非洲隐鼠属（Cryptomys）物种界定与多样化历史：基于线粒体与全基因组核数据的整合分析

《Zoologica Scripta》：The African Mole-Rat Genus Cryptomys and Its Species: Distinct in Their Genes and Habitats

　　

非洲隐鼠属（Cryptomys）包含五个形态上难以区分的谱系，分布于南非和津巴布韦，历史上被视为C. hottentotus的亚种（C. h. hottentotus、C. h. mahali、C. h. natalensis、C. h. pretoriae和C. h. nimrodi）。尽管已有大量生态和生理学研究，由于遗传数据有限，其分类地位和演化关系一直未能明确。本研究整合线粒体与全基因组核数据、广泛的地理采样和环境生态位建模（environmental niche modelling），重新评估该属的物种界限和多样化历史。分析恢复了五个深度分化、互为单系且得到强支持的演化谱系，分别对应C. hottentotus、C. mahali、C. natalensis、C. pretoriae和C. nimrodi，研究人员将其解释为独立物种，尽管在邻域分布区（parapatry）存在有限的基因流。分化时间估算表明现存多样性的起源为上新世-更新世（Plio–Pleistocene），C. hottentotus与其余谱系的最初分异约在2.8 Ma（2.0–3.5 Ma）。较短的内部分支以及线粒体与核系统发育之间的不一致提示C. mahali、C. nimrodi与C. natalensis+C. pretoriae祖先之间存在近多分支（near-polytomous）的分裂，随后C. natalensis与C. pretoriae发生分化。物种分布大体呈邻域分布（parapatric），并沿环境梯度（特别是降水和土壤性质）结构化，而非受强烈物理屏障控制。环境生态位模型进一步揭示出清晰的生态分化，种间生态位重叠相对有限。综合来看，这些结果解决了Cryptomys属长期存在的分类不确定性，并证明该属包含五个独立演化的物种，其形成受快速的上新世-更新世多样化和生态分化所塑造。

论文解读：非洲隐鼠属（Cryptomys）物种界定与多样化历史的整合研究**

一、研究背景与科学问题

非洲隐鼠科（Bathyergidae）是撒哈拉以南非洲特有的地下啮齿动物，以其对地下生活方式的显著适应而闻名。该科包含六个现存属，其中社会性属Heterocephalus以及独居属Heliophobius、Georychus和Bathyergus的演化关系已通过基因组规模多位点数据得到解析，但社会性属Cryptomys和Fukomys尚未进行同等全面的修订。Cryptomys与Fukomys因姐妹关系及形态相似曾被视为同一属，尽管二者分离已获多位点核数据集支持并被广泛接受，但其属内多样性和演化历史的稳健框架仍然缺乏。

Cryptomys属由2–15个个体组成的小家庭群体生活，通常包含单一繁殖对及其后代。该属广泛分布于南非，向北延伸至津巴布韦的布拉瓦约和林波波河上游。目前Cryptomys在分类上被分为五个主要类群（hottentotus、mahali、natalensis、pretoriae、nimrodi），这些类群在不同文献中被分别处理为物种或亚种，分类共识的缺乏源于该属尚未基于地理全面采样和基因组规模多位点数据进行修订。此前分子研究虽一致恢复所有已识别类群为支持良好的单系分支，但其系统发育关系估计随采样和分子标记选择而变化。线粒体数据集反复推断natalensis和pretoriae为姐妹类群，而其他谱系（包括hortentotus和mahali）的位置不稳定；核数据仅对部分类群可用，提示替代拓扑结构，进一步凸显该属缺乏稳定系统发育框架的问题。此外，不同Cryptomys谱系在繁殖时间、疼痛不敏感性和低氧耐受等行为与生理特征上存在差异，但从未进行基于全分布区采样的综合修订。本研究采用多套互补数据集，利用线粒体基因序列和简化代表核基因组数据界定物种、重建系统发育并评估内部谱系地理结构，结合博物馆标本分子条形码和已发表线粒体序列评估物种分布范围，并利用环境数据建模当前与过去分布及探索生态分化。

