSs）、ASTRAL-III和IQ-TREE2构建系统发育树、Dsuite和SNaQ分析基因流与杂交事件、GRAMPA检测多倍化事件，以及BioGeoBEARS重建历史生物地理分布。

系统发育推断与基因树冲突分析

研究基于核基因数据构建了16棵系统发育树，均支持桔梗族分为α、β、γ、δ四个主要支系，其中α和β为姐妹群。质体数据与核基因数据在支系δ的关系上存在显著冲突，暗示其可能为杂交或异源多倍化起源。

核质基因组冲突（Cytonuclear discordance）

质体与核基因数据在支系α内部拓扑结构上表现出强烈不一致，例如亚支系VI在核基因中与V姐妹群关系稳定，而在质体数据中位置多变。这种冲突提示早期演化过程中存在基因流或基因组合并事件。

网状进化事件解析

通过SNaQ网络分析发现支系δ为杂交起源，GRAMPA进一步证实其为异源多倍化产物，母本为支系γ，父本为桔梗族共同祖先的未采样或已灭绝谱系。在支系α中，亚支系VI、I和III均被推断为异源多倍化形成，涉及亚支系II、IV、V之间的多次杂交事件。

分化时间与生物地理重建

分子钟分析表明，桔梗族起源于始新世早期（约54–56 Mya）的欧洲-西南亚地区。支系α的快速辐射发生在中始新世至晚始新世（42–36 Mya），与阿尔卑斯造山运动及特提斯海闭合等地质事件同步。染色体进化模型（ChromEvol）显示祖先单倍体染色体数为n=9，但支系γ和部分亚支系（如II）出现染色体数变异（n=13–15），反映多倍化后的二倍化或染色体重排。

讨论与结论

Ortho2Web通过模块化设计整合多源数据与分析方法，显著提升了对网状进化事件的解析能力。研究表明桔梗族早期多样化由杂交与异源多倍化共同主导，而非不完全谱系分选。该工作流程的灵活性和可扩展性使其适用于其他复杂演化谱系的研究，为生命之网的重构提供了实用工具。研究同时指出，未来需结合更全面的染色体倍性数据和地理取样，以揭示近期杂交与多倍化事件的具体模式。

本研究的局限性包括对公共基因组数据质量的依赖，以及计算资源需求较高。然而，其创新性在于首次在单一框架内实现杂交与异源多倍化的联合推断，推动了系统发育学从“树”到“网”的范式转变。相关代码已开源（https://github.com/PhyloAI/Ortho2Web），助力进化生物学、分类学和园艺学等领域的深入研究。