《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Tracing the evolution of
Lathrobium: A phylogenomic approach using museum specimens
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巨型多样化昆虫类群往往缺乏稳健的系统发育框架，这限制了研究人员理解其多样化及形态演化进程的能力。隐翅虫科（Staphylinidae）Paederinae亚科中的Lathrobium属，拥有近800个已知种，主要分布于全北区，其广泛存在的形态趋同与显著的地理结
巨型多样化昆虫类群往往缺乏稳健的系统发育框架，这限制了研究人员理解其多样化及形态演化进程的能力。隐翅虫科（Staphylinidae）Paederinae亚科中的Lathrobium属，拥有近800个已知种，主要分布于全北区，其广泛存在的形态趋同与显著的地理结构特征，集中体现了这一挑战。研究人员利用从乙醇保存及历史博物馆标本中获取的超保守元件（ultraconserved elements, UCEs）系统发育基因组数据集，辅以线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（cytochrome c oxidase subunit I, COI）数据及化石校准的分歧时间估算，重建了Lathrobium属的演化历史。所得系统发育树表明，当前概念下的Lathrobium属并非单系：Sinlathrobium属嵌套于其中，而Lathrobioma亚属则构成一个深度分化的独立谱系。后翅与眼睛的退化在系统发育树上多次独立演化，符合对山地及地下环境趋同适应的模式。分歧时间估算指示其古近纪起源，多样化过程受气候冷却与地理破碎化塑造。生物地理学分析支持其以古北区起源为主，并伴随多次跨大陆扩散事件。这些结果可为Lathrobium属提供稳健的系统发育基因组学框架，并凸显扩散限制与生态特化在塑造这一广布甲虫类群多样性中的作用。
**系统发育基因组学揭示Lathrobium属的演化历史：非单系、趋同形态与全北区扩散**
分类学与系统发育是演化、生态和生物地理学证据的基石。然而，对于许多巨型多样化昆虫类群而言，其系统发育尚未得到良好解析，导致诸如相似形态多次演化、扩散限制如何塑造多样化、地理隔离如何结构化谱系等基本演化问题无法被可靠解答。在隐翅虫科（Staphylinidae）的Paederinae亚科中，Lathrobium属（Gravenhorst, 1802）是最大且分类上最具挑战性的属之一，包含798个有效种名，主要分布于全北区，并有82个边缘分类单元记录于非洲热带界、新热带界和澳洲界。尽管分布范围看似全球性，但来自全北区之外的物种可能并不真正属于Lathrobium，需重新评估。属内广泛存在后翅和眼睛退化以及微域特有现象（microendemism），尤其在山区栖息地中，不同的异域物种常占据相邻山峰；相反，少数分布于广大低地或跨古北区、跨全北区的谱系则保留功能性翅膀和发达眼睛。近四十年来，物种描述数量急剧增加，大量物种组和亚属被提出，但许多是基于既非排他性也未被证明同源的外部形态特征组合，导致亚属概念在不同地区间差异显著，且近期描述的一些属如Elytrobium和Sinlathrobium仅基于模糊的形态差异从Lathrobium中分离，其有效性有待检验。化石记录方面，尽管有19个新生代压印化石被归于该属，但其分类位置常不确定；而琥珀包埋物则提供了可依据现生形态特征可靠鉴定的材料，为分子钟校准提供了宝贵机会。此前缺乏覆盖该属全部地理和生态范围的综合系统发育检验，属的单系性、界限及其与近缘属的关系均未解决。
