《Journal of Systematics and Evolution》：Quaternary megafauna in China: Insights from paleogenomics
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在过去二十年中，高通量测序技术平台的发展以及高度降解DNA回收技术的进步，将古DNA研究推向了深时古基因组学时代，使样本年代从不超过10万年扩展到早更新世（约2 Ma）。这些进展解决了长期存在的系统发育争议，完善了对包括人类在内的多种类群的扩散和种群历史的重建
在过去二十年中，高通量测序技术平台的发展以及高度降解DNA回收技术的进步，将古DNA研究推向了深时古基因组学时代，使样本年代从不超过10万年扩展到早更新世（约2 Ma）。这些进展解决了长期存在的系统发育争议，完善了对包括人类在内的多种类群的扩散和种群历史的重建，并使研究人员能够直接研究分子对第四纪气候变化的响应。中国的古基因组学研究起步晚于欧洲和北美，早期里程碑式的突破主要集中在古人类遗骸上。然而，中国保存了最丰富且最具特色的第四纪巨型动物群记录之一，其中许多谱系在形态学和遗传学上与欧亚西部的对应类群存在分化。在此，研究人员综合了主要巨型动物类群（包括长鼻目（Proboscidea）、奇蹄目（Perissodactyla）、偶蹄目（Artiodactyla）和大型食肉目（large Carnivora））的最新古基因组学进展，以评估时间分辨基因组数据如何重塑中国第四纪动物群的分类学、谱系地理学和进化解释。目前，巨型动物古基因组覆盖范围在分类学和地理上仍偏向北方组合和线粒体数据集。因此，研究人员概述了关键的方法学和采样优先事项，包括核基因组的协同回收以及针对保存条件较差的南方环境改进方法，以使中国巨型动物古基因组学成为检验第四纪气候波动下巨型动物响应一般模型的平台。这些努力完善了中国第四纪巨型动物群的系统分类和进化史，并为理解全球范围内巨型动物如何响应第四纪气候振荡提供了一个概念模型。
1 引言
第四纪（约2.58百万年前至今）是哺乳动物演化史上的一个关键时期，其特点是反复出现的冰期-间冰期旋回，由于显著的气候振荡深刻改变了物种分布、种群连通性和灭绝动态。在晚第四纪，大型陆生脊椎动物（即巨型动物，定义为平均成年体重约44公斤及以上的物种）在全球大部分地区经历了加速灭绝，原因是环境和气候变化以及人类活动。这些损失在南北美洲和澳大利亚最为严重，在欧亚北部较为显著，而在撒哈拉以南非洲和南亚相对有限。作为第四纪生态系统中最引人注目和最具生态影响力的组成部分，这些巨型动物为研究古生物学、分子生物学和系统学交叉领域的演化过程提供了重要框架。
第四纪巨型动物的演化研究历来依赖于基于牙齿、颅骨和颅后骨骼的形态特征。然而，不均衡的化石保存和有限的形态变异取样常常模糊系统发育推断并低估演化分歧。相比之下，分子数据提供了超越形态学分辨率的遗传关系、分歧、基因流和种群结构的直接证据。自21世纪中期以来，高通量测序技术的发展使得从古代材料中快速且经济地测序整个或部分基因组成为可能，标志着古基因组学在古DNA领域内的兴起。通过生成带有时间戳的遗传数据，古基因组学已成为演化系统学的一种强大方法，允许重建过去的系统发育关系和种群动态。
关于第四纪巨型动物的古基因组学研究传统上集中在西欧、北美和澳大利亚，而东北亚受到的关注相对较少。在中国，化石记录记录了整个更新世多样化的巨型动物组合，包括中国东北的猛犸象-披毛犀动物群和中国南方的大熊猫-剑齿象动物群。这些动物群的许多谱系具有复杂的演化历史，挑战了传统的分类学框架。越来越多的成功基因组研究开始阐明东亚谱系的演化亲缘关系，识别区域种群结构，并在主要哺乳动物类群内细化分歧时间估计。
在这篇综述中，研究人员简要总结了中国第四纪巨型动物的时间和生物地理模式，并综合了四个主要巨型动物类群（重点在演化系统学方面）的古基因组学研究：长鼻目、奇蹄目（尤其是犀科）、偶蹄目巨型动物以及大型食肉目。通过将中国第四纪巨型动物置于更广泛的欧亚框架内，本综述强调了古基因组学在解决长期存在的系统学问题和推进我们对第四纪哺乳动物演化的理解方面的贡献。
2 化石记录：时间和生物地理模式