二、主要技术方法

研究人员分析了来自125个地点的209个Cryptomys个体，覆盖该属几乎全部分布范围，包括46份新鲜组织样本、99份博物馆皮肤样本和66条已发表细胞色素b（CYTB）序列。新鲜组织样本提取DNA后测序CYTB基因；博物馆退化DNA样本采用Illumina MiSeq平台扩增子测序获得CYTB短片段分子迷你条形码。44个个体进行ddRAD测序，使用SphI和MluCI限制酶构建文库，在Illumina NovaSeq 6000上测序，序列比对至Fukomys damarensis参考基因组，最终数据集含18,695个位点。线粒体系统发育采用MrBayes贝叶斯框架推断，用branchcutting算法界定谱系，EPA算法对短序列进行演化放置。核基因组变异分析包括主成分分析（PCA）、串联树推断、STRUCTURE分析、共祖矩阵及Infomap聚类。物种树推断在BPP软件中采用多物种溯祖模型（MSC），包括物种界定、拓扑估计、分化时间估算和GDI（genealogical divergence index）计算，并用MSC-M和MSC-I模型检测基因流和杂交。分化时间采用已发表的化石出生-死亡（FBD）分析结果进行校正。物种分布建模使用MaxEnt，以19个生物气候变量和5个土壤变量为预测因子，采用后向消除程序选择变量子集。

三、研究结果

3.1 线粒体谱系地理学

在线粒体CYTB树中，branchcutting方法识别出六个不同谱系，其中四个对应hortentotus、natalensis、nimrodi和pretoriae，另外两个为mahali-NC和mahali-S。所有六个谱系均为单系（后验概率PP=1.00），谱系间平均K2P距离为8.0%–11.3%，谱系内为0.3%–2.1%。谱系分布呈复杂邻域分布模式：C. hottentotus分布于大西洋沿岸干旱地带及上卡鲁和Gourits河流域；C. mahali-S分布于Cape Agulhas附近及东至Port Elizabeth的沿海区域，在Drakensberg与mahali-NC和natalensis相遇；C. mahali-NC分布于Orange和Vaal河流域，北至Kalahari沙漠；C. pretoriae记录限于Pretoria周边少数地点；C. natalensis分布广泛，沿印度洋海岸和Drakensberg断崖；C. nimrodi分布于林波波河流域。

3.2 核谱系地理学

在串联核（ddRAD）树中，branchcutting界定出七个谱系，与线粒体谱系对应但区分了mahali-N、C和S。树拓扑完全解析（所有节点PP=1.00），与线粒体树的差异仅在于C. hottentotus和C. nimrodi位置互换。主成分分析前两个主成分分别解释15.8%和13.4%的变异，五个物种清晰可辨。STRUCTURE分析中Evanno ΔK启发式建议K=5或K=7，仅K=7时所有重复运行收敛到相同解。Infomap聚类在共祖矩阵上返回六个聚类，但C. mahali-NC和C. mahali-S在相互共祖方面相当接近；当以局域种群而非个体估计共祖矩阵时，C. mahali形成单一聚类。

3.3 多物种溯祖分析

BPP交叉模型后验采样中，所有七个候选物种均明确支持为不同基因库（PP=1.00）。热力学积分法边际似然估计支持与串联树一致的拓扑（nimrodi，（mahali，（natalensis，pretoriae）））（BF=45.7）。完全参数化物种树显示Cryptomys在大有效种群大小条件下快速辐射，所有祖先物种的GDI均较低（0.09–0.34），而多数现存谱系的GDI较高（0.78–0.95），唯一例外是C. mahali-C（GDI=0.28）。基于GDI的层级合并经两步后以C. mahali作为单一物种结束（GDI=0.52）。MSC-I模型支持C. mahali-C起源于C. mahali-N和S直接祖先谱系融合的假说（BF=145.4和29.7）。贝叶斯检验检测到从C. mahali-N到C. pretoriae和从C. mahali-S到C. hottentotus的显著单向基因流，有效迁移率估计分别为0.020和0.013个体/代。时间校准估计现存Cryptomys最基部谱系分化发生在2.8（2.0–3.6）Ma BP，快速辐射发生在2.0（1.5–2.6）至1.6（1.1–2.1）Ma BP，C. mahali内部结构起源于1.0（0.7–1.4）Ma BP。

