系统发育模型选择对洞穴蟋蟀进化历史重建的不确定性影响

《Communications Biology》：Uncertainties in the phylogeny and biogeography of cave crickets

本研究针对Kim等人（2024）关于洞穴蟋蟀（Rhaphidophoridae）系统发育与生物地理学的研究结论进行重新评估。通过采用位点异质性模型（CAT-GTR+G4）对原始数据重新分析，发现基于Sanger测序数据的系统发育关系存在显著不确定性。研究表明，不同模型选择会导致亚科间亲缘关系拓扑结构变化，特别是Anoplophilinae与Gammarotettiginae的姐妹群关系不稳定。研究强调基因组尺度数据和模型比较对解决直翅目昆虫进化历史的重要性。

　　

在昆虫进化生物学研究中，洞穴蟋蟀（Rhaphidophoridae）一直是一个引人入胜的研究对象。这类无翅直翅目昆虫分布遍及全球（除南极洲外），包含九个现存亚科。由于其有限的迁移能力，洞穴蟋蟀成为研究地理隔离与物种形成的理想模型。然而，正是这种独特的生物学特性，使得重建其系统发育关系变得异常复杂——不同亚科之间进化关系的模糊性，直接制约了我们对其生物地理历史和进化机制的理解。

近期，Kim等人在《Communications Biology》发表的研究（以下简称KIM24）首次纳入了神秘亚科Anoplophilinae，基于Sanger测序数据构建了洞穴蟋蟀的系统发育框架。该研究提出了两个重要结论：Anoplophilinae与北美洲西海岸的Gammarotettiginae构成姐妹群；地质事件（如白令陆桥和西部内陆海道的开合）促进了这些亚科的分化与扩散。然而，这些看似清晰的结论背后，是否隐藏着方法论上的隐患？

为了验证KIM24研究结论的稳健性，王业浩等人对原始数据进行了全面的重新分析。研究发现，当使用不同的系统发育重建方法（最大似然法和贝叶斯推断）和替代模型时，原本报道的拓扑结构无法稳定重复。特别引人注目的是，当采用更先进的位点异质性模型（CAT-GTR+G4）时，亚科间的亲缘关系发生了显著变化。

关键技术方法方面，研究团队采用了多重分析方法验证系统发育关系的稳健性。使用110分类单元矩阵（3151个碱基对，888个信息位点）进行最大似然法（ML）分析，通过IQ-TREE v2.2.2.7进行分区和非分区分析，各重复5次评估可重复性；贝叶斯推断（BI）采用PhyloBayes MPI v1.9，在CAT-GTR+G4和GTR模型下分别运行；通过留一交叉验证（LOO-CV）和广义信息准则（wAIC）进行模型比较；后验预测检查评估模型拟合优度。

系统发育关系的不稳定性

重新分析显示，KIM24报道的亚科间关系在多数分析方法下难以重复。在CAT-GTR+G4模型下，三个亚洲亚科（Anoplophilinae、Rhaphidophorinae和Aemodogryllinae）形成了单系群，而非KIM24所报道的Anoplophilinae与北美洲Gammarotettiginae的姐妹群关系。这一结果挑战了KIM24关于跨白令海峡扩散假说的基础。

模型选择的关键影响

模型比较表明，位点异质性CAT-GTR模型显著优于位点同质性GTR模型。LOO-CV（ΔCV=0.5621）和wAIC（ΔwAIC=0.5624）得分均支持CAT-GTR的优越性。后验预测检查进一步证实，CAT-GTR模型的p值为0.768，而GTR模型p值为0，Z值分别为-0.728845和12.0264，表明CAT-GTR能更好地处理组成异质性。

分类单元采样不足的影响

研究指出，关键物种如Gammarotettix genitalis仅由单个基因（601个位点）代表，而Gammarotettiginae和Anoplophilinae等亚科采样不足，增加了系统发育推断的不确定性。特别是当Alpinoplophilius属被排除时，Anoplophilinae的单系性受到质疑。

数据矩阵差异的启示

对111分类单元矩阵的分析出现了更显著的变化：Gammarotettiginae未与Anoplophilinae聚类，反而被吸引至外群位置。这一长枝吸引现象进一步凸显了当前数据集的局限性。

本研究通过严谨的重新分析，揭示了基于Sanger测序数据的洞穴蟋蟀系统发育重建存在显著不确定性。不同模型选择和分析方法产生冲突的拓扑结构，特别是关键亚科间关系的不稳定性，直接挑战了已有的生物地理学解释。模型比较结果强有力地表明，位点异质性模型能更有效地处理系统发育信号中的组成异质性，减少长枝吸引等系统误差。

这些发现对直翅目进化研究具有深远意义：首先，强调在利用有限分子标记（如Sanger测序数据）进行深部分支系统发育重建时，必须谨慎对待模型选择；其次，当前数据远不足以解决洞穴蟋?类的系统发育关系，未来需要基因组尺度数据的整合；最后，在缺乏稳健系统发育框架的情况下，生物地理重建和分化时间推断的结论需要重新评估。

该研究不仅指出了前人研究的方法论局限，更为未来昆虫系统学研究指明了方向——结合更全面的分类采样、更先进的进化模型和更丰富的基因组数据，才能最终解开洞穴蟋蟀这一古老类群的进化之谜。