蚯蚓属Scherotheca（Lumbricidae, Crassiclitellata）的形态辐射与系统发育基因组学揭示西地中海地区蚯蚓多样性演化历史

本综述通过整合形态学与多基因分子系统发育分析，揭示了Scherotheca属蚯蚓的演化历程。研究证实该属为单系群，推翻了传统亚属分类体系，并发现其起源于中始新世（~47 Mya）的科西嘉-撒丁-普罗旺斯微板块。通过祖先性状重建和生物地理学分析，揭示了体型大小和生殖特征的辐射演化与古地理事件（如比利牛斯造山运动、埃布罗盆地开裂）及生态压力密切相关。研究为理解西欧蚯蚓的功能性状演化和生物地理历史提供了重要框架。

　　

引言

Lumbricidae（正蚓科）作为古北区最常见的蚯蚓科，包含47属615种。除Allolobophora和Aporrectodea等争议类群外，Scherotheca属以51个物种成为该科多样性最高的属之一，其分布中心位于法国和西班牙西部地中海地区。该属表现出惊人的生态形态辐射：从小型表栖型到巨型深栖物种，体重差异超过100倍。近年研究发现，原属于Eumenescolex和Allolobophora的物种通过分子系统发育分析被纳入Scherotheca，进一步扩展了该属的形态范围。

功能生态学研究将Scherotheca的7个物种划分为6个功能群，其中6种属于"强烈隧道挖掘者"（intense tunneller），而Scherotheca altarocca则被归为"深层生物扰动者"（deep bioturbator）。这种功能多样性使该属成为研究正蚓科生态类别相关功能性状演化的理想模型。然而，缺乏全面的系统发育框架限制了对其多样化机制的理解。

先前研究虽已涵盖32个物种，但普罗旺斯地区物种和伊比利亚半岛特有种的缺失，阻碍了对该属生物地理历史的完整重建。本研究通过对16个未表征物种及额外种群的形态分子分析，旨在实现四个目标：重建系统发育关系、识别未描述物种、修订属级分类系统，并重构形态辐射与历史生物地理过程。

材料与方法

标本采集与形态描述

2008-2023年间在法国和西班牙采集标本，采用挖掘手拣法收集（除一个地点使用甲醛提取）。标本经清水冲洗后固定于70%乙醇，后转移至96%乙醇用于分子分析。形态鉴定依据Bouché（1972）和Qiu & Bouché（1998）建立的特征体系，包括外部形态（体长、体节数、体重、直径、色素沉着、首背孔位置等）和内部解剖特征（心脏位置、钙腺形态、受精囊数量等）。

DNA测序与系统发育分析

选择每个已知种或推定新种的代表个体进行测序，对疑似隐存种的Scherotheca aquitania则跨分布区选取多个种群。扩增核基因28S rRNA和线粒体COI、16S rRNA、ND1、12S rRNA（含tRNA Val）区域，使用Primer序列和条件参照Pérez-Losada等（2009）和Domínguez等（2015）。测序结果提交GenBank（登录号：PV778567-PV778592等）。

使用MAFFT v.7进行序列比对，BioEdit拼接后获得4077 bp矩阵。通过IQ-TREE确定最佳分区模型（COI、16S、ND1和12S+tRNA Val适用GTR+I+G；28S适用TNe+G）。最大似然（ML）和贝叶斯（BI）系统发育分析分别采用IQ-TREE和MRBAYES v.3.2完成。BEAST v.1.10进行时间标定，采用Yule模型和非相关对数正态松弛钟，校准点参照Marchán等（2017）的95% HPD区间：林蚓科与正蚓科分化时间93-180 Mya，正蚓科冠群年龄69-128 Mya。

计算COI非校正平均配对遗传距离（UAPG），使用RASP 4进行祖先区域重建（允许最大3个区域），Mesquite软件进行祖先性状重建（最大似然法）。分析性状包括形态功能（体重、体长、体节数、色素）和生殖特征（环带长度、受精囊行数、精囊对数等）。

