化石证据与分子分歧时间的整合分析推断被子植物起源于侏罗纪最晚期

《Nature Plants》：Integrated analysis of fossils and molecular divergence time estimates a latest Jurassic origin of angiosperms

　　

分子时间尺度建立在利用化石约束将分子进化校准到地质时间的基础之上，但传统校准策略使用的化石数据有限，且其解释往往带有主观性。研究人员在本研究中采用贝叶斯布朗桥模型（Bayesian Brownian Bridge, BBB），基于大规模化石出现数据推导数据驱动的校准密度。该方法整合了现生与历史多样性的不确定性，以估计谱系（clade）年龄。研究人员将基于 >25,000 条化石出现记录得到的年龄估计转换为校准密度，并用其约束一个由 83 个基因的分子比对推断得到的、包含 644 个物种的被子植物系统发育树中的 110 个节点年龄。结果与“被子植物起源于侏罗纪之后”的观点不相容，转而支持其具有一段较短的晚侏罗纪演化历史。本研究表明，在分子钟定年分析中，采用一种机制性（mechanistic）方法建立节点年龄约束具有重要效用，从而在推断进化时间尺度时，为整合分子数据与古生物学数据提供了一种更具客观性的方法。

该论文发表于《Nature Plants》，聚焦于长期存在争议的被子植物冠群起源时间问题，即“侏罗纪缺口”是否真实存在。进化树与地质时间的精确校准，是检验谱系演化速率、谱系间协同演化以及地球与生命协同历史等重大问题的基础。然而，分子钟推断依赖节点年龄校准，而传统做法通常仅选取少量化石作为最小年龄或最大年龄边界，既难以充分利用完整化石记录，也容易受到研究者主观解释的影响。对于被子植物而言，化石学界通常依据最早无争议化石将冠群起源限定于早白垩世，而许多分子钟研究却推断其起源可追溯至侏罗纪、三叠纪甚至二叠纪，由此形成化石记录与分子时间估计之间的显著张力。因此，如何以更加形式化、机制化、低主观性的方式把大量化石出现数据整合进分子钟分析，成为开展本研究的直接动因。

研究人员围绕这一问题，提出并实施了一个两步式序贯分析框架。首先，利用贝叶斯布朗桥模型（BBB，一种基于化石出现与现生多样性反推类群起源时间的贝叶斯统计模型），对被子植物不同分类层级的谱系起源年龄进行估计；其次，将这些年龄后验分布转换为节点校准密度，应用于大规模分子系统树的贝叶斯分子钟定年分析，从而重建被子植物的时间标定系统发育历史。研究最终得出核心结论：被子植物冠群并非起源于侏罗纪之后，但其历史也并不需要追溯到更古老的三叠纪或二叠纪；最符合化石与分子综合证据的解释，是其起源于晚侏罗纪，且主要多样化在早白垩世加速展开。这一结果显著缩小了传统所谓“侏罗纪缺口”，并说明在缺乏大规模形态矩阵的情况下，依然可以通过整合丰富化石出现数据与分子数据，建立信息量更高、客观性更强的时间尺度框架。

研究所采用的关键技术方法主要包括以下几类。其一，化石数据整编与修订：研究基于 25,685 条被子植物化石出现记录构建分析数据集，剔除花粉记录，并修订化石的地层年代与系统分类位置。其二，BBB 年龄估计：分别在科、目和冠被子植物层级上，根据不同采样单元建立化石出现矩阵，通过马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）估计谱系起源年龄及其 95% 最高后验密度区间（HPD）。其三，分子系统发育与定年：采用既有的 644 个物种、83 个基因的数据集，在固定拓扑下使用 MCMCtree 进行贝叶斯节点定年。其四，校准敏感性比较：将 BBB 结果转化为偏斜 t 分布、带软边界均匀分布和硬边界均匀分布三种节点校准策略，并比较其对边际密度与后验时间估计的影响。