位于古北界和东洋界的交汇处，中国保存了欧亚大陆从早更新世到晚更新世直至全新世最连续和最多样化的第四纪巨型动物化石记录之一。该记录记录了哺乳动物更替、持续和区域分化的重复事件。北方和南方动物群在分布、组成和时间动态上的显著差异，为了解反复的气候振荡、区域避难所和大规模扩散如何塑造了中国大型哺乳动物的演化历史提供了关键见解。
早更新世的中国北方动物群以混合组合为特征，结合了晚新生代残留类群与后来主导中晚更新世冷适应动物群的早期代表。这些组合记录了一个重要的过渡阶段，其中北方地区充当了谱系辐射的中心而非简单的替代。在中更新世早期过渡期间，伴随着全球变冷加剧和东亚季风系统的重组，北方动物群经历了重大重组。许多古老的巨型动物消失，而耐寒耐旱的类群扩张，产生了预示晚更新世群落的中更新世组合。到了晚更新世，中国北方由猛犸象-披毛犀动物群主导，特别是在东北地区，而在更温带的中纬度地区则是古菱齿象-斯蒂芬犀混合组合。这些动物群反映了反复的冰期-间冰期范围变化，而非单向扩散。相比之下，中国南方保存了一个独特且长寿的动物群，称为大熊猫-剑齿象动物群。尽管常被描述为时间上稳定，但最近地层解析的洞穴和盆地记录表明，南方动物群在第四纪经历了显著的内部更替。然而，中国南方缺乏大陆冰盖，使得许多谱系得以在多个冰期旋回中持续存在，支持将该地区解释为第四纪巨型动物的长期避难所。
此外，中国北方更新世动物群的组成显示出与欧亚西部反复的生物地理连通性。化石证据表明，欧亚猛犸草原生物群的几个标志性谱系，包括草原猛犸象和早期披毛犀，在中国北方及邻近地区经历了关键的适应性演化阶段，随后向西扩张进入西伯利亚和欧洲。相反，中国南方的大熊猫-剑齿象动物群记录了与东南亚的长期生物交流。这些交汇的扩散路线使中国成为一个生物地理十字路口，古北界和东洋界的谱系在此反复重叠。
3 主要巨型动物类群的古基因组学见解
3.1 长鼻目
长鼻目起源于晚古近纪至早始新世的非洲，并在中新世经历了多次向欧亚大陆的扩散事件。在长鼻目的主要科中，象科是唯一同时包含现生和灭绝属的类群，包括现生的非洲象属和亚洲象属以及已灭绝的猛犸象属和古菱齿象属。象科也是第四纪古基因组学中探索最充分的巨型动物类群之一。迄今为止，核基因组数据仅可用于少数已灭绝的长鼻目物种，均属于象科。对于线粒体基因组，除了也有核基因组记录的物种外，还有一个物种——已灭绝的乳齿象——已被研究。对于中国的长鼻目，古基因组数据已从两个已灭绝物种中恢复：猛犸象和古菱齿象。
尽管落后于西伯利亚和北美猛犸象的研究，中国猛犸象的古DNA探索已从早期的初步方法和有限的系统发育推断发展到基因组规模的种群水平演化重建。早期工作建立了基本的污染控制实验方案，并证明了从非永久冻土环境中回收内源古DNA的可行性。在此基础上，Du等人的研究通过将中国东北的完整线粒体基因组整合到全球比较框架中，标志着中国猛犸象古DNA研究的明显转折点。该研究表明中国东北的猛犸象拥有出乎意料高的线粒体多样性。重要的是，Clade II个体在中国东北的发现为该谱系在该地区的存在提供了首个直接证据，并支持将中国东北解释为猛犸象种群的关键避难所和生物地理十字路口。
几十年来，中国的古菱齿象化石仅通过形态学进行解释，导致持续的分类不确定性。Lin等人的研究代表了东亚该类群的首个分子突破，成功从一个中国北方标本中获得了高质量的完整线粒体基因组。系统发育分析将这两个中国标本置于所谓的WE支系内，该支系嵌套在非洲森林象的线粒体多样性之中。分子定年表明，中国和欧洲的WE个体在大约0.39 Ma共享一个共同的母系祖先。这一发现得到了Segawa等人对日本古菱齿象研究的进一步支持。
总之，来自猛犸象和古菱齿象的线粒体基因组证据表明，中国化石为第四纪象类的多样性、扩散动态和避难所可能性提供了关键的遗传线索，从而使中国定位为欧亚大陆长鼻目网状演化历史中的一个关键生物地理桥梁和储库。
3.2 犀科及其他奇蹄类
奇蹄类是奇蹄有蹄类动物，包括犀科、貘科和马科等现生谱系。在中国，化石记录记录了涵盖北方寒冷适应类群和南方喜热类型的多样化第四纪奇蹄类组合。在奇蹄类中，犀科，尤其是披毛犀，已成为第四纪古基因组学的一个关键案例研究。对披毛犀的基因组规模分析揭示了显著的种群结构和始于其灭绝前数万年的长期种群数量下降。在中国，犀牛化石记录了披毛犀在寒冷期存在于北方地区，以及占据更南部温带和亚热带环境的其他多种犀牛类群。对中国披毛犀的完整线粒体基因组研究表明，中国晚更新世种群具有出乎意料高的母系遗传多样性，识别出多个深部分歧的线粒体单倍群，暗示了显著的局部谱系持续和可能的避难所动态。