结果

系统发育关系

ML和BI分析获得高度一致的拓扑结构（图1）。Scherotheca gabriellae被恢复为最早分支物种（ML）或次分支（BI）。科西嘉物种形成三个独立支系（支系1-3），其中支系1和3分别以法国大陆物种Eumenescolex pereli和Sc. portcrosana为基部分支。BI分析将支系1和2嵌套为单系，排除Sc. portcrosana。新种Sc. sarae与Sc. altarocca稳定聚为一支。

其余物种构成高支持度的支系4。ML分析显示Sc. provincialis为最早分支，其后分为支系5（含Sc. aubrac nov. sp.、Sc. sanyariensis等）和支系6（含Sc. gigas、Sc. aquitania等）。BI分析获得相同支系但分支顺序不同。值得注意的是，Sc. rhodana与Sc. rhodana pellerini不构成单系，Sc. aquitania代表也呈多系性，与Sc. dinoscolex和Sc. rhodana pellerini交织。

支系7包含剩余物种，分为支系8（Sc. navarrensis-Sc. rouxi）、支系9（含新种Sc. horrocksae nov. sp.等）和支系10（含Sc. minor、Sc. thibauti等）。原亚属Corsicadrilus物种（Sc. qiui、Sc. portonana等）分散于多个支系，Rosanus亚属物种（Sc. brevisella、Sc. targionii等）穿插其中，Opothedrilus亚属物种与部分Scherotheca亚属物种混合。

时间校准与遗传分化

时间标定分析（图2）估计Scherotheca属起源年龄为47.2 Mya（95% HPD: 37-60 Mya）。科西嘉支系1-3于41.9 Mya（33-54.7 Mya）前分化，大陆支系4同期分出。支系1和2根部分别为41.6 Mya（32.3-54 Mya）和36.7 Mya（28.2-49.5 Mya），表明科西嘉与普罗旺斯物种分化与微板块裂离时间重叠。支系5+6与支系7的分化时间为38.2 Mya（29.9-50.9 Mya），内部多样化事件与东南法国盆地海侵（34-23 Mya）和比利牛斯造山运动（37-30 Mya）时间吻合。埃布罗盆地种群分化（11.8 Mya, 8.2-17.1 Mya）与盆地开裂（11-9 Mya）高度一致。

COI UAPG距离介于7.2%（Sc. michaelseni与Sc. microthomasi）至20%（Sc. haymozi与Sc. minor）之间，98%比较超过12%。新种Sc. evae nov. sp.、Sc. sarae nov. sp.、Sc. aubrac nov. sp.和Sc. horrocksae nov. sp.的UAPG距离为11%-15%，符合近缘正蚓科种间差异范围。

祖先区域重建

祖先区域重建（图3）显示Scherotheca最近共同祖先起源于撒丁-科西嘉-普罗旺斯地区。科西嘉支系祖先区域为科西嘉-普罗旺斯，大陆支系4祖先区域为普罗旺斯。支系5+6+7祖先区域覆盖普罗旺斯-奥克西塔尼-纳瓦拉/巴斯克/韦斯卡，呈现自东向西扩张模式。支系5（Sc. rhodana-Sc. sanyariensis）祖先区域为普罗旺斯-奥克西塔尼，支系6（Sc. gigas-Sc. dinoscolex）为奥克西塔尼。支系7祖先区域为新阿基坦-纳瓦拉/巴斯克/韦斯卡，其下支系9和10具相同祖先范围。支系10亚支主要显示阿基坦起源，支系9亚支分别为阿基坦和纳瓦拉/巴斯克/韦斯卡起源。

祖先性状重建

祖先性状重建（图4）表明所有Scherotheca最近共同祖先体重1.8-7.79 g，体长8.7-16.39 cm，体节数<168，色素微弱，环带10-15节，具2行简单受精囊和4对精囊。科西嘉-普罗旺斯支系祖先保持相同特征，大陆支系4根部出现性状转变：体节数增加（294-405）和色素增强。科西嘉三个支系内部分别出现体型减小与环带缩短（支系1）、体节数与受精囊行数增加（支系2）、体重/体长/体节数减少及色素缺失（支系3）等适应性分化。