为重建Lathrobium属及其近缘类群的演化历史，研究人员开展了基于超保守元件（ultraconserved elements, UCEs）的系统发育基因组学研究，并结合线粒体细胞色素c氧化酶亚基I（cytochrome c oxidase subunit I, COI）数据、化石校准分歧时间估算和生物地理学重建。研究起始选取152个标本，包括61个乙醇保存和91个干制标本，涵盖超过一个世纪的采集历史，最终71个Lathrobium标本获得可用的UCEs数据，其中33个来自乙醇保存标本，38个来自干制标本。另有15个外群终端（terminal）的数据来自新生成或已有Paederinae系统发育研究，总计84个终端纳入UCEs分析。为评估广布种的遗传凝聚性，额外选取108个标本进行COI测序，涵盖5个广泛分布的物种（L. brunnipes, L. fovulum, L. fulvipenne, L. geminum, L. longulum）及其近缘类群。标本借自多个博物馆收藏，包括AZMM（土耳其）、CUAC（美国）、MSPU（俄罗斯）、NHMD（丹麦）、NHMG（瑞士）、NHMP（捷克）、NHMW（奥地利）、NMNHS（保加利亚）、NSYU（台湾）和ZMH（德国）等。技术方法上，UCEs数据通过靶向捕获流程获得，包括DNA提取、文库构建、杂交捕获和Illumina测序；COI条形码利用Oxford Nanopore MinION平台生成。系统发育推断采用IQ-TREE v2.3.4，比较了三种分区策略后选用分区GTR+I+G模型。分歧时间估算采用贝叶斯方法MCMCTree和非贝叶斯方法RelTime，使用5个琥珀化石、1个岩石化石和1个已发表年龄估计进行校准。生物地理学分析使用BioGeoBEARS软件包，比较DEC和DIVALIKE模型，并采用时间分层扩散模型。COI数据的物种树分析整合了UCEs拓扑约束，并利用RelTime估算浅层分歧时间。
**3.1 基于UCEs的Lathrobium系统发育重建**：最大似然分析表明，Lathrobium属当前界定下并非单系：Sinlathrobium属（以S. lobrathiforme为代表）以高支持率（100/100）嵌套于内群分支中；L.（Lathrobioma）tenue所在分支与Sinlathrobium及所有其他Lathrobium代表构成姐妹关系。研究将包含L.（Lathrobioma）tenue、Sinlathrobium及所有其他Lathrobium代表的分支称为Lathrobium sensu lato（100/100），排除L.（Lathrobioma）tenue的分支称为Lathrobium sensu stricto（99.1/100）。在Lathrobium s. str.内部，分支A（97.9/97）与其余物种形成姐妹关系，包含日本短翅且眼睛正常的L. horridum，以及地中海分支A1（100/100）中的短翅微眼物种。分支B和C共同构成中等支持的分组（91/95），其中分支B（100/100）包含广布、全翅、眼睛正常的跨古北区物种，分支C（100/100）则主要包含高海拔、短翅、微眼物种。分支B分为B1和B2两个高支持亚支（均100/100）；分支C分为C1–C5五个亚支。
**3.2 基于UCEs的分歧时间估算**：MCMCTree和RelTime两种方法结果高度一致。Lathrobium s. lato与其姐妹谱系（Domene + Lobrathium）的分歧时间约为59.7–59.9百万年前（Mya），Lathrobium s. lato内部的多样化始于约44.30–49 Mya。Lathrobium s. str.的冠群年龄为35.3–36.9 Mya，分支A约在31.6–33.6 Mya分化，分支B和C的分歧约为33.8–35.3 Mya。分支B中B1和B2的分歧为27.4–27.9 Mya；分支C的多样化始于31.8–33.3 Mya，随后在约28–22 Mya期间进一步分化。亚支C1、C2、C3–C5的起源时间分别为21.1–22.4、26.2–27.5和26.9–28.2 Mya。广布物种复合群内，L. brunnipes谱系内的分化（包括与新北区类群的关系）约为9.2–9.4 Mya，而与L. geminum相关的谱系则表现出更深的分歧。