在马科的古基因组学研究中，Yuan等人确认了中国东北晚更新世马科遗骸属于已灭绝的非马型谱系，将其时间范围延伸到东亚晚更新世。随后的高覆盖度核基因组显示该谱系甚至存活到中全新世。另一项基因组规模分析揭示了中国东北晚更新世马科马属于一个与欧亚其他马密切相关的独特旧世界谱系，并显示了形态学定义的物种间的广泛遗传混合。
3.3 偶蹄目巨型动物
偶蹄目构成了第四纪巨型动物群落中最多样化的组成部分之一，包括鹿科、牛科、骆驼科和猪科等多个分类谱系。在中国，丰富的偶蹄目化石记录通过古基因组学方法揭示了复杂的演化历史。
3.3.1 鹿科：谱系地理和避难所动态
鹿科的线粒体基因组分析证实了晚全新世鹿科属于马鹿，但其聚类在现存种群多样性之外，表明母系谱系更替。对马鹿的深入分析揭示了深层的母系结构。重要的是，在中国东北检测到多个马鹿支系，支持该地区作为长期避难所。对巨鹿的线粒体基因组数据显示西方和东方谱系之间存在交错的线粒体关系，反映了祖先多态性或复杂的种群连通性。中国东北多个母系谱系的持续存在进一步强化了该地区作为关键避难所的作用。
3.3.2 牛科：种群结构和基因渗入
对中国东北接近完整的线粒体基因组分析揭示了出乎意料高的遗传多样性，表明草原野牛具有比先前认知更复杂的演化历史。古基因组数据已识别出一个遗传独特的东亚原牛谱系，并提供了当地原牛与早期引入的普通牛之间杂交的直接证据。基因组范围的数据表明，东亚原牛谱系大约在150 ka与其欧洲、近东和非洲对应类群分离，随后在末次盛冰期后经历显著的种群扩张，然后在中晚全新世迅速衰退。对鬣羚的线粒体基因组分析显示了遗传连续性，并识别出四个深部分歧的谱系，表明其是一个气候适应力强的有蹄类谱系。
3.3.3 骆驼科：杂交和遗传遗产
陈等人报告了首个从中国西北部出土的古代双峰驼完整线粒体基因组，揭示了多个深部分歧的母系谱系。袁等人重建了已灭绝的双峰驼的首次古基因组和稳定同位素数据，揭示了其与现生野生骆驼和家养双峰驼之间的广泛双向基因流，表明种间杂交是骆驼演化史上的一个反复过程。
3.3.4 猪科：驯化和基因组连续性
古基因组学研究表明，中国的猪驯化遵循了一条与欧亚西部截然不同的演化轨迹。中国古代猪表现出长期的基因组连续性、区域分化以及管理猪群与野猪之间的基因流。核基因组分析已将中国北方确定为独立的猪驯化中心。
3.4 大型食肉目
大型食肉目占据第四纪陆地生态系统中的最高营养级，对环境变化特别敏感。
3.4.1 猫科：丢失的谱系和适应
胡等人识别出一个来自中国东北的深部分歧晚更新世虎谱系，其在所有现代亚种分化之前就已分支。随后的分析揭示了灭绝和现存虎谱系之间的复杂混合，并将中国西南部确定为一个主要的晚更新世避难所。一项近期研究修订了东亚豹属的生物地理框架，将日本列岛的晚更新世大型猫科遗骸重新鉴定为洞狮。
3.4.2 鬣狗科：谱系分歧和基因流
来自中国洞鬣狗的古代线粒体基因组识别出深部分歧的亚洲母系谱系，并显示出意想不到的高区域遗传多样性。研究发现非洲和欧亚谱系之间存在双向基因渗入。
3.4.3 犬科：反复的混合和扩散
古基因组学研究表明，狗的驯化涉及复杂的种群动态，包括狗与区域狼之间的反复混合。来自中国黄河流域的线粒体基因组数据为东亚对跨太平洋狗扩散的贡献提供了直接时间证据。大规模古基因组分析揭示了狗祖先与特定人类群体之间的相关性。
3.4.4 熊科：基因渗入和避难所持续
对古代大熊猫的线粒体和核基因组分析表明，晚更新世至全新世的大熊猫包含一个现已不复存在的遗传独特母系谱系，并揭示了一个现已灭绝的种群，该种群构成所有现存大熊猫种群的姐妹群。
4 中国巨型动物古基因组学的挑战与展望
尽管中国的古DNA研究起步较晚，但过去十年实验室基础设施和分析能力的快速发展已使中国成为全球古基因组学研究中心之一。然而，这种增长强烈偏向于古人类研究。因此，第四纪巨型动物受到的关注相对有限。当前的推断还受到强烈的地理和埋藏学偏差的限制。已发表的大部分巨型动物古基因组来自与猛犸象-披毛犀动物群相关的北方组合，而中国南方温暖、潮湿和酸性的环境严重限制了生物分子的回收。克服这种不平衡需要从低拷贝和高降解材料中提取DNA的方法学进展、改进的富集策略以及补充生物分子代理的常规整合。展望未来，核心挑战是从机会主义的案例研究转向假设驱动的、比较性的中国巨型动物古基因组学。优先事项包括跨生物气候区的协调采样、核基因组数据的系统生成以解决网状演化历史，以及将基因组推断与地层、古环境和化石记录明确整合。