大陆支系祖先表现为体重1.8-7.79 g，体长8.7-16.39 cm，体节数294-405，强色素，环带10-15节，4-5行简单受精囊和4对精囊。普罗旺斯-奥克西塔尼支系（5+6）内部出现体节数减少（Sc. gigas-Sc. albina支系）、体重增加和环带延长（Sc. gigas支系、Sc. dinoscolex支系）等辐射适应。

支系7内普遍出现体重、体长和环带尺寸增加，而Sc. navarrensis与Sc. rouxi祖先则发生体节数显著减少。该支系演化出三种生殖特征组合：2-3行多重受精囊、6-8行简单受精囊和中间型（4-5行简单受精囊），后两者从具2对简单受精囊的祖先演化而来。巨种-中小型物种对（Sc. monspessulensis与Sc. albina、Sc. thibauti与Sc. minor）的共同祖先更类似较小物种。

分类学结果

分子系统发育与遗传距离支持4个新形态种为独立物种，分类描述如下：

Scherotheca evae Marchán and Novo sp. nov.

鉴别特征：与Sc. albomaculata（环带位置相似）区别在于显著更大的体型（体长22 cm vs 9.8-11.8 cm；体重11.41 g vs 2.07 g）、结核位置（XXX-XXXVI(XXXVII) vs XXX-XXXVIII）和腺垫位置（XXXIX-XLVII vs XLI-XLIV）。COI遗传距离与多基因系统发育支持其独立地位。

形态描述：固定标本呈灰色具深斑，环带米色。正模体长22 cm，直径1.05/1.23/1 cm，体节258节，体重11.4 g。前叶上唇式封闭。受精囊孔位于11/12-13/14节间，多孔。雄性孔在15节，具弱发育孔突。环带鞍形位于(XXVI)XXVII-XXXVIII节。结核位于XXX-XXXVI(XXXVII)节。XXXIX-XLVII节具刚毛瘤腺垫。

内部解剖：5/6-10/11隔膜增厚肌肉质。VI-XI节具食管侧心脏。X-XIV节钙腺具X节盲囊。XV-XVI节嗉囊，XVII-XIX节砂囊。羽状盲道。雄系全育，X-XI节腹侧具睾丸与漏斗。IX-XII节4对肾形精囊。XIII节卵巢与雌漏斗，XIV节卵囊。11/12-13/14节间具多个小型隔膜内受精囊。30节U形后曲肾管。

分布与生态：已知于科西嘉南部常绿栎林单一地点。

Scherotheca sarae Marchán and Novo sp. nov.

鉴别特征：与Sc. qiui（环带位置重叠）区别在于更小体型（平均体长3.5 cm vs 7.4 cm；体重0.18 g vs 0.92 g）、精囊对数（4 vs 2）和结核位置（XXIX-XXXIII vs XXX-XXXIII (1/n XXXIV)）。与Sc. mausolea、Sc. portcrosana和Sc. capcorsana区别在于更小体型和独特结核位置。

形态描述：固定标本米灰色，环带白米色。正模体长3.5 cm，直径0.3/0.4/0.3 cm，体节122节，体重0.18 g。受精囊孔位于12/13,13/14节间。雄性孔具强发育孔突。环带位于XXVI-XXXVI节。结核位于XXIX-XXXIII节。

内部解剖：5/6-10/11隔膜增厚肌肉质。VI-XI节食管侧心脏。X-XIV节钙腺具X节盲囊。XV-XVI节嗉囊，XVII-XIX节砂囊。羽状盲道。IX-XII节4对肾形精囊。XIII节卵巢与雌漏斗。XII-XIII节（12/13,13/14节间）具2对大球形受精囊。30节U形后曲肾管。

分布与生态：科西嘉南部常绿栎林单一地点。

Scherotheca aubrac Marchán and Gérard sp. nov.

