《Nature》：Reference genomes and fossils revise bat family phylogeny and biogeography
编辑推荐：
蝙蝠在哺乳动物中尤为特殊，其独特演化出动力飞行与喉部回声定位能力，并兼具疾病耐受性、延长健康寿命及冬眠能力。然而，蝙蝠的演化历史及对这些适应性特征的理解仍悬而未决。研究人员分析了来自103个蝙蝠物种的染色体水平长读长基因组组装，其中包括42个新组装，覆盖全部2
蝙蝠在哺乳动物中尤为特殊，其独特演化出动力飞行与喉部回声定位能力，并兼具疾病耐受性、延长健康寿命及冬眠能力。然而，蝙蝠的演化历史及对这些适应性特征的理解仍悬而未决。研究人员分析了来自103个蝙蝠物种的染色体水平长读长基因组组装，其中包括42个新组装，覆盖全部21个现存蝙蝠科。该数据集在覆盖范围与组装质量上均有拓展，由此构建出新的蝙蝠系统发育树。研究将Myzopodidae科置于Vespertilionoidea总科内最早分支位置，并厘清了阳蝠亚目（Yangochiroptera）内部各总科间的亲缘关系，确认Emballonuroidea与Vespertilionoidea为姐妹群。分析揭示了蝙蝠中存在的镶嵌式演化历史，并解释了此前系统发育研究为何被误导。染色体祖先状态重建支持蝙蝠祖先核型包含26条染色体。研究人员进一步整合了涵盖65个物种（含44个前第四纪化石类群及大多数现存蝙蝠科代表）的699个形态学特征数据集，并与中性演化基因组位点相结合。化石种出生–死亡及扩散–灭绝分支发生分析表明，蝙蝠及其动力飞行能力可能起源于晚古新世的欧洲，从而反驳了非洲与北美起源假说。化石种?Vielasia归属于最古老的“始蝙蝠亚目”（Eochiroptera）分支，说明喉部回声定位先于冠群蝙蝠多样化出现。相较于仅基于分子的分歧时间估算，纳入化石类群的全证据定年显著缩短了未代表基底分支长度。通过整合全面的基因组与形态学数据集并采用创新分析方法，研究人员解决了蝙蝠生物学中长期存在的争议，并为蝙蝠演化历史及性状多样化提供了新见解。
论文解读
一、研究背景与科学问题
蝙蝠是哺乳动物中极为独特的类群，拥有动力飞行与喉部回声定位两项标志性能力，同时还表现出疾病耐受性、延长健康寿命及冬眠等特性。尽管蝙蝠物种数超过1500种，占现存哺乳动物物种的五分之一以上，其演化历史的诸多关键问题却长期悬而未决。重构蝙蝠演化史的困难主要源于以下几个方面：分子与形态特征中存在大量同塑性（homoplasy）与趋同演化信号；不同数据来源提供的系统发育信号相互冲突；染色体水平基因组组装的匮乏；快速成种事件导致的不完全谱系分选（incomplete lineage sorting, ILS）与基因渐渗（introgression）；以及处理上述复杂性所需的系统发育方法不足。此外，蝙蝠化石记录虽提供了重要信息却不完整，最古老的蝙蝠化石可追溯至始新世早期（约56–52百万年前），分布于亚洲、北美洲、欧洲和澳大利亚等多个生物地理区域，表明动力飞行与回声定位在那时已经出现。然而，在更早的时间窗口内，蝙蝠化石记录稀疏且高度碎片化，以零散的牙齿或颅后骨骼为主，相当大比例的蝙蝠演化历史估计缺失。化石证据本身不足以确定蝙蝠的地理起源与早期多样化；此前的生物地理推断提出了北美洲、非洲或亚洲起源的假说，但这些结论对方法局限性和数据不完整性高度敏感。与此同时，基因组取样的稀疏以及对碎片化或低质量基因组组装的依赖，也制约了可靠的系统发育推断。为克服上述障碍，Bat1K联盟启动了一项宏大计划，旨在对所有现存蝙蝠物种进行参考质量基因组组装与分析。
二、研究内容与方法概述
