绿藻纲Trebouxiophyceae的起源与演化：中元古代-新元古代淡水生境驱动的谱系分化

本研究通过系统转录组学（Phylotranscriptomics）揭示了绿藻纲Trebouxiophyceae的古老起源与分化历程。研究团队构建了高支持度的系统发育树，发现不完全谱系分选（ILS）是基因树异质性的主因，并首次确定该类群起源于中元古代晚期至新元古代早期（1094-911 Ma）。研究强调了淡水生境在其演化中的核心作用，为理解早期光合真核生物的生态适应及地球碳氧循环提供了新视角。

　　

研究背景

绿藻纲Trebouxiophyceae作为光合真核生物的重要类群，具有极高的形态与生态多样性。其成员包括具有生物燃料潜力的Botryococcus braunii、广泛应用于水产养殖的Chlorella vulgaris等经济物种，以及地衣共生藻Trebouxia等特殊生态型。然而，该类群的系统发育关系长期存在争议，尤其关于其单系性、内部分类及起源时间等问题悬而未决。传统形态学分类因缺乏可靠鉴别特征而受限，而早期分子研究因取样不足和基因标记有限导致结论不一致。

研究方法创新

研究团队采用大规模转录组与基因组数据（844个直系同源基因，93个物种），结合多基因串联（Concatenation）与溯祖（Coalescent）分析方法，首次构建了高密度的Trebouxiophyceae系统发育框架。为解决化石校准难题，设计了4种校准策略：排除争议化石Leiosphaeridia（策略1）、将其分别归入Chlorella分支（策略2）、Elliptochloris分支（策略3）或Prasinophytes（策略4）。通过贝叶斯分子钟（MCMCTree）估算分歧时间，并利用祖先状态重建（Ancestral State Reconstruction）追溯关键性状演化历程。

核心发现

1. 系统发育关系重构
研究证实Trebouxiophyceae为单系群，与Ulvophyceae和Chlorophyceae构成姐妹群。该类群明确分为两大分支：核心trebouxiophyceans（含Prasiolales、Microthamniales等）和Chlorellales。值得注意的是，Chlorellales内部存在非单系性，部分物种与Pedinophyceae聚枝，反映了历史上分类的复杂性。

2. 演化时间尺度
四组校准策略均支持Trebouxiophyceae起源于中元古代-新元古代过渡期（1094.04-910.77 Ma）。其中：

• Chlorellales分化于1027.72-861.72 Ma
• Prasiolales和Watanabeales分别于新元古代-古生代（726.17-368.78 Ma）和奥陶纪（650.28-422.04 Ma）辐射
  这一时间框架与"无聊的十亿年"（Boring Billion）后全球碳循环复苏期吻合，暗示其可能参与了古环境氧含量变化。

3. 生境适应与性状演化
祖先状态重建揭示：

• 祖先为淡水生境（74.5%概率）的单细胞藻类，通过营养繁殖
• 寄生生活方式在Chlorellales中独立起源1次（转化率62.8%）
• 外共生（Exosymbiosis）在核心类群中演化2次（如Symbiochloris和Trebouxia-Asterochloris分支）
  淡水环境被证明是演化"跳板"：可直接转化为陆生（转化率6.758）或寄生（1.915），而反向转化仅能通过寄生（3.049）或海洋（0.931）途径实现。

争议解决与机制解析

1. 基因树冲突根源
通过Phyparts和ASTRAL分析发现：

• Trebouxiophyceae节点仅4.86%基因树一致，79.62%存在冲突
• 四重奏采样（Quartet Sampling）显示q2=q3=0.23，表明白垩纪快速辐射导致的ILS是主因
• 质体基因组与核基因组冲突（Cytonuclear Discordance）模拟实验排除了单纯ILS解释，暗示存在古杂交事件

2. 分类学修订
研究支持将Nannochloris atomus从Picochlorum属移出，其与Oocystaceae的亲缘关系更近。同时确认了Watanabeales目（Li et al. 2021）的系统位置，解决了长期存在的目级分类争议。

技术突破

研究团队开发了新型分析流程：

1. 使用GHOST模型处理位点异质性
2. 通过TreeShrink过滤长枝吸引（LBA）效应
3. 采用ddBD（data-driven Birth-Death）树先验提高时间估算精度
   这些方法将基因树冲突误差降低92%（GRF距离评估），为深部分支研究树立了新标准。

演化意义

该研究揭示了淡水生境在早期光合生物辐射中的核心作用：

1. 中元古代淡水环境为Trebouxiophyceae提供了躲避海洋竞争的"避难所"
2. 淡水-陆生转化伴随脱水耐受基因（如LEA蛋白）的创新，为后续陆生植物登陆奠定基础
3. 多细胞化事件在核心类群中独立发生≥3次，印证了"多细胞性易演化"假说

应用前景

研究成果可指导：

• 产油藻种（如Botryococcus）的种质资源开发
• 污水处理的藻类选育（如Chlorella fusca）
• 地衣共生体系的人工构建

局限与展望

当前研究尚存两点局限：

1. Trebouxiales目物种取样不足
2. 缺乏确凿化石校准
   未来通过扩大基因组取样和发现关键化石，有望进一步解析这类古老藻类的完整演化史诗。