鉴别特征：与Sc. rhodana（环带位置相似）区别在于较弱发育的雄性孔突和结核位置（XXXVI-XLI(XLII) vs ? XXXII-XLI）。COI遗传距离与系统发育支持其独立地位。

形态描述：体色深具梯度，固定标本浅灰环带米色。正模体长17 cm，直径1.04/1/0.8 cm，体节294节，体重9.1 g。受精囊孔位于9/10-12/13节间。雄性孔具弱发育孔突。环带位于XXVII-XLII节。结核位于XXXVI-XLI(XLII)节。

内部解剖：5/6-10/11隔膜增厚肌肉质。VI-XI节食管侧心脏。X-XIV节钙腺具X节盲囊。XV-XVI节嗉囊，XVII-XIX节砂囊。羽状盲道。IX-XII节4对肾形精囊。XIII节卵巢与雌漏斗。9/10-12/13节间具4对小球形隔膜内/壁内受精囊。30节U形后曲肾管。

分布与生态：奥布拉克地区洛特河畔草原单一地点。

Scherotheca horrocksae Marchán, Gérard and Martínez Navarro sp. nov.

鉴别特征：与Sc. microthomasi（环带位置重叠）区别在于结核位置（XXXI(XXXII)-XLIII vs (XLIII)XLV-XLIX,LI）、XLV-XLIX节腺垫存在及显著更大体型（平均体长33.6 cm vs 16.4 cm；体重27.54 g vs 8.95 g）。与Sc. etcheberriensis、Sc. thomasi、Sc. michaelseni和Sc. betharramensis区别在于独特环带和结核位置。

形态描述：活体深色虹彩背侧限定，固定标本深灰环带浅灰。平均体长33.6 cm，直径1.46/1.45/1.3 cm，平均体节386节，体重27.54 g。受精囊孔位于13/14-18/19节间。雄性孔具弱发育孔突。环带位于(XXVIII)XXIX-L节。结核位于XXXI(XXXII)-XLIII节。

内部解剖：5/6-10/11隔膜增厚肌肉质。VI-XI节食管侧心脏。X-XIV节钙腺具X节盲囊。XV-XVI节嗉囊，XVII-XIX节砂囊。羽状盲道。XI-XII节2对肾形精囊。XIII节卵巢与雌漏斗。XIV-XIX节（13/14-18/19节间）具6对极大球形受精囊。30节U形后曲肾管。

分布与生态：萨吉圣艾蒂安落叶林周边草原单一地点。

分类修订

提升以下分类单元地位：

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  Scherotheca pellerini (Qiu and Bouché, 1998) stat. nov.（原Sc. rhodana pellerini）

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  Scherotheca jacana (Qiu and Bouché, 1998) stat. nov.（原Sc. dinoscolex jacana）

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  Scherotheca gabriellae gallurae (Omodeo, 1984) comb. nov.（原Eumenescolex gabriellae gallurae）

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  Scherotheca pereli (Bouché, 1972) comb. nov.（原Eumenescolex pereli）

• ?

  Scherotheca provincialis (Vedovini, 1971) comb. nov. stat. nov.（优先于Sc. porotheca）

经此修订，Scherotheca属包含56个物种。

讨论

系统学意义

所有Scherotheca代表物种均恢复为单系群，支持属的monophyly。与Aporrectodea、Helodrilus、Dendrobaena或Allolobophora等属不同，该属形态学与整合系统学高度吻合。分子系统学主要修订涉及原Eumenescolex物种的纳入，目前Sc. pereli comb. nov.、Sc. gabriellae gallurae和Sc. emiliae均被确认属于Scherotheca。但Eumenescolex模式种E. heideti未被纳入分析，正式同物异名化仍需其分子数据。

Bouché（1972）和Qiu & Bouché（1998）建立的四个亚属均未呈现单系性，表明基于精囊和受精囊数量与位置的分类体系不反映演化关系。这些生殖特征在近缘种间展现显著可塑性。