在研究结果部分，论文首先以“Age estimation from the BBB method”为题，报告了基于 BBB 模型的类群年龄估计。BBB 不依赖显式系统树，仅假定待分析类群为单系，通过对多样性随时间变化的随机游走建模，并要求估计多样性不低于各时间单位中的已采样化石多样性，从而将类群起源时间定义为多样性首次为 1 的时点。研究人员将该模型应用于修订后的 25,685 条化石记录，排除了花粉化石，以避免系统归属不稳定及与中、大型植物化石难以直接对应等问题。与既往仅依据最古老科级类群反推被子植物年龄的做法不同，本研究分别在科、目以及冠被子植物层面估计年龄：科的年龄基于种级出现数据，目的年龄基于科级出现数据，冠被子植物年龄基于目级出现数据。最终共估计 101 个谱系的年龄，包括 65 个科、35 个目和冠被子植物类群。结果显示，大多数平均年龄落在白垩纪，少数分布于新生代，仅有 1 个科的平均起源时间落入侏罗纪；若汇总全部被子植物化石记录估计冠被子植物年龄，其范围为 150–133 Ma，平均值为 141 Ma，即晚侏罗纪至早白垩世。研究同时指出，化石记录稀少且地层分布分散的类群，会得到更宽的 HPD 区间，反映更高的不确定性。

随后，在“Molecular clock analyses”部分，研究进一步检验 BBB 年龄估计作为分子钟节点校准的表现。传统节点校准常以单个化石年龄作为下界，并辅以对缺失证据的定性判断设定上界，主观性较强；而 BBB 模型则可将全部可用化石证据整合为概率性年龄估计，并直接转化为校准密度。为考察不同校准不确定性设定对物种分歧时间的影响，研究设计了三种策略：其一，使用能够忠实反映 BBB 后验分布形状的偏斜 t 分布；其二，使用以 BBB 的 95% HPD 为界限、两端各附加 2.5% 尾部概率的软边界均匀分布；其三，使用严格限制于 BBB 的 95% HPD 范围内的硬边界均匀分布。结果表明，不同校准策略导致边际密度与后验时间估计存在显著差异。最宽松的策略会使冠被子植物年龄被推至二叠纪—三叠纪区间，明显老于 BBB 本身支持的时间范围；随着约束逐渐增强，估计时间依次变年轻、HPD 逐渐收窄。采用硬边界均匀分布时，冠被子植物被推断起源于晚侏罗纪，单子叶植物（monocots）、真双子叶植物（eudicots）、蔷薇类（rosids）和菊类（asterids）则均主要起源于白垩纪。这说明节点校准在构建联合时间先验时会因祖先节点必须早于后代节点而发生变形，若不加约束，原本来自化石证据的年龄信息可能在有效先验中被拉宽并向更古老时间偏移。

在讨论部分，研究人员强调，本研究的关键贡献不只是给出一个新的被子植物时间尺度，更在于提出了利用 BBB 客观构建节点校准的分析范式。论文指出，早期 BBB 研究将冠被子植物年龄建立在最古老科级类群基础之上，容易受到化石极少、年龄不确定度极大的古老科级类群影响，从而夸大冠群起源年龄。本研究通过在更高分类层级上整合下级分类单元的出现记录，并进一步结合系统发育树中的亲缘约束，显著降低了稀疏采样类群的不确定性。因此，与此前一些将被子植物冠群推到更深侏罗纪、三叠纪甚至二叠纪的分子钟研究相比，本研究得到的时间尺度更年轻，也与化石记录更加一致。研究还进一步论证，只有最严格的硬边界校准策略，才能使联合时间先验中的边际密度真正与 BBB 产生的化石基础年龄估计保持一致，因此这是最合适的实现方式。分子序列数据与系统发育框架在此基础上提供了进一步提高精度的能力，同时补全了没有直接化石记录的谱系时间信息。

论文结果的生物学意义在于，研究支持冠被子植物起源于晚侏罗纪中后段，而其物种丰富度的显著扩张则出现在早白垩世。这一时间框架一方面否定了必须假设存在漫长而难以解释的被子植物隐匿历史，另一方面也并不完全回到“最早无争议化石即起源时间”的字面化石解释。相反，研究表明，结合统计化石模型与分子分歧定年，可以将化石记录中的缺口纳入模型解释，从而得到更贴近真实演化历史的时间尺度。研究还指出，这一方法学框架有潜力用于解决其他经典“岩石记录—分子钟”冲突，如有胎盘哺乳动物和动物起源时间等问题。

结论部分可译述如下：研究人员提出了一种将丰富化石记录整合进分子钟分析的方法。通过将贝叶斯模型应用于经修订的被子植物化石出现数据集，研究获得了不同分类层级的谱系年龄估计，并进一步将这些估计作为节点校准密度，用于推断时间标定的系统发育树，从而重建被子植物的起源与分化历史。结果估计冠群被子植物起源于晚侏罗纪，显著缩小了分子钟与最早明确冠群被子植物化石之间被感知的“侏罗纪缺口”。这一修订后的时间框架与早期被子植物化石记录所得的生物地理学推断一致，并提示被子植物多样化在早白垩世开始加速。