山脉特化驱动下的谱系快速形成与部分生殖隔离演化：基于蝗虫近期辐射的启示

《Zoological Journal of the Linnean Society》：Mountain speciation driven by high rates of lineage formation and rapid evolution of partial reproductive isolation: insights from a recent radiation of grasshoppers (Orthoptera: Gomphocerinae)

本研究针对山脉作为生物多样性热点但其成种机制尚不明确的问题，通过整合群体基因组学、生态位建模和溯祖模拟，对分布于比利牛斯山脉的Chorthippus (Glyptobothrus) binotatus超种复合体开展研究。结果表明，所有谱系在更新世（<0.9 Mya）发生分化，尽管历史分布区曾广泛重叠，但基因流仅局限于边缘种群，各分类单元间存在显著的遗传间断。研究揭示了地形复杂性驱动的高谱系形成速率与生殖隔离快速演化之间的相互作用，为理解山脉新特有现象的产生机制提供了关键证据。

　　

山脉只占地球陆地面积的一小部分，却孕育了全球不成比例的极高生物多样性，尤其以大量狭域分布的新特有种为特征。然而，科学家们对于是哪些具体的生态和进化过程使得山脉成为如此重要的物种形成“摇篮”，仍然知之甚少。这个问题就像一座隐藏在云雾中的高山，虽然知道其重要性，但通往山顶的路径却模糊不清。其中一个核心谜团在于，在地形复杂、气候多变的山区，新的谱系是如何快速产生并最终演化为独立物种的？它们如何在冰期-间冰期的气候旋回中，面对分布区的扩张与收缩，避免因杂交而融合（即“物种形成逆转”），从而保持其进化独立性？

为了揭开这些谜团，研究人员将目光投向了分布于欧洲比利牛斯山脉的一个理想模型系统——Chorthippus (Glyptobothrus) binotatus 超种复合体中的蝗虫。该复合体包括两个物种：C. binotatus 和 C. saulcyi，其中 C. saulcyi 又包含三个亚种（C. s. saulcyi, C. s. moralesi, C. s. vicdessossi）。这些分类单元目前呈现异域分布，但一些边缘种群距离非常近（<10公里），暗示着在更新世气候波动期间，它们的分布区很可能发生过重叠，为历史杂交提供了机会。然而，此前基于有限样本的基因组学研究对其物种 status（地位）的结论存在不确定性，可能将种群遗传结构误判为物种边界。

在这项发表于《Zoological Journal of the Linnean Society》的研究中，Joaquín Ortego 和 Victor Noguerales 开展了一项综合性研究，旨在评估该复合体内各分类单元的进化独立性，并深入探究驱动这些谱系形成和长期存续的内在机制。他们提出了一系列关键问题：这些蝗虫类群是否代表了独立的进化谱系？它们之间是否存在历史基因交流？过去的分布区动态如何影响其进化历程？物种形成的模式和节奏又是怎样的？

为了回答这些问题，研究人员运用了多项关键技术方法。他们从比利牛斯山脉及山麓地区的28个地点采集了四种分类单元的样本，共180只个体。利用双酶切限制性位点关联DNA测序（ddRAD-seq）技术获取基因组数据，经过严格过滤后用于后续分析。主要分析方法包括：使用RAxML和SVDQUARTETS进行系统发育基因组学分析以推断演化关系；利用BPP软件估算谱系分化时间；应用D统计量（D-statistic）和STRUCTURE软件检测基因渗入和遗传混合；通过FASTSIMCOAL2进行溯祖模拟，比较不同的物种形成和混合模型，并估计关键 demographic（人口统计学）参数（如有效群体大小、分化时间、基因流速率）；结合物种分布记录和19个生物气候变量，利用MAXENT构建生态位模型（ENM），并以高时间分辨率（100年间隔）重建自末次盛冰期（LGM, c. 22 ka）至今的分布区动态，以此评估历史分布重叠程度。

系统发育关系与分化时间

系统发育重建结果支持当前的两个物种划分，即C. binotatus 和 C. saulcyi 各自形成单系群。在C. saulcyi内部，三个亚种也形成了相应的支系，其中C. s. moralesi 内部还识别出西、中、东三个谱系。基于SVDQUARTETS树并利用BPP软件估算的分化时间表明，C. binotatus 与 C. saulcyi 的分化大约在0.4百万年前（Mya），而C. saulcyi 内部亚种的分化大约在0.3百万年前，均发生在更新世。

-9 per site per generation and a one-year generation time. Background colours indicate geological divisions of the Quaternary. Population codes as described in Supporting Information, Table S1.'>