Sc. aquitania被证实为隐存种复合体，法国支系（支系6）内含明确分界物种（Sc. pellerini、Sc. dinoscolex）和长分支种群。西班牙支系（支系9）构成独立分类单元，但其形态分界因Sc. jacana的穿插而复杂化。解决该问题需对东北西班牙地区加强采样并采用高级物种界定方法。

尽管不同建树方法存在冲突（如基部分支顺序、科西嘉支系数目），系统发育拓扑整体一致。若干基部节点支持率低提示高级系统关系不稳定，增加分子标记（如锚定杂交富集靶向600个位点）可能解决该问题。

历史生物地理与演化

古地理、生物地理与分子定年结果高度一致：Scherotheca祖先起源于中始新世（47 Mya）科西嘉-撒丁-普罗旺斯连续地体，证实了Marchán等（2023a）的假设。撒丁岛被纳入祖先范围但仅存在一个物种（及亚种）的现象可能源于未发现物种或岛屿气候地质变化导致的灭绝事件。

Sc. portcrosana和Sc. pereli作为科西嘉支系的近缘大陆残遗种（均已知于单一地点），具有重要保护价值。科西嘉物种多数在岛屿裂离旋转期间分化，其功能性状和生态可能反映对岛屿化和区系隔离的适应。

祖先区域重建显示Scherotheca沿普罗旺斯-奥克西塔尼-西比利牛斯（法西两侧）序列向西扩张。东南法国盆地晚始新世-渐新世的海侵可能通过反复隔离与 reconnect 适宜生境中的谱系，影响了普罗旺斯-奥克西塔尼支系（支系5+6）的多样化。

阿基坦-西班牙支系（支系7）起源（约晚始新世）与西比利牛斯强烈抬升期吻合，该地质事件暴露新陆地生境并创造独特环境条件，促进了属内最旺盛的多样化。其祖先区域位于西班牙北部（而非预期的阿基坦）可能源于法国侧未发现早期分支物种或灭绝事件。西班牙侧比利牛斯山的有限殖民受埃布罗盆地古湖系统限制，该盆地在11 Mya前通过埃布罗河向地中海打开，与Sc. jacana和萨拉戈萨-索里亚种群的分化时间重叠。

加泰罗尼亚地区仅存在一个特有种（Sc. pellerini）的现象可能源于Hormogastridae（链胃蚓科）的高多样性：该科包含Norana和Boucheona等属，与多数Scherotheca物种具有相似挖掘取食行为（均被归为强烈隧道挖掘者功能群）。Scherotheca入侵种可能被本地hormogastrid物种竞争排斥，因其对当地生境适应更佳。替代解释涉及鲁西永（法侧）与加泰罗尼亚的环境差异。

Scherotheca与Aporrectodea的古生物地理非重叠性可解释二者演化和当前分布的诸多方面。Scherotheca起源于科西嘉-撒丁-普罗旺斯地体，而Aporrectodea出现于奥弗涅-罗纳-阿尔卑斯地区（Marchán等，2023b）。前者范围扩张和多样化主要呈东西方向，后者为南北方向。二者在演化史上缺乏竞争，形态收敛可能是在对方缺失情况下填充相似生态位的结果：科西嘉Scherotheca物种与Aporrectodea惊人相似（该岛无特有Aporrectodea），而东北部（勃艮第-弗朗什-孔泰与大东部）Aporrectodea物种（如A. gogna和A. velox）则呈现Scherotheca特征（大型深色深栖种）。Lumbricus（环毛蚓属）情况类似，其起源围绕发育中的阿尔卑斯地区（Marchán等，2025），虽现生种与Scherotheca共存，但后者原生范围内无特有种（除L. klarae）。最大Lumbricus物种（L. polyphemus、L. badensis）仅分布于中欧。尽管三属生态偏好、功能性状和取食-挖掘行为略有差异，其协同演化及竞争/缺失效应对其的影响值得深入研究。