3.4 物种分布模型

属级MaxEnt模型包含10个生态变量，其中9个为生物气候变量，包括平均降水量、降水与温度季节性及降水与温度协变，另加沙粒含量。预测相对出现率（ROR）在大部分存在记录包围区域内高于先验期望。气候-only模型与完整模型预测强相关（r=0.94），投影至末次盛冰期（LGM）条件可信。LGM预测显示西部和南部海岸的狭长地带为C. hottentotus和C. mahali-S提供生存空间，C. mahali-NC和C. mahali-S当前相遇区域出现较大不宜居区域，提示短暂隔离后的二次接触。组间PCA揭示从C. hottentotus经C. mahali至C. natalensis的生态条件梯度，与年降水量、最湿月降水量和最暖季降水量相关；C. nimrodi以高降水季节性和相对温暖最冷季为特征。物种级模型比较显示各物种通常在其实际存在区域占优势，但存在若干扩展区域。

四、讨论与结论

研究基于广泛的线粒体和核基因组数据证明Cryptomys属由五个深度分化的演化谱系组成，研究人员将其解释为独立物种。线粒体和基因组变异分析一致恢复这些谱系为支持良好且互为区分的单元，表明五个物种的分化代表主要系统发育模式，尽管部分接触区存在有限基因流。C. mahali是最广布物种，具有显著内部谱系地理结构，但多种证据表明其内部分化未达到五个主要谱系间的种间分化水平，应解释为单一广布物种，具有显著种群结构和可能的局部杂交。

线粒体与核数据集在基部谱系位置上部分不一致，多物种溯祖分析产生涉及mahali、nimrodi和natalensis+pretoriae进化枝的替代拓扑，这可用相对较大祖先种群的快速辐射导致不完全谱系分选和物种树短内部分支来解释，Cryptomys的基部多样化最好解释为演化多分支，反映快速复杂的物种形成过程而非未解决的分类问题。

分化时间将现存Cryptomys谱系的起源置于晚上新世，基部谱系分化约2.8 Ma，后续多样化发生在早更新世，这一时期以更冷和更多变的气候条件为特征，支持向更开放植被的转变，加上南部非洲地质抬升增强环境异质性，可能促进种群破碎化。

五个物种的分布范围大小差异显著：C. pretoriae仅记录于Gauteng省小区域，但其遗传多样性并未显著降低，表明长期种群稳定性；C. mahali分布广泛且空间复杂。基于线粒体数据，所有五个物种的分布大体呈邻域分布，接触位置限于有限地理区域，核基因组分析在采样点地理最近的两种情况中检测到有限单向基因流。物种边界未显示强迁移屏障或明显不宜居栖息地，分布范围限制可能由竞争排斥设定，与物种沿生态梯度的分离一致。

属级分布模型预测Cryptomys适宜条件未远超当前范围，向Kalahari和Namib沙漠方向迅速消退，与属回避高度干旱和沙质土壤一致。LGM投影显示分布范围变化小，表明在整个重大全球气候变化中相对稳定，冰川期分布向南扩展至暴露的大陆架（古Aguihas平原）。在开普地区，Cryptomys与两个独居属Bathyergus和Georychus同域分布，三个属的谱系地理结构存在共同特征，包括西部大西洋沿岸单一谱系和非洲最南端Cape Agulhas区域的特有谱系，后者可能代表古Aguihas平原曾经繁盛种群的残余。

分类学上，研究结果强烈支持Cryptomys内五个物种的识别：C. hottentotus、C. nimrodi、C. mahali、C. natalensis和C. pretoriae，这一结论得到线粒体和全基因组核数据集一致恢复深度分化单系谱系的支持，其遗传差异与其他滨鼠科属已识别物种间的差异相当，上新世-更新世分化时间指示长期演化独立性。

结论翻译：尽管Cryptomys在近几十年一直是许多生态学、行为学和生理学研究的对象，且类群数量已有广泛共识，但各物种的精确分布界限仍鲜有记录且多为推测。本研究结合的线粒体和核基因组分析解决了Cryptomys长期存在的分类模糊性，为未来正式分类修订建立了稳健基础。此类修订应通过重新评估现有名称及其与遗传定义物种的对应关系来稳定命名。五个物种的识别对比较和保护导向研究具有重要含义，特别是对C. pretoriae等地理受限类群。同样重要的是博物馆材料的广泛分子条形码化，大幅提高了物种分布的精度并缩小了接触带可能发生的地理空间。通过填补广泛的采样空白，本研究提供了该属物种分布范围最全面且经验基础最扎实的概览。