总体而言，主要谱系起源于始新世–渐新世期间，后续多样化延续至中新世。
**3.3 广布种的COI系统发育时间树**：亚支B1中，广布跨古北区的L. fovulum和L. brunnipes约在18.4 Mya分化为两个谱系。L. fovulum谱系（UFB 100）近期（约0.05 Mya）形成，其COI条形码单态，跨分布区无显著分歧。L. brunnipes谱系（UFB 99）约在13.8 Mya与严格新北区物种（L. islae、L. lividum、L. simile、L. sparcellum）分化，约0.04 Mya聚为独特物种谱系，跨古北区条形码高度单态。亚支B2约在19.4 Mya分化。L. longulum谱系约1.23 Mya coalesce，但最深分裂仅由单一条形码代表，其余样本分歧可忽略。L. geminum与L. elongatum的分歧约在7.9 Mya。L. elongatum近近期（约0.31 Mya）形成，包含两个不同条形码簇；L. geminum约1.3 Mya coalesce，包含多个分歧簇，涵盖基于生殖器形态鉴定为L. bernhaueri、L. kastcheevi、L. taxi、L. tichomirovae、L. andorranum和L. magistrettiorum的所有条形码。
**3.4 广布种内COI遗传距离**：L. brunnipes和L. fovulum在跨古北区分布范围内各自形成支持良好、遗传凝聚的谱系，种内分歧低（0.00–0.02替换/位点）。L. longulum遗传变异极小（0.00–0.01），形成紧凑簇，地理结构弱。相反，L. fulvipenne表现出显著种内分歧（0.00–0.18），跨分布区恢复出多个深分歧谱系，且与清晰地理模式不一致。在L. geminum复合群（包括L. geminum、L. bernhaueri、L. kastcheevi、L. taxi、L. tichomirovae，以及L. andorranum和L. magistrettiorum）内，COI分歧中等（0.00–0.07），低于Paederinae及Lathrobium物种间预期值；其中L. andorranum和L. magistrettiorum分歧最深，其余物种间距离不超过0.04替换/位点。
**3.5 祖先分布区重建**：DIVALIKE和DEC模型结果大致一致，不确定性集中于最深节点，越接近冠群地理结构越清晰。Lathrobium s. lato的最深节点以古北区（PAL）信号为主，伴有少量中南半岛区（SI）和新北区（NEA）贡献，无分析恢复新北区为唯一或主导祖先区。Sinlathrobium + Lathrobium s. str.分支的祖先分布以古北区为主，并包含中南半岛区；基部常结合古北区和东亚成分，新北区不出现在主导祖先状态中。Lathrobium s. str.的祖先分布为古北区，仅有少量东亚成分。分支A呈纯古北区祖先分布；分支B+C呈古北区分布，东部欧亚成分偶有出现；分支B为古北区分布，新北区仅出现于衍生谱系；分支C为古北区分布，东亚成分频繁出现在基部附近，新北区限于衍生谱系。亚支C1为古北区；C2在中南半岛区和喜马拉雅–西藏区之间模糊，指示东亚山地起源；C3多为古北区；C4推断为东亚起源；C5显示东亚起源并随后向新北区扩展，符合跨白令陆桥扩散模式。
讨论部分指出，当前Lathrobium属的界限不能反映演化关系。Sinlathrobium嵌套于属内，L.（Lathrobioma）tenue构成姐妹谱系，表明属级界定需重新评估，但鉴于关键谱系取样不足，暂不提出正式分类变更，而将Lathrobium sensu lato定义为包含所有取样谱系，Lathrobium sensu stricto为排除L.（Lathrobioma）tenue的冠群。系统发育揭示的谱系仅部分对应传统亚属和物种组：分支B与分支C大部分代表两种主要演化轨迹，分离广布全翅物种与主要无翅微眼物种；而亚支C5另包含一个与分支B不近缘的全翅广布谱系。