基于首个Platycopioida基因组与六目桡足类系统发育组学的进化关系解析

《Cladistics》：First genomic analysis of Platycopioida and phylogenomics across six copepod orders

　　

近期生物信息学的发展显著拓展了研究人员对生物遗传特性的认知，并为理解其系统发育关系和进化历史提供了宝贵见解。然而，针对桡足纲（Copepoda）的分子系统发育研究仍然有限，且主要集中在主要分类群，即哲水蚤目（Calanoida）、剑水蚤目（Cyclopoida）、猛水蚤目（Harpacticoida）和管口水蚤目（Siphonostomatoida）。因此，涵盖多样化桡足类类群的全面系统发育尚未建立。在本研究中，研究人员利用40个直系同源基因（orthologous genes）的氨基酸序列重建了桡足纲的系统发育，特别关注了此前研究不足的平角水蚤目（Platycopioida）。主要目标是确认普遍认可的平角水蚤目的祖先地位，并结合先前研究及纳入更多桡足类分类单元，探究后续的系统发育变化。系统发育组学和统计分析表明，平角水蚤目代表桡足纲中最基部的谱系，这与之前的形态学研究一致。此外，研究人员还研究了在Podoplea支系内观察到的微小拓扑结构变化，特别是与纳入更多桡足类分类单元和使用更多遗传信息以提高系统发育推断准确性相关的部分。

论文解读：基于首个Platycopioida基因组与六目桡足类系统发育组学的进化关系解析

一、研究背景与科学问题

桡足纲（Copepoda）是甲壳动物中最为成功的类群之一，全球已知有效物种超过14,500种，广泛分布于从深海到高山湖泊、从高盐水体到淡水生态系统的各类水生环境中，展现出惊人的形态多样性和生活方式变异性，包括浮游、底栖和共生等形式。传统上，桡足纲被划分为10个目，这些目进一步归属于两个下纲：原胸甲下纲（Progymnoplea）和新胸甲下纲（Neocopepoda），后者又细分为裸胸甲总目（Gymnoplea）和后胸甲总目（Podoplea）。

然而，桡足类的系统发育研究面临诸多挑战。早期系统发育主要依赖形态特征，但桡足类极端的形态变异给形态同源性评估、性状状态判定及数据加权标准的一致性带来了巨大困难。在分子层面，早期的研究多局限于单个或少数几个基因序列，如核糖体RNA，这些有限的遗传数据仅能用于推断近缘类群间的关系，缺乏足够的系统发育信号来可靠地阐明大规模桡足类系统发育。近年来虽有利用更广泛遗传信息的研究，但仍主要集中在主要类群，而对平角水蚤目（Platycopioida）等古老谱系的代表性严重不足。

平角水蚤目因其独特的祖征特征——如裸胸甲体型（prosome-urosome边界位于第五胸节和生殖节之间）以及具两刚毛的叶状外突的小颚——被认为是最原始的桡足类目。其分布模式暗示其祖先谱系可能早在古生代末期就已存在。然而，由于此前缺乏基因组数据，平角水蚤目的进化起源和分化时间一直悬而未决。因此，本研究旨在通过对平角水蚤目的首次基因组分析，结合多个桡足类目的系统发育组学数据，重新评估桡足纲的系统发育关系。

二、主要技术方法

研究人员采用以下关键技术方法开展研究：

1. 1.
   样本采集与测序：于日本庆良间诸岛和伊江岛附近海域采集东方平角水蚤（Platycopia orientalis Ohtsuka & Boxshall, 1994）样本，共17个个体，使用Illumina NovaSeq6000平台进行全基因组鸟枪法（whole-genome sequencing, WGS）短读长测序。
2. 2.
   基因组组装与基因挖掘：使用SPAdes v3.15.5进行de novo基因组组装，并通过BUSCO v5.6.1（Benchmarking Universal Single-Copy Orthologs）基于节肢动物谱系数据集（arthropoda_odb10）鉴定单拷贝直系同源基因。同时从21个其他桡足类分类单元（代表5个目）以及2个软甲纲、3个蔓足纲和2个昆虫纲物种中获取BUSCO基因。
3. 3.
   系统发育分析：将40个完整的单拷贝BUSCO基因的蛋白质序列进行比对（MAFFT v7.520）、修剪（TrimAl v1.4）后串联。采用最大似然法（maximum-likelihood, ML）（RAxML-NG v1.2.2和IQ-TREE2 v2.1.2）和贝叶斯推断（Bayesian inference, BI）（MrBayes v3.2.7a和PhyloBayes-MPI v1.9）四种方法重建系统发育树，并以非甲壳类昆虫作为外群。
4. 4.
   替代拓扑检验：使用IQ-TREE2进行Kishino-Hasegawa（KH）、Shimodaira-Hasegawa（SH）和Approximately Unbiased（AU）检验，比较本研究和前期研究的Podoplea亚树拓扑结构差异。