本研究为Bat1K项目第一阶段的成果，包含代表全部21个现存蝙蝠科的103个物种的染色体水平长读长基因组组装，其中42个为新组装（26个为单倍型分型组装），覆盖了此前样本稀缺或存在分类争议的关键类群。研究还纳入了8个非蝙蝠外群物种。在方法层面，研究主要采用了以下关键技术：利用长读长测序与Hi-C染色质构象捕获技术生成染色体水平组装；通过系统化的转座元件注释流程并整合至Dfam数据库；利用MirMachine识别保守microRNA家族；采用基于参考序列的MULTIZ与不依赖参考的Progressive CACTUS两种独立策略构建全基因组比对；使用TOGA鉴定1:1同源蛋白编码基因；应用ASTRAL凝聚法与IQ-TREE2最大似然法构建物种树；运用CASTER方法分析中性窗与中性暗SNP以降低系统偏差；通过DESCHRAMBLER进行染色体祖先状态重建；整合699个形态学特征（65个物种，含44个前第四纪化石）与中性基因组位点，采用化石种出生–死亡（fossilized birth–death, FBD）及全证据定年（total evidence dating, TED）方法推断分歧时间；运用扩散–灭绝分支发生（dispersal–extinction cladogenesis, DEC）模型进行生物地理学推断。
三、主要研究结果
转座元件积累模式差异显著
通过对转座元件的系统注释与比较分析，研究确认了若干类群经历了近期活跃的DNA转座子与滚环复制元件的入侵，同时保留了多数哺乳动物典型的反转录转座子，而狐蝠科（Pteropodidae）则几乎完全停止了转座元件活动。比较不同演化时期的转座元件积累比例发现，即使在早期分化阶段，不同蝙蝠谱系的转座元件积累已开始出现分化；长散在核元件（LINEs）在部分类群中相对积累增加，而Helitron转座子的扩张在蝙蝠科（Vespertilionidae）历史早期即已开始。考虑到系统发育因素后，转座元件积累与基因组组装大小呈正相关，证实了转座元件在塑造基因组结构中的作用。
microRNA家族呈现多样化演化轨迹
利用MirMachine在全部103个蝙蝠物种中鉴定出188个高置信度保守microRNA家族。多数家族表现出强烈的系统发育结构和演化稳定性，但MIR-506、MIR-95、MIR-375和MIR-430显示出显著的拷贝数变异，提示谱系特异性的扩张与调控多样化。未检测到祖先蝙蝠谱系中的microRNA家族丢失，但存在谱系特异性丢失及多个独立丢失事件，揭示了从深度保守到谱系特异性扩张、分支限制性丢失乃至全局非必需家族的多样化演化轨迹。
新蝙蝠系统发育框架的建立
通过多种数据集与推断方法的综合分析，研究构建了新的基因组规模蝙蝠系统发育树。所有分析均明确支持阴蝠亚目（Yinpterochiroptera）与阳蝠亚目（Yangochiroptera）的单系性，反驳了回声定位类群（Microchiroptera）的单系假说。全部21个科在所有数据集和方法下均恢复为单系。研究解决了若干长期争议，包括Myzopodidae科的系统发育位置及蝙蝠科（Vespertilionidae）中Pipistrellus属的单系性问题。基于蛋白编码基因的凝聚与连接分析将Myzopodidae置于Vespertilionoidea总科内最早分支位置；然而同一基因集中仅有22%的位点支持这一排列，显示出广泛的不一致信号。中性区域及全基因组分析为Myzopodidae属于Vespertilionoidea提供了明确支持。在Yangochiroptera总科关系方面，全基因组分析倾向于支持以Emballonuroidea为Vespertilionoidea姐妹群的拓扑结构，但X染色体及部分常染色体则支持另一种拓扑。研究将这种染色体规模的广泛不一致归因于普遍的基因渐渗——基因组不同区段保留了不同的谱系分化与二次基因交流历史；X染色体连锁重组荒漠区（XLRD）的CASTER分析支持Emballonuroidea与Vespertilionoidea为姐妹群的物种树拓扑，提示全基因组的主流信号可能反映了渐渗而非真实的物种树。