物种组方面，分支A联系了日本的L. horridum与地中海地下物种；亚支B1包含L. brunnipes–L. fovulum谱系及新北区近缘种；亚支B2支持L. geminum物种组的识别；亚支C1将俄罗斯远东的L. sibiricum群与南欧、土耳其物种联系起来；亚支C2汇集喜马拉雅和东亚多个物种组，但内部关系仍不清晰；亚支C3代表独立的安纳托利亚谱系；亚支C4揭示了L. iunctum群与L. pollens群之间的关联；亚支C5将新北区亚属Apteralium嵌套于L. fulvipenne谱系内，表明新北区亚属在系统发育深度和形态多样性上相当于旧大陆物种组而非亚属级分类单元。
演化历史方面，Lathrobium s. lato约在60 Mya与其姐妹谱系分离，主要多样化始于45–49 Mya，与晚古新世–早始新世全球温暖气候和北方热带森林扩展时期吻合。祖先区重建支持古北区起源，早期全北区连通性由深分歧新北区谱系的存在所反映。Lathrobium s. str.约在35–36 Mya起源于当时的北方跨古北区地带，随后在始新世末全球降温背景下开始辐射。分支C约31.7–33.3 Mya多样化，祖先分布推测为中亚异质景观，后期形成多个区域性谱系。亚支C3–C5约24.8 Mya分化，其祖先区可能为东古北区宽阔过渡带，连接温带与亚热带区域，并通过白令陆桥向新北区扩散及向西古北区扩展。L. fulvipenne跨全北区分布可能反映自然扩散或人为引入，尚不确定。分支B中，亚支B1中古北区与新北区代表的分歧约9.2–9.4 Mya，L. brunnipes与新北区物种的姐妹关系提示较近期的跨大陆联系，且新北区类群与西欧种群遗传亲和性更高，暗示西向东扩散路径，白令陆桥仍是最可能解释，但格陵兰–冰岛–法罗海脊也可能提供替代路线。亚支B2反映了从东部温带地区向西扩展的模式。
后翅和眼睛退化的演化方面，系统发育树显示这些性状在属内多次独立演化，尤其集中于高海拔和地下类群，代表对相似环境压力的趋同响应。相反，全翅和正常眼睛的广布种主要限于分支B和分支C的亚支C5，表明保持扩散能力与低地及连续栖息地的持续存在相关。山区和地下栖息地特化谱系在阿尔卑斯、亚平宁、北安纳托利亚、喜马拉雅–西藏、中国南部和日本等地区反复出现，分布于多个独立分支，证实这些生态转变多次发生而非单次事件。性状的时间分布也支持独立起源，多个栖息地特化谱系具有较深分歧时间和长分支，与晚古近纪气候冷却和栖息地收缩促进隔离分化及重复拓殖特化栖息地的情景一致。
广布种的遗传结构与物种界限方面，Lathrobium广布种表现出异质的遗传结构模式。部分物种如L. fovulum、L. longulum和L. brunnipes具有极低的COI分歧，符合近期扩张、持续基因流或强种群连通性；L. fulvipenne则表现出异常高的COI分歧（0.00–0.18），超过Paederinae通常水平，并伴随阳茎形态变异，强烈提示其可能是多个未被识别的物种组成的复合群；L. bernhaueri、L. geminum、L. kastcheevi、L. taxi和L. tichomirovae之间尽管在阳茎中叶顶端形状上存在明显形态差异，但线粒体分歧低，可能反映近期分化、不完全谱系分选或基因渗入，需基因组尺度数据解决物种界限。
结论部分总结：本研究提供了Lathrobium属首个综合系统发育基因组学框架，揭示该属当前界定下并非单系，且其内部分类深受形态趋同影响。通过整合UCEs系统发育基因组学、化石校准分歧时间估计和线粒体数据，研究证明Lathrobium的演化历史以古近纪早期全北区扩张为特征，随后以欧亚为中心的地理结构化多样化和多次独立跨大陆扩散事件。对特化栖息地的重复拓殖驱动了远缘谱系间的趋同演化，而广布种表现出从泛交配种群到深度结构化或隐存复合群的极不相同的遗传凝聚模式。这些结果突显了扩散、隔离和生态特化在塑造属内多样化中的动态相互作用，展示了整合性基因组规模方法在解析巨型多样化昆虫类群复杂演化历史中的重要性，并为未来分类修订和隐翅虫科多样化比较研究提供了坚实基础。该论文发表于《Molecular Phylogenetics and Evolution》。
