原創(chuàng) 杜詩雨、張峰

近日，國際頂級刊物Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 在線刊登了南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院昆蟲系張峰教授團(tuán)隊(duì)和華南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院欒云霞研究員團(tuán)隊(duì)的研究論文，題目為“Revisiting the four Hexapoda classes: Protura as the sister group to all other hexapods”。該研究通過系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)綜合分析，聚焦了六足總綱（Hexapoda）4個(gè)綱（原尾綱Protura、彈尾綱Collembola、雙尾綱Diplura和昆蟲綱Insecta）之間的進(jìn)化關(guān)系，為昆蟲的起源和進(jìn)化提供了新見解。

六足總綱（廣義的昆蟲）是動物界中生物多樣性最高的類群。六足總綱目前分為4個(gè)綱，其中彈尾綱、原尾綱、雙尾綱由于在形態(tài)特征上具有一些比較原始的特征，因此又被俗稱是低等六足動物（或noninsect hexapods）。三類低等六足動物迄今為止已知大約10,800種，占動物多樣性的1%左右。先前基于形態(tài)學(xué)和分子數(shù)據(jù)的系統(tǒng)發(fā)育分析未能就這三類低等六足動物和昆蟲綱的進(jìn)化關(guān)系達(dá)成一致，并且已經(jīng)爭論了一個(gè)多世紀(jì)。不同的進(jìn)化關(guān)系也暗示了昆蟲體型（body plan）和登陸（terrestrialization）的不同演化場景。

圖1. 原尾蟲Acerentomon microrhinus (A) 和 Sinentomon erythranum (B) 形態(tài)圖

利用系統(tǒng)發(fā)育基因組學(xué)（phylogenomics）解決動物的進(jìn)化關(guān)系已成為主流，但之前由于數(shù)據(jù)的缺乏和難獲取，并未有研究者深入探討六足動物4綱之間的進(jìn)化關(guān)系。本研究新增了兩個(gè)雙尾蟲（Octostigma sinensis和Lepidocampa weberi）和一個(gè)原尾蟲（Sinentomon erythranum）（圖1）稀有物種的轉(zhuǎn)錄本，補(bǔ)充了原尾綱和雙尾綱的組學(xué)數(shù)據(jù)的空缺。在利用“大數(shù)據(jù)”建樹時(shí)，我們使用了一套嚴(yán)謹(jǐn)、合理的數(shù)據(jù)過濾方法，進(jìn)行了數(shù)十種基因?qū)傩詼y試，盡可能消除可能的系統(tǒng)性誤差，尋找導(dǎo)致拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，并基于并聯(lián)法（溯祖MSC模型）和串聯(lián)法（從簡單的位點(diǎn)同質(zhì)性site-homogeneous模型到復(fù)雜的位點(diǎn)異質(zhì)性site-heterogeneous模型）多種建樹策略構(gòu)建可靠的系統(tǒng)發(fā)育樹。針對獲得的不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（圖2），我們還通過多種驗(yàn)證方法，例如：AU test（AU拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢驗(yàn)）、Four-cluster likelihood mapping（四分法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)檢驗(yàn)）、LOO-CV模型比較、site-wise & gene-wise分析等，最終確定了六足動物之間的系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系為：原尾綱 （（彈尾綱 雙尾綱） 昆蟲綱），即原尾蟲為最早分化出來的六足動物，彈尾蟲和雙尾蟲構(gòu)成了姊妹群的關(guān)系（圖3）。

圖2. 本研究涉及的多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)關(guān)系

此外，我們還對三類低等六足動物相關(guān)形態(tài)學(xué)特征進(jìn)行了重解釋，明確了自有衍征和共衍征。通過胚胎后期變形發(fā)育、擁有獨(dú)特的尾節(jié)、精子的鞭毛結(jié)構(gòu)、簡單的氣管系統(tǒng)等特征，支持了原尾蟲的“獨(dú)特性”；通過精子移植方式、中心體微管數(shù)、染色體核型等的特征，支持了彈尾綱 雙尾綱姊妹群的結(jié)論。而關(guān)于內(nèi)顎類（Entognatha）最早的定義（1891年由Stummer-Traunfels提出）僅包括了彈尾蟲和雙尾蟲，區(qū)別于現(xiàn)在關(guān)于內(nèi)顎類的定義（包括三類低等六足動物）。因此我們建議，恢復(fù)內(nèi)顎類最初的定義，原尾蟲應(yīng)置于六足動物的最基部，與其余所有六足動物構(gòu)成姐妹群的關(guān)系。

圖3. 六足動物系統(tǒng)發(fā)育樹

由于原尾蟲生境和身體構(gòu)造的特殊性，并沒有報(bào)道關(guān)于原尾蟲化石相關(guān)的證據(jù)來支持這個(gè)結(jié)論。目前，最早的六足動物化石發(fā)現(xiàn)于早泥盆世（Rhyniella praecursor），那時(shí)陸地生態(tài)系統(tǒng)已初步形成。原尾蟲作為最早分化的六足動物，雖然保留了一些水生的特征，但早已經(jīng)能夠適應(yīng)在陸地生活?？梢?，六足動物最近的共同祖先可能早已陸地化。

本研究得到了國家自然科學(xué)基金（32270470, 31970434, 32170425, 31970438, 42222201）、國家科技基礎(chǔ)資源調(diào)查計(jì)劃（2018FY100300）等項(xiàng)目的資助。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)和南京地質(zhì)古生物研究所聯(lián)合培養(yǎng)在讀博士生杜詩雨為論文第一作者，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)張峰教授、華南師范大學(xué)欒云霞研究員為論文通訊作者；南京地質(zhì)古生物研究所蔡晨陽研究員和在讀博士生Erik Tihelka，南京農(nóng)業(yè)大學(xué)俞道遠(yuǎn)副教授，上海歷史自然博物館卜云研究員，美國自然歷史博物館Michael S. Engel教授，深圳猛犸教育（華大集團(tuán)）陳萬君博士也參與了該研究。

相關(guān)腳本和代碼已經(jīng)公開，歡迎大家使用和引用：https://github.com/xtmtd/Phylogenomics/tree/main/basal_hexapods/scripts

文章鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2408775121