祖先蝙蝠核型的重建
通过LASTZ链与网比对结合DESCHRAMBLER分析，研究重建了包含26条祖先染色体的蝙蝠祖先核型（1n = 26），与先前Zoo-FISH预测的进化保守单元数量一致。分析显示，97%的蝙蝠基因组中祖先染色体的融合占主导地位，裂分与易位相对少见，表明蝙蝠核型主要通过祖先染色体融合演化。重建结果包含了此前报道的七种哺乳动物祖先人类染色体关联，证实了重建的高度完整性与准确性。
化石整合、全证据定年与宏观演化动力学
研究组装了一个包含699个形态特征、65个物种（21个现存、44个灭绝）的大型形态数据集，过滤后获得480个统计独立的形态特征，并与从中性基因组窗口中提取的每个物种10,000个中性位点合并，采用化石种出生–死亡过程与全证据定年方法进行分析。该方法直接将化石作为末端类群纳入定年，显著减少了未代表基底分支长度（unrepresented basal branch lengths, UBBLs），平均值从分子钟分析的73%降至48.7%。分析识别出最古老的分支为包含多个灭绝科的“始蝙蝠亚目”（Eochiroptera）演化支，化石种?Vielasia被归入该分支，支持喉部回声定位先于冠群蝙蝠多样化出现。研究发现第二个始新世干蝙蝠演化支，包含推断具备喉部回声定位能力及蝙蝠最早植食性证据的类群?Aegyptonycteris，提示杂食/植食性类群从回声定位的推断昆虫食性祖先中独立演化而来。与以往单一速率估计相比，研究同时建模物种形成与灭绝速率，得到的物种形成速率（0.314物种/百万年）是此前估计的三倍，灭绝速率（0.270物种/百万年）为九倍，周转率为0.844物种/百万年，揭示了以往分析对蝙蝠全球辐射中物种形成速率与演化周转的系统性低估。
蝙蝠起源与全球扩散
采用时间依赖、距离信息的扩散–灭绝分支发生模型，研究推断蝙蝠及其动力飞行能力最可能起源于晚古新世的欧洲（99.2%后验概率），反驳了此前的非洲、亚洲和北美起源假说。阴蝠亚目约在57.1百万年前起源于非洲，随后在始新世中期向亚洲扩展；阳蝠亚目最可能在相近时间框架内起源于欧洲。蝙蝠各总科可能于古新世–始新世极热事件（约56百万年前）期间发生辐射，与全球升温和环境变化相吻合。在新热带区（Noctilionoidea）方面，研究推断约54百万年前存在从欧洲经北大西洋陆桥进入北美洲的主要扩散事件，而非此前的白令陆桥路径；随后在51至44百万年间完成了对南美洲的殖民，模型拒绝了经大西洋跳岛扩散至南美洲的假说。
四、讨论与结论总结
讨论部分指出，通过整合覆盖全部现存蝙蝠科的参考质量全基因组组装与包含现存及灭绝蝙蝠的综合形态学数据集，并采用能够处理谱系与标记复杂演化历史的创新系统发育分析方法，研究克服了长期阻碍蝙蝠演化历史理解的诸多挑战。新的系统发育框架解决了总科层面的不确定性，将Myzopodidae科归入Vespertilionoidea总科。研究结论表明：蝙蝠及其动力飞行能力最可能起源于晚古新世的欧洲，反驳了先前的非洲、亚洲和北美起源假说；基于?Vielasia归属于最古老的Eochiroptera演化支的化石证据，喉部回声定位的获得先于冠群蝙蝠的多样化，提示飞行与回声定位在祖先蝙蝠谱系的演化中密切相关；阴蝠亚目起源于始新世早期的非洲，其后现代科级类群扩散至亚洲与欧洲，阳蝠亚目最可能在相近时间框架内起源于欧洲；蝙蝠各总科可能在古新世–始新世极热事件期间发生辐射；染色体重建支持26条祖先蝙蝠染色体，现代蝙蝠基因组最可能通过染色体融合而非裂分或易位演化而来。此外，研究生成的多重基因组比对与数据集为基因组学领域提供了宝贵资源，基于同一套基因组组装，可实现比对方法间的基准测试与直接比较；研究所建立的方法学框架亦可应用于其他生物类群的系统发育组学问题。
