蜉蝣与蜻蜓原是“近亲”，中国科学家破解昆虫翅膀演化百年谜题

IT之家 10 月 13 日消息，据新华社报道，由中国科学院南京地质古生物研究所、南京师范大学领衔的国际科研团队，通过系统发育基因组学方法破解了困扰昆虫学界百余年的“古翅类难题”，相关成果今日发表在国际学术期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）。 其研究确认蜉蝣与蜻蜓互为姊妹群，共同构成“古翅类”，而古翅类又是可折叠翅膀的新翅类的姐妹支系。 ▲ 有翅昆虫主要分支演化关系示意图 IT之家注：“古翅类难题”指的是蜉蝣目、蜻蜓目与翅可折叠的新翅类这三类有翅昆虫之间的系统发育关系长期悬而未决。 此前学界对蜻蜓、蜉蝣和其他有翅昆虫的亲缘关系一直存在争议，是昆虫系统发育中最难解析的节点之一。此次研究中，团队利用我国丰富的蜉蝣物种资源，新测定了 16 种本土蜉蝣的核基因组，并整合了百余种昆虫的基因组与转录组数据，弥补了以往关键类群取样不足的短板。 ▲ 有翅昆虫演化早期分化的三种假说。(A) 古翅类假说 (H1): [[蜉蝣目 + 蜻蜓目] + 新翅类]。(B) 交叉翅类假说 (H2，Chiastomyaria): [蜻蜓目 + [蜉蝣目 + 新翅类]]。(C) 后翅类假说 (H3，Metapterygota):[蜉蝣目 + [蜻蜓目 + 新翅类]] 多种系统发育基因组学分析方法的结果一致支持古翅类的单系性，即蜉蝣目与蜻蜓目互为姊妹群，它们一起构成的“古翅类”才是新翅类的姐妹支系。这一结论修正了长期以来基于形态特征的传统观点。此前有学者根据古翅类翅膀不能折叠、看似“更原始”，推测其起源应早于新翅类。新研究则表明，二者分化后各自独立演化出不同的翅基结构：古翅类特化出刚性翅基以适配滑翔或高速飞行，新翅类则演化出可折叠的翅根关节，便于在狭小环境中活动。 ▲ 有翅昆虫系统发育树。基于矩阵 1、采用 CAT-PMSF 分子进化模型推导得到的核心拓扑结构 研究还结合 13 个化石校准点与分子钟数据，更新了有翅昆虫的起源时间。分子钟结果显示，冠群有翅昆虫可追溯至早泥盆世，距今约 4.19 亿至 3.93 亿年前；古翅类冠群则起源于晚泥盆世。昆虫翅膀在演化史上只出现了一次，今天蜂、蝶、蜻蜓的翅膀皆从同一远古共同祖先传承而来。新翅类依靠独立的第三腋片旋转将后翅折叠覆盖到腹部的机制，为石炭纪之后新翅类的爆发式辐射奠定了生理与生态基础。 ▲ 不完全谱系分选和基因树系统误差分析 据南京古生物所介绍，该研究还揭示了此前基于组学数据的研究为何无法解决古翅类问题：在早期有翅昆虫快速辐射阶段，不完全谱系分选与基因树估计误差的共同作用，使多达约 40% 的基因树与物种树不一致，导致不同分析方法得出相互矛盾的结论。该研究通过串联法与溯祖法、多种演化模型、拓扑检验及基因位点级信号解剖等分析，系统检验了发育信号。 ▲ 有翅昆虫分歧时间估计 中国科学院南京地质古生物研究所研究员蔡晨阳表示，昆虫飞上天空是陆地生命演化史上里程碑式的重大革新，翅膀的诞生让昆虫有了全新的活动天地，也改变了陆地生态系统的面貌。南京师范大学教授周长发表示，两条演化道路并行发展，共同塑造了今天昆虫多样的飞行方式和丰富的物种。 论文第一作者为南京师范大学博士后杜诗雨和南京古生物所博士生王业浩，蔡晨阳研究员与周长发教授为共同通讯作者，美国自然历史博物馆 Michael S. Engel 教授等参与研究。 IT之家附论文地址： https://doi.org/10.1073/pnas.2614706123

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