《Plant Diversity》：Phylogenomics reveals heterogeneous spatio-temporal diversification of Saxifraga (Saxifragaceae)
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虎耳草属（Saxifraga L.）是虎耳草科（Saxifragaceae）中最大的属，约有420种，是山地系统快速辐射（rapid radiations）的典型代表。理解这一特殊物种多样性背后的过程，有助于揭示塑造山地植物多样化的机制。在本研究中，研究人员整
虎耳草属（Saxifraga L.）是虎耳草科（Saxifragaceae）中最大的属，约有420种，是山地系统快速辐射（rapid radiations）的典型代表。理解这一特殊物种多样性背后的过程，有助于揭示塑造山地植物多样化的机制。在本研究中，研究人员整合了质体基因组（plastid genomes，覆盖约60%的物种）和低拷贝核基因座（low-copy nuclear loci，覆盖约80%），以重建虎耳草属的多样化历史。研究结果建立了迄今最全面的属级系统发育，厘清了主要谱系之间的关系，解决了多个先前界定模糊的组的系统位置和单系性（monophyly），并揭示了近期辐射中广泛的细胞核质不一致性（cyto-nuclear discordance）。分歧时间估算（Divergence dating）表明其起源于晚白垩世（Late Cretaceous），随后经历了多次扩散和辐射事件。尽管起源古老，但现存的大部分多样性源于近期快速辐射。生物地理重建进一步表明，虎耳草属很可能起源于东亚，随后独立拓殖到青藏高原（Qinghai–Xizang Plateau）及周边山脉，这些地区复杂的地形和气候波动促进了多样化。总之，本研究为虎耳草属异质的多样化速率和模式（heterogeneous tempo and mode of diversification）提供了新见解，并强调了地理和生态策略在塑造高山生物多样性中的作用。这些发现完善了这一分类学复杂的属的进化历史，并为理解山地植物辐射提供了更广泛的视角。
**论文解读：虎耳草属异质时空多样化的系统基因组学解析**
**研究背景与问题**
山地系统拥有极高的物种多样性，是全球生物多样性热点。然而，驱动山地植物快速辐射的机制仍不完全清楚。虎耳草属（Saxifraga L.）是虎耳草科（Saxifragaceae）最大属，约420种，广泛分布于北半球山地生态系统，是研究山地多样化的理想模型。但该属显著的形态多样性和分类复杂性长期阻碍了其多样化历史和驱动因素的重建。以往研究受限于样本量有限、分子标记数量少以及系统发育信号不足，导致属内主要谱系关系、若干组的单系性、生物地理起源（如东亚或北美）以及多样化动态（如是否发生多次快速辐射）均存在争议。例如，Tkach等人基于有限位点（如ITS和质体标记）构建的系统发育存在多分支未解析；Carruthers等人虽利用靶向富集技术扩大了样本，但主要聚焦于生物群区演化而非详细系统关系。因此，亟需整合大规模基因组数据与广泛采样，构建稳健的系统发育框架，以阐明虎耳草属的时空多样化过程。
**技术方法概述**
本研究采用多种样本来源：优先使用新鲜叶片和硅胶干燥叶片，辅以标本馆标本，并整合GenBank公开数据，新测序159个基因组重测序数据集（覆盖约150种）。关键技术方法包括：1）质体基因组组装：使用GetOrganelle v1.7.7.0，从重测序数据中组装73个蛋白编码序列（PCGs），并用MACSE v2和Gblocks 0.91b进行比对和筛选。2）低拷贝核基因座提取：利用Easy353流水线，以Carruthers等人（2024）的目标库为参考，从重测序数据中提取96个低拷贝核基因座，用MAFFT 7比对。3）系统发育分析：质体PCGs用IQ-Tree v2.2.0进行最大似然（ML）分析，5000次自展检验；核基因座用ASTRAL-III进行溯祖树推断，并用PhyParts和Phytop量化基因树冲突及不完全谱系分选（ILS）与基因流（IH）的贡献。4）分歧时间估算：质体数据用BEAST v1.10.4，基于三个化石标定（Ribes webbii、Itea花粉、Divisestylus），采用Yule树先验和松驰钟模型；核基因座用treePL v2.6.3进行二次校准。5）多样化速率分析：BAMM v2.5.0和MEDUSA，基于时间校准树，并考虑不完整采样（按组级分配采样比例）。6）祖先分布区重建：BioGeoBEARS，比较DEC、DIVALIKE、BAYAREALIKE模型及含J（奠基者事件）的变体，并利用生物地理随机映射（BSM）分析扩散事件的时间动态。
**研究结果**
**3.1 系统发育重建与拓扑比较**
基于质体PCGs和低拷贝核基因座数据集，研究确认了虎耳草属的单系性，并获得了高分辨率的属内系统发育。质体树中，Irregulares组和Heterisia组构成最早分支，其后Bronchiales组独立分出，剩余类群分为两个超级支：超级支I（Ciliatae组）和超级支II（包括Saxifraga、Cotylea、Porphyrion、Ligulatae、Gymnopera、Trachyphyllum、Mesogyne等组）。核基因树中，14个组均被较好解析，Heterisia组与Irregulares组仍为最早分支，随后是Saxifragella组，Bronchiales与Pseudocymbalaria组构成姐妹群。Ciliatae组内三个单系支系（Clade 1–3）在两种数据集中均一致恢复。核基因分析显示，Gymnopera组为并系，Ligulatae组单系，Trachyphyllum与Porphyrion组形成单系支。两组数据比较揭示了Ciliatae组内显著的细胞核质不一致性，而早期分支未见明显冲突。PhyParts和Phytop分析表明，不完全谱系分选（ILS）是基因树冲突的主要来源，ILS值高而IH值低；PhyloNet网络分析进一步检测到深部和近期网状演化事件。
