科学家创建迄今为止最大最详细的鸟类家谱

今天发表在《自然》和《国家科学院院刊》杂志上的两篇补充论文详细介绍了更新后的家谱，揭示了 6600 万年前恐龙灭绝的灾难性大灭绝事件之后鸟类进化史的模式。作者观察到早期鸟类的有效种群规模、替代率和相对大脑大小急剧增加，为这一关键事件之后推动鸟类多样化的适应机制提供了新的线索。研究人员还仔细检查了新家谱的一个分支，发现火烈鸟和鸽子的亲缘关系比之前的全基因组分析显示的亲缘关系更远。

“我们的目标是重建所有鸟类的整个进化史，”加州大学圣地亚哥分校的研究员 Siavash Mirarab 教授说。

这项工作是鸟类 10,000 个基因组 (B10K) 项目的一部分，该项目是由哥本哈根大学、浙江大学和加州大学圣地亚哥分校牵头的多机构努力，旨在生成约 10,500 种现存鸟类的基因组序列草案。

这些研究的核心是一套名为 ASTRAL 的算法，Mirarab 教授和同事开发了该算法，以前所未有的可扩展性、准确性和速度来推断进化关系。

通过利用这些算法的力量，他们整合了来自 60,000 多个基因组区域的基因组数据，为他们的分析提供了坚实的统计基础。

研究人员随后检查了基因组中各个片段的进化历史。

从那里，他们拼凑出了基因树的马赛克，然后将其编译成综合的物种树。

这种细致的方法使研究人员能够构建一个新的和改进的鸟类家谱，即使在历史不确定的情况下，也能以惊人的精度和细节描绘复杂的分支事件。

米拉拉布教授说：“我们发现，在分析中添加数万个基因的方法实际上对于解决鸟类物种之间的进化关系是必要的。”

“你确实需要所有的基因组数据来充满信心地恢复 65-6700 万年前的这段时间内发生的事情。”

科学家们还研究了不同基因组采样方法对树的准确性的影响。

他们表明，两种策略——对每个物种的许多基因进行测序，以及对许多物种进行测序——结合在一起对于重建这段进化历史非常重要。

“因为我们混合使用了这两种策略，所以我们可以测试哪种方法对系统发育重建具有更强的影响，”哥本哈根大学的约瑟夫·斯蒂勒教授说。

我们发现，从每个生物体中采样许多基因序列比从更广泛的物种中采样更重要，尽管后一种方法可以帮助我们确定不同群体进化的时间。”

借助先进的计算方法，研究人员还揭示了他们在之前的一项研究中发现的一些不寻常的现象：鸟类基因组中一条染色体的特定部分在数百万年里保持不变，无效基因重组的预期模式。

“十年前，我们拼凑了新鸟的家谱，这个群体包括绝大多数鸟类，”佛罗里达大学教授爱德华·布劳恩说。

“根据 48 个物种的基因组，我们将 Neoaves 分为两大类：鸽子和火烈鸟为一组，其余的为另一组。”

“今年，当使用 363 个物种重复进行类似的分析时，出现了不同的家谱，将鸽子和火烈鸟分为两个不同的类群。”

“手里有两棵互斥的家谱，我们开始寻找解释，告诉他们哪棵树是正确的。”

“当我们查看单个基因以及它们支持哪棵树时，突然发现所有支持老树的基因都在一个位置。这就是整个事情的开始，”他解释道。

“通过调查这个地点，我们注意到它并没有像数百万年的有性繁殖中应有的那样混合在一起。”

“像人类一样，鸟类将父亲和母亲的基因结合到下一代。”

“但是鸟类和人类在创造精子和卵子时首先混合了从父母那里继承的基因。”

“这个过程称为重组，它通过确保没有两个兄弟姐妹是完全相同的来最大化物种的遗传多样性。”

作者发现证据表明，在恐龙消失前后的几百万年里，一只鸟类染色体的一个部分抑制了这种重组过程。

灭绝事件和基因组异常是否相关尚不清楚。

结果是，在这块冷冻 DNA 中，火烈鸟和鸽子看起来很相似。

但考虑到完整的基因组，很明显这两个群体的关系更为遥远。

“令人惊讶的是，这段重组被抑制的时期可能会误导分析，”布劳恩教授说。

“而且由于它可能会误导分析，因此实际上在未来 6000 万年以后就可以检测到它。这就是最酷的部分。”

“这样的谜团也可能潜伏在其他生物体的基因组中。”

“我们在鸟类中发现了这个误导性区域，因为我们投入了大量精力对鸟类基因组进行测序。”

“我认为其他物种也存在类似的情况，但目前尚不清楚。”