线粒体-核基因谱系冲突揭示伊比利亚蝎种间渗入杂交与二次接触的进化轨迹

《BMC Ecology and Evolution》：Mito-nuclear discordance reveals introgressive hybridization following vicariance and secondary contact in Iberian scorpions (Buthidae: Buthus)

　　本研究针对伊比利亚半岛Buthus属蝎子中普遍存在的线粒体-核基因谱系冲突现象，通过整合基因组学、形态学和生态学数据，揭示了冰期避难所隔离后二次接触导致的渗入杂交在物种形成中的作用。研究人员发现雄性偏向的基因流促进了核基因同质化，而独特的线粒体融合机制则维持了mtDNA区域化，这些发现对准确界定物种边界具有重要意义。

　　

在生物进化研究领域，线粒体-核基因谱系冲突（mito-nuclear discordance）是一种广泛存在却常被忽视的现象。当物种的线粒体DNA（mtDNA）与核DNA（nuDNA）所呈现的进化历史不一致时，便会产生这种冲突，可能掩盖了杂交和基因渗入的重要信号，而这些信号对于理解物种形成过程和界定物种边界至关重要。

欧洲，特别是伊比利亚半岛，似乎是这种基因谱系冲突的热点区域。复杂的地形和冰川历史促进了多次的隔离和二次接触循环。在这一地区，Buthus属蝎子提供了一个研究这些过程的理想模型。它们大约在10-6百万年前（Mya）通过一条或多条陆桥（如Rifian、Betic和Guadalhorce走廊）从北非殖民到伊比利亚半岛。与北非种群间的基因流可能在5.42至3.38 Mya期间被暂时中断，这一时期涵盖了梅辛尼亚 salinity 危机（Messinian Salinity Crisis, MSC）期间直布罗陀海峡重新打开的估计日期。

先前对Buthus的研究暗示了这些蝎子可能经历了渗入杂交事件。然而，后续的研究多依赖于单一的mtDNA标记（如16S和COI），而忽略了核标记的重要性。这导致了过去二十年里伊比利亚Buthus的物种数量被急剧高估，达到了二十种之多，这些物种的界定往往基于简短且信息不足的形态特征描述，缺乏对形态和分子变异的严谨分析。

由Javier Blasco-Aróstegui等人发表在《BMC Ecology and Evolution》上的研究，旨在探究二次接触和渗入杂交，以及推定的不完全谱系分选（Incomplete Lineage Sorting, ILS）在伊比利亚半岛Buthus蝎子多样化过程中的作用。研究人员预测，在地形复杂的地区（如山脉）会出现高水平的遗传分化，这些地区代表了避难所并构成了扩散和基因流的障碍；而在地形较不复杂的地区（如山谷和平原），则会出现较低的分化水平（即更高的同质性）和线粒体-核基因谱系冲突，这些地区代表了古代和/或现存的生态走廊以及潜在的二次接触带。

为了回答这些问题，研究人员开展了一项综合性研究。他们首先进行了针对性的野外工作，采集了欧洲Buthus所有推定物种的代表性样本（共51个终端），并包括三个非洲物种作为外群。研究构建了包含24个定性特征和12个定量特征的形态学矩阵，并对189个成年标本进行了25项形态测量学分析。在分子生物学方面，研究人员扩增并测序了三个核基因位点（18S rRNA, 28S rRNA的D3区, ITSII）和三个线粒体基因位点（12S rRNA, 16S rRNA, COI）。他们采用最大似然法（Maximum Likelihood, ML）和贝叶斯推断（Bayesian Inference, BI）分别构建了核DNA、线粒体DNA以及形态与分子联合数据（总证据法，total evidence）的系统发育树。为了探测杂交事件，研究还利用SplitsTree构建了杂交网络。此外，通过最大熵模型（MaxEnt）进行了生态位建模（Environmental Niche Modeling, ENM），并利用典型相关分析（Canonical Correlation Analysis, CCA）和Schoener's D、I-statistic等指标分析了环境关联和生态位重叠。

主要技术方法概览

本研究整合了多种技术方法：1) 广泛的野外采样，覆盖欧洲Buthus的已知分布区，样本来源包括实地采集、文献记录和iNaturalist平台；2) 多基因座测序，结合核基因（18S, 28S, ITSII）和线粒体基因（12S, 16S, COI）信息；3) 系统发育重建，采用ML和BI法分析分子和形态数据；4) 杂交网络分析，识别谱系间的网状进化事件；5) 多元形态计量学，通过线性判别分析（LDA）评估形态差异；6) 生态位建模与环境关联分析，利用MaxEnt和CCA揭示物种分布与环境因子的关系。