**3.2 分歧时间估算**
基于质体PCGs，虎耳草属冠群年龄为83.54 Ma（95% HPD: 74.61–90.42 Ma），始于晚白垩世，分化时间为70.79 Ma。最早分支Heterisia+Irregulares在41.51 Ma分化。Ciliatae组内Clade 3与其余支系在31.68 Ma分化，随后Clade 1和Clade 2在23.37 Ma分化。超级支II中，Mesogyne组最早分化（34.77 Ma），Saxifraga与Cotylea组在31.16 Ma分化，Porphyrion组在26.29 Ma起源。基于核基因数据，虎耳草属冠群年龄约63 Ma，较质体数据年轻，但总体演化模式相似，早期分支Heterisia+Irregulares最早分化，但超级支II内部分支顺序和分歧时间存在差异，与细胞核质不一致性一致。
**3.3 多样化动态**
基于核基因数据，BAMM和MEDUSA分析识别出三个主要速率转变：Porphyrion组、Saxifraga组和Ciliatae组内Clade 1。Porphyrion组是虎耳草属中多样化速率最高的支系，与Carruthers等人的发现一致。速率-时间图显示，多样化速率在约25 Ma首次增加，随后在5–15 Ma进一步加速。三个快速辐射组表现出不同的多样化动态，表明其近期辐射在速率或模式上具有异质性。质体数据也检测到两个速率转变（Ciliatae组Clade 1和Porphyrion+Saxifraga支），但Porphyrion和Saxifraga组采样不足限制了分辨率。
**3.4 祖先分布区重建**
BioGeoBEARS模型比较选择BAYAREALIKE+J为最佳模型。基于核基因数据，研究推断虎耳草属很可能起源于东亚（图4），而质体数据无法排除东亚-北美的更广祖先分布。最早分支Heterisia组（北美）和Irregulares组（东亚）呈现间断分布，支持远古北半球广布假说。早期分化支系中，Bronchiales组具有跨白令陆桥分布，Saxifragella组孤立分布于南美，Pseudocymbalaria组局限于俄罗斯远东。超级支I（Ciliatae组）主要起源于青藏高原-横断山地区，超级支II主要在欧洲及邻近地区起源和多样化，其中Porphyrion组在喜马拉雅-青藏高原建立了次级多样性中心。BSM分析显示，扩散事件在最近10 Ma集中发生，约5 Ma达到峰值，与晚中新世-上新世的气候波动和生境连通性增强一致。
**讨论与结论**
**讨论部分总结**
讨论部分围绕系统发育、多样化动态和生物地理起源展开。系统发育方面，本研究厘清了此前未解决的主要谱系关系，支持13个组的单系性，但Gymnopera组为并系，需重新评估其分类；细胞核质不一致性在Trachyphyllum和Cotylea组中显著，可能源于杂交或ILS。研究还确认了Irregulares与Heterisia组为姐妹关系但形态和地理上明显不同，不支持合并；Bronchiales组独立于Trachyphyllum组；Ligulatae组单系，并支持将Saxifraga florulenta和S. mutata转入Porphyrion组；Cymbalaria组和Saxifragella组因独特形态特征被确认为独立组。多样化动态方面，本研究发现了三个独立快速辐射事件（Ciliatae、Porphyrion、Saxifraga组），且速率和模式异质：Ciliatae组辐射与复杂地形、山地隆升和第四纪气候波动相关；Porphyrion组辐射与垫状生长型和泌钙水孔等适应性创新相关；Saxifraga组则因生活史多样性（一年生、二年生、多年生）促进生态机会。生物地理起源方面，研究支持东亚起源，但远古北半球广布可能，早期扩散通过白令陆桥，随后隔离导致间断分布；晚中新世-上新世扩散事件集中，与造山运动增强和气候波动一致。
**结论翻译**
本研究提供了迄今最全面的虎耳草属系统发育框架，整合了广泛的质体基因组和低拷贝核基因数据集及形态学证据。由此产生的高分辨率系统发育厘清了主要谱系之间的关系，解决了大多数组的系统位置，并揭示了普遍的细胞核质不一致性，突出了该属多样化的复杂性。基于此框架，研究人员重建了虎耳草属多样化的时空动态。分析表明，该属很可能起源于东亚（质体数据不排除更广的祖先分布），随后经历了多次扩散和辐射事件。结果强调了时间和区域上多样化的显著异质性：尽管起源古老，大多数多样性源自近期辐射。例如，Ciliatae组的爆发式辐射可能反映了广泛的生态适应能力和青藏高原-横断山地区极端的环境异质性，而Porphyrion组的快速多样化则说明了高山岩石生境中适应性创新的作用。总之，本研究增进了对虎耳草属进化历史的理解，并为研究山地植物多样化提供了框架，对进化理论和生物多样性保护均有启示。在全球气候变化背景下，理解高山谱系的多样化机制对预测其未来轨迹至关重要。未来研究应结合更密集采样、生态位建模及气候地理数据，以进一步阐明塑造该属多样化的机制。该研究发表于《Plant Diversity》。
