蚂蚁系统发育的线粒体基因组跨全部现生亚科采样洞察

《Biology》：Insights into Ant Phylogeny from Mitogenomic Sampling Across All Extant Subfamilies

　　

蚂蚁（Formicidae）为生态优势陆生类群，其深层进化史仍难解析。为精炼其系统发育，研究人员建立了覆盖全部17个亚科的215个物种的大规模线粒体基因组（mitogenome）数据集，将4个新测序线粒体基因组、从公共基因组数据组装的34个线粒体基因组与已发表序列整合。值得注意的是，3个新测序物种相对昆虫祖先线粒体基因组出现基因重排。系统发育分析稳健确认了Formicidae及多代表亚科的单系性。多数分析中，Martialis heureka（Martialinae）恢复为其他所有现生蚂蚁的姐妹谱系，其余分为poneroid与formicoid支系。关键的是，线粒体基因组数据支持Myrmicinae与Formicinae为姐妹群，以及Aneuretinae + Dolichoderinae、Heteroponerinae + Ectatomminae、Apomyrminae + Amblyoponinae等稳定关系。研究人员测序4个新蚂蚁线粒体基因组并从公共基因组数据组装34个，结合已发表序列得到215个物种（覆盖17个公认亚科）的广数据集。4个新线体中3个完整含典型37基因，具强A+T偏向；3个物种相对祖先昆虫线粒体基因组有不同基因重排。基于核苷酸与氨基酸数据集的系统发育推断支持Formicidae及多物种亚科单系。串联最大似然（Maximum Likelihood，ML）分析下，M. heureka为其他现生蚂蚁姐妹群，其余分poneroid与formicoid。群内关键关系被确证：Aneuretinae + Dolichoderinae、Heteroponerinae + Ectatomminae、Apomyrminae + Amblyoponinae，以及有别于核系统发育组的Myrmicinae + Formicinae。但大量敏感性评估（似然映射、替代分区、贝叶斯推断（Bayesian Inference，BI））显示，Martialinae与Leptanillinae的精确位置存在信号冲突与数据集依赖，主要由替换饱和与组成偏向驱动。综上，线粒体基因组可强力解析多数亚科间关系，但最深分歧需在全基因组规模核数据并用处理序列异质性的复杂模型下整合才能彻底解决。

研究背景方面，蚂蚁（Formicidae）是全球陆地生态中多样性与生态主导性极强的类群，已描述现生种超14000个，可能仅占真实丰富度的三分之一，其生物量在热带可超25%。蚂蚁起源为晚侏罗世至早白垩世，但前6000万至8000万年生态位较窄，其后才大规模辐射。理解这种主导性如何形成，依赖稳健的深层系统发育框架。历史分类中，Brown建立九亚科并分myrmecioid与poneroid复合群；Brady等用七基因核数据集将Formicidae分leptanilloid、poneroid、formicoid三支，Moreau等结果大体一致且将Leptanillinae置于其他蚂蚁之外。Martialis heureka发现后，Martialinae是否为全部现生蚂蚁最早分支成为争议点；Tao等又提出Martialinae是除Leptanillinae外所有蚂蚁的姐妹群。现有蚂蚁系统发育在深层节点上受限于取样与标记类型，线粒体基因组（mitogenome，动物细胞内高拷贝、结构较稳定的环状基因组）研究又相对不足，因此研究人员开展跨全部17个现生亚科的大采样线粒体基因组系统发育研究，论文发表于《Biology》。

主要技术方法方面，样本来自澳大利亚阳光海岸大学采集的Camponotus consobrinus、Iridomyrmex anceps、Polyrhachis argentosa与Solenopsis sp.，并以公共基因组数据与已发表序列补充，最终形成215个蚂蚁物种加12个膜翅目外群的队列。研究人员用从头组装流程GetOrganelle与MitoZ获得线粒体基因组，用MITOS2与tRNAscan-SE注释转运RNA（tRNA）并人工校正，用TranslatorX按无脊椎动物线粒体遗传密码对齐13个蛋白编码基因（PCG）并构建PCG_NT123、PCG_NT12、PCG_AA三类矩阵，用IQ-TREE做最大似然（ML）与四簇似然映射（Four-cluster Likelihood Mapping，FcLM），用PhyloBayes MPI在CAT-GTR混合模型下做贝叶斯推断（BI），并用DAMBE、AliGROOVE评估替换饱和与组成异质性。