三、研究结果

1. 利用Illumina短读长WGS数据进行基因组组装

从17个P. orientalis个体的混合样本中获得63.5 Gbp的WGS短读长数据，经清洗后得到38.5 Gbp的基因组数据。组装后的基因组大小为2.04 Gbp，包含160万个scaffold。BUSCO评估显示完整度为87.7%，其中9.6%为碎片化、2.7%缺失。尽管组装质量一般、scaffold高度碎片化，但仍能从BUSCO分析中提取足够的单拷贝直系同源基因用于下游系统发育推断。

2. 桡足纲各目间的系统发育关系

40个单拷贝BUSCO基因的蛋白质序列比对产生了24,012个氨基酸位点的串联矩阵。所有四种树推断方法均得到高度一致的拓扑结构，且节点支持率高。结果显示：平角水蚤目始终处于桡足纲中最基部的分支位置；在新胸甲下纲内部，哲水蚤目（Calanoida）最早分化，形成裸胸甲总目（Gymnoplea），而其余四个目（剑水蚤目Cyclopoida、管口水蚤目Siphonostomatoida、猛水蚤目Harpacticoida和单肢水蚤目Monstrilloida）构成后胸甲总目（Podoplea）。在后胸甲总目内部，四个目按管口水蚤目→剑水蚤目→猛水蚤目→单肢水蚤目的顺序依次分支。

3. 替代拓扑检验

为解释Podoplea内部拓扑差异的原因，研究人员进行了统计检验。基于本研究矩阵（CopMatrix A）的检验显示，前期研究提出的管口水蚤目-剑水蚤目聚类的拓扑结构（TP2）被边缘性地拒绝（p值接近0.05）。而基于前期研究矩阵（CopMatrix B）的检验则显示两种拓扑结构均有支持。这表明本研究所用的更长序列矩阵（40个基因，24,012个位点）提供了更强的系统发育信号。

四、讨论与结论

本研究首次通过系统发育组学分析聚焦平角水蚤目，重申了桡足纲的系统发育框架。研究发现有力地支持了此前公认的桡足类分支，确认了两个下纲（Progymnoplea和Neocopepoda）以及新胸甲下纲内裸胸甲总目和后胸甲总目的划分有效性。平角水蚤目位于桡足纲最基部，代表Progymnoplea，这与形态学研究一致。

然而，研究也揭示了Podoplea谱系间不同的关系。与前期研究中剑水蚤目与管口水蚤目聚类的结果不同，本研究发现管口水蚤目是Podoplea中最早分化的分支。替代拓扑检验表明，使用更多遗传数据（本研究的40个基因）有助于提高系统发育分辨率。值得注意的是，单肢水蚤目（Monstrilloida）的长分支可能影响了系统发育准确性，排除猛水蚤目后单肢水蚤目变为Podoplea最基部，这强调了长枝吸引效应和分类单元取样平衡的重要性。

研究人员指出，其他Podoplea类群如Gelyelloida、Misophrioida和Mormonilloida仍未纳入分析，这意味着真实的桡足类系统发育可能与本解释存在差异。未来需增加分类单元取样的数量和均衡性，并对未探索的桡足类目持续进行基因组测序工作。尽管目前遗传信息的缺乏阻碍了稳健桡足类系统发育的建立，但本研究报告的结果将为理解其真实关系和进化历程提供重要见解，推动该类群整体系统学的发展。