祖先性状重建结果揭示了Scherotheca的潜在历史。其最近共同祖先类似Sc. portcrosana（除体和环带稍长），表明更基础的Sc. gabriellae特征状态属衍生而非祖先态。该结果也支持BI拓扑（Sc. portcrosana为最早分支）。Scherotheca祖先已比早期Lumbricus（如L. baicalensis、L. castaneus）和Aporrectodea（如A. rubicunda、A. arverna）更大且环带更长。

科西嘉微板块裂离旋转前的祖先性状推断高度一致，而体质和生殖特征的形态辐射在隔离开始后独立出现于三个支系。这些适应可能响应岛屿化，包括气候变化和生物互作。虽存在平行适应（环带缩短、体型减小），其他特征（色素、受精囊行数、精囊对数）以不同方式演化，呈现相似进化压力下的趋同适应与分化。新种Sc. evae sp. nov.代表科西嘉岛内相对近期岛屿巨型化案例（总体背景为岛屿侏儒化），可能是填充空生态位的响应（唯一类似大小物种为Hormogaster insularis）。

大陆支系4根部的性状转变（色素增强、体节数增加）可能提示该属物种生态类别变化（从主要为土栖到深栖），与生物地理变化（范围西扩）相关。也可能关联强烈挖掘者功能群的兴起，但仅一个科西嘉支系代表（Sc. altarocca，深层扰动者）经过功能测试。

除Sc. monspessulensis（栖息地中海生境）外，巨型化趋势（平均体重≥20 g，体长≥30 cm）出现于半海洋性至海洋性（大西洋）地区物种和支系。该趋势在阿基坦-西班牙支系（支系7）两个主要物种群中平行发生，有力支持气候与大体型关联假说：持续高土壤湿度、温和冬夏及高植被生产力允许更长的取食生长窗口。但这些地区内存在小型物种（如Sc. haymozi或Sc. minor）及地中海物种Sc. monspessulensis表明另有进化压力参与Scherotheca体型辐射。如Marchán等（2023c）指出，小、大、巨型Scherotheca物种同域共存可能提示体型分化是避免种间竞争的策略。另一种解释为捕食避免或生存：大多数穴居捕食者（步甲、马陆、蜘蛛）远小于平均Scherotheca，其他捕食者（两栖类、有鳞目、鼹鼠、刺猬）难以吞食巨型个体，使被捕个体可逃脱再生。即使对鸟类、獾、野猪等大型捕食者，在岩石或根密土壤中挖掘深洞并快速缩回的能力为最大Scherotheca物种提供有效保护。

与Sun等（2017）研究发现不同，Scherotheca呈现受精囊数量增加的整体趋势。重复受精囊（同节或异节）对繁殖的影响缺乏实证研究，但更多受精囊可能增加向配偶的精子传递，减少精子介导的交配竞争策略（如交配栓、特化刚毛精子移除）的影响。该性状演化存在明显适应优势。但Scherotheca各支系中不同（且稳定）的受精囊行数、每行数量和位置组合更令人困惑。如Sun等（2017）所提示，其他内脏器官发育（和占据空间）可能限制了受精囊位置和数量，导致不同适应峰值。例如，在12/13和13/14节间前方出现额外简单受精囊行可避免与嗉囊（15-16节）和砂囊（17-19,20节）的解剖冲突，促进其发育。具多行受精囊（12/13)13/14-14/15的物种可通过这些结构位于体壁内避免与嗉囊砂囊重叠，而受精囊行超过13/14的物种则因受精囊简单、小且位于体壁内避免冲突。

结论

本研究通过整合系统学与系统发育分析揭示Scherotheca为单系属，其复杂演化历史受古地理事件和（潜在）生态压力塑造。将原Eumenescolex物种纳入Scherotheca并推翻传统亚属分类体系，再次证明分子方法推进蚯蚓分类学的价值。生物地理上，Scherotheca起源于科西嘉-撒丁-普罗旺斯地体及其后向南欧的西扩，呈现地质历史与谱系多样化的高度吻合。形态适应（如体型和受精囊多样性）反映环境影响和