3.1 基因组测序与组装：研究人员通过高通量测序与组装流程获得新线粒体基因组，C. consobrinus因组装破碎缺5个tRNA但13个PCG完整，其余三种为完整环状基因组；高测序深度表明线粒体读段丰富，数据足以支撑系统发育分析。

3.2 线粒体组结构与组成：三种完整线粒体基因组具37个典型基因、强A+T偏向与负GC偏移；部分tRNA缺DHU臂、受体臂或TψC臂。相对祖先昆虫线粒体基因组，P. argentosa见trnM-trnI-trnQ倒位，I. anceps见trnP-trnT易位加上述倒位，Solenopsis sp.见trnV易位与上述倒位；CREx分析表明转座是主要重排机制，trnM-trnI-trnQ排列在9个亚科中广泛存在。

3.3 系统发育推断：所有分析恢复Formicidae单系，多物种亚科亦单系。ML下Martialis heureka为其他蚂蚁姐妹群；氨基酸数据集将Leptanillinae放第二分支，核苷酸数据集将其并入poneroid类群但支持弱。其余蚂蚁分poneroid与formicoid两大支，并稳定得到Aneuretinae + Dolichoderinae、Heteroponerinae + Ectatomminae、Apomyrminae + Amblyoponinae、Myrmicinae + Formicinae。BI虽链收敛不全，但核心关系与ML一致。替换饱和分析显示第三密码子位Iss超过Iss.cAsym；组成异质性集中在少数分类单元，剔除后拓扑基本不变；基因乘密码子分区模型虽拟合更好，却把M. heureka深植蚂蚁树内，说明模型设定会影响深层节点。

3.4 四簇似然映射分析：FcLM显示核苷酸数据较强支持Leptanillinae与poneroid类群成姐妹，氨基酸数据则有一定支持Leptanillinae + Martialinae；Dorylinae、Myrmeciinae、Pseudomyrmecinae中三套数据多支持Myrmeciinae + Pseudomyrmecinae；对（Heteroponerinae + Ectatomminae）、（Dolichoderinae + Aneuretinae）、（Myrmicinae + Formicinae）这组关系，三套数据均较强支持（Heteroponerinae + Ectatomminae）与（Dolichoderinae + Aneuretinae）成姐妹。

讨论部分总结：研究人员指出，线粒体基因组成本低、组装易、结构稳，但蚂蚁深层系统发育仍受高替换率、组成异质性与第三密码子位饱和影响，导致长枝吸引与模型误设。Martialis heureka最早分支在主要串联ML中出现，但FcLM与分区敏感性表明该节点有竞争信号，故不能视为终局结论。亚科级关系中，Apomyrminae + Amblyoponinae、Myrmeciinae + Pseudomyrmecinae、Aneuretinae + Dolichoderinae、Heteroponerinae + Ectatomminae与核数据一致；Myrmicinae + Formicinae则偏离近期核系统发育，反映线粒体单非重组位点、母系遗传与组成偏向造成的基因组间冲突。Heteroponerinae是否并入Ectatomminae仍需更多属级线粒体取样验证。

结论部分翻译：本研究通过测序4个新线粒体基因组并从已发表资源组装额外数据集，显著扩展了Formicidae的线粒体基因组采样。分析稳健支持Formicidae及所有多物种采样亚科的单系性。在主要串联最大似然分析下，M. heureka（Martialinae）恢复为其他所有现生蚂蚁的姐妹谱系。然而，似然映射、替代分区方案与贝叶斯推断等大量敏感性评估显示，Martialinae与Leptanillinae的精确位置存在潜在信号冲突与数据集依赖。除Martialinae外，其余蚂蚁分为对应poneroid与formicoid的两大支系。在这些类群中，线粒体基因组框架稳固验证了若干关键姐妹群关系，如Aneuretinae + Dolichoderinae、Heteroponerinae + Ectatomminae与Apomyrminae + Amblyoponinae。同时，Myrmicinae + Formicinae支系的恢复突显了与核系统发育树的有趣分歧。总体而言，尽管线粒体基因组数据可为多数亚科间关系提供强力解析，但深层基部节点仍保留由替换饱和与组成偏向驱动的微妙信号冲突。要解决这些剩余深层节点不确定性，需要在物种稀疏谱系中平衡采样，并在具备异质性感知的复杂分析模型下整合核基因组规模数据。