系统发育分析与基因谱系冲突

对核DNA和线粒体DNA的单独分析获得了不一致的树拓扑结构。核DNA系统发育恢复了八个谱系（A-H），其分布范围较广，内部支系支持度高，但末端支系支持度中等至低。而线粒体DNA系统发育则恢复了十二个谱系（A-L），其分布范围更受限，尤其是在葡萄牙南部和西班牙，内部和末端支系的支持度均较高。这种拓扑结构的不一致清晰地表明了线粒体-核基因谱系冲突的存在。

总证据分析（结合形态和所有分子数据）支持将欧洲Buthus划分为九个有效的物种，包括三个分布广泛的物种（B. halius, B. manchego, B. occitanus）和六个分布区受限的南部物种（B. delafuentei, B. elongatus, B. garcialorcai, B. iaspis, B. ibericus, B. montanus）。形态数据的加入提高了部分支系的 bootstrap 支持度，并澄清了几个支系间的关系。

杂交与基因渗入的证据

杂交网络分析揭示了七个网状进化事件，包括古老的和近期的。研究还识别了四个物种之间的推定杂交事件，有时在表型上表现为具有中间性状组合的种群。

例如，被描述为Buthus pedrosousai的种群，来自两个地点（Serranía de Cuenca和Torcas de Palancares y Tierra Muerta）的样本共享相同的mtDNA谱系F，但却代表了不同的nuDNA谱系G和F，并且表现出显著的形态差异，尤其是雄性触肢钳的形状。这种差异很可能源于nuDNA谱系G的雄性个体与mtDNA谱系F的雌性个体杂交后产生的中间表型。

形态计量学分析

线性判别分析（LDA）显示，与雌性相比，雄性表现出更大的形态分化和更清晰的聚类。当按照nuDNA谱系分组时，雄性形态数据揭示了四个明显的聚类；而按照mtDNA谱系或九个有效物种分组时，则显示出至少八个聚类。这表明形态特征与nuDNA谱系具有更好的相关性，进一步支持了基于nuDNA界定物种的合理性。

生态位分析与物种分布

生态位模型（ENM）显示，降水（季节性和最干月降水量）和年均温是影响Buthus栖息地适宜性的主要驱动因子。尽管这些蝎子主要占据干旱、植被稀疏的灌木丛或开阔的松树林，但不同物种的生态位需求存在差异。土壤组成（如粗糙度、pH值）和海拔高度也影响了物种的分布。例如，B. delafuentei局限于Guadalquivir盆地的沙丘系统，表现出对松软基质的高度特化（正沙性适应），而姐妹种B. iaspis和B. montanus则表现出海拔隔离，B. iaspis局限于山谷和盆地，B. montanus则分布于山顶。

生态位重叠分析表明，分布于相邻山脉和山谷的南部、分布区受限的物种之间具有较高的生态位重叠，而分布广泛的中部和东部物种之间的重叠度较低。研究发现了一些潜在的二次接触区，例如B. delafuentei和B. ibericus之间，以及B. manchego和B. occitanus之间，其生态位重叠度较低至中等。

研究结论与意义

这项研究揭示了冰川期栖息地扩张和收缩的反复循环在伊比利亚半岛Buthus蝎子中留下的深刻进化印记。孤立、分布区受限的谱系集中在半岛南部，那里山脉屏障和冰川避难所丰富；而分布更广的谱系则分布于中部和北部更为均质的低海拔景观中。深刻的mtDNA遗传分化、线粒体-核基因谱系冲突以及形态上的静态与变异模式，共同反映了塑造该地区生物多样性的广泛进化过程，包括冰川避难所隔离后伴随的杂交和/或不完全谱系分选。

研究结果强调了雄性偏向的基因流（雄性活动性强，雌性守土性强）和Buthus特有的线粒体融合（mitofusion）机制在促成线粒体-核基因谱系冲突中的重要作用。这种冲突导致了过去仅凭mtDNA和形态测量学数据对物种多样性的高估。研究表明，在存在普遍渗入杂交的情况下，形态学特征可能与基于mtDNA谱系的物种界定相冲突，而与nuDNA谱系具有更好的相关性。因此，对于具有复杂进化历史的类群（如Buthus），采用结合基因组学、形态学和生态学证据的综合方法对于精确界定物种界限至关重要。

这项研究不仅增进了我们对伊比利亚半岛生物多样性形成机制的理解，也警示我们在物种界定和系统发育研究中，需要充分考虑线粒体-核基因谱系冲突的可能性，并采用多位点数据进行综合评估，以避免得出片面或错误的结论。未来的研究应沿着潜在的接触带扩大采样，以更好地理解杂交和ILS在塑造伊比利亚Buthus遗传和形态结构中的作用。