基因渗入与遗传混合

D统计量分析揭示了分类单元之间存在不对称的历史基因流。例如，从C. s. moralesi 到多数C. binotatus 种群以及到C. s. saulcyi 的两个最西端种群检测到显著的基因渗入，而从C. binotatus 到C. s. moralesi 的基因流则不明显。最引人注目的是Montan de Tost (TOST) 种群，它显示出高度的混合 ancestry（祖先成分），约25%来自C. s. moralesi 的东部谱系，73%来自C. binotatus。

遗传多样性与结构

STRUCTURE分析和主成分分析（PCA）均显示，各分类单元之间存在 abrupt（ abrupt）的遗传不连续性，与其当前分布边界高度吻合。除了TOST种群外，其他种群几乎没有显示出与异类群的混合迹象。同时，各类群内部也呈现出强烈的遗传结构，尤其是在样本量较大的C. s. moralesi 中，反映了由有限扩散能力和复杂地形导致的种群隔离。

物种形成模式与混合时间

FASTSIMCOAL2的溯祖模拟支持C. binotatus 和 C. s. moralesi 之间最可能的演化 scenario（情景）是：早期在严格隔离下分化，随后发生了一次混合事件，并且至今仍存在当代基因流。模型估算其分化时间约为0.866 Mya（早更新世），而导致TOST混合种群形成的事件发生在约18.2万年前（晚更新世）。当代基因流估计显示，TOST种群与C. binotatus 之间的基因交流速率远高于与C. s. moralesi 的交流。

ANC,θ_ANC-MONT, and θ_ANC-ERRM)and contemporary(θ_MONT,θ_TOST,and θ_ERRM)effective population sizes(proportional to thickness of vertical bars), effective migration rates per generation (m₀₁, m₁₀, m₁₂, and m₂₁, proportional to arrow thickness), the proportion of lineages transferred from parental lineages to the admixed population of TOST(r and 1-r, proportional to thickness of horizontal bars), and the timing(scale bar on left) of divergence (T_DIV) and admixture (T_ADMIX). Migration rates (m) are presented as 2Nm and estimates of time are given in years,assuming one generation per year. Contemporary effective population size of C. binotatus(θ_MONT) was calculated from levels of nucleotide diversity (π) and fixed in FASTSIMCOAL2 analyses to enable estimation of other parameters(see Materials and methods for further details). Demographic parameter values and confidence intervals are detailed in Table 2. Population codes as described in Supporting Information, Table S1.'>

生态位差异与历史分布动态

环境因子分析表明，四个分类单元所占据的环境空间存在显著差异，特别是在海拔和生物气候变量上。C. binotatus 主要分布在较低海拔的 Mediterranean-montane（地中海-山地）环境，而C. saulcyi 的亚种则倾向于较高海拔的 subalpine-montane（亚高山-山地）环境。生态位模型重建显示，在末次盛冰期以来，各类群的适宜分布区经历了复杂的动态变化。例如，C. binotatus 和 C. s. saulcyi 的适宜区在LGM期间（c. 22-18 kya）达到最大，而C. s. moralesi 和 C. s. vicdessossi 的适宜区则在LGM后（c. 18 kya）急剧扩张。模型预测，各类群间的分布区重叠程度在冰期结束时达到峰值，但从全新世开始至今一直非常有限。

研究结论与意义

本研究通过多学科整合分析，为理解山脉系统中微观地理尺度物种形成机制提供了有力证据。研究表明，比利牛斯山脉Chorthippus binotatus 超种复合体的进化历史是由高谱系形成速率和部分生殖隔离的快速演化共同塑造的。尽管各类群在更新世气候波动期间有广泛的 secondary contact（二次接触）机会，但基因流被严格限制在分布区边缘的少数种群，绝大多数种群保持了清晰的遗传边界。这支持了当前两个物种以及C. saulcyi 下三个亚种作为独立进化单元的划分。

谱系的快速形成主要归因于蝗虫有限的扩散能力、复杂的地形屏障以及更新世气候振荡引起的种群隔离与 fragmentation（碎片化）。而谱系得以长期存续的关键，则在于“短物种形成时间”，即生殖隔离（可能是由遗传漂变和/或生态差异驱动）能够相对快速地演化，从而在冰期-间冰期旋回中避免谱系融合。即使存在像TOST种群这样明显的杂交案例，由于其与亲本之一（C. binotatus）的生态和遗传相似性，后续的基因流更倾向于与该亲本进行，并未导致分类单元的边界模糊。这表明，半渗透的物种边界并不一定会危及谱系的进化独立性。

总之，这项研究强调了地形复杂性、历史气候波动和物种形成速度之间复杂的相互作用，正是这种相互作用推动了山脉地区的高速率物种形成和新特有现象的产生。该研究框架对于评估其他山区生物类群的物种 status 和理解全球生物多样性热点的形成机制具有重要的借鉴意义。