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輻射演化導致譜系之間廣泛的分支形成、快速分化和適應性進化。分子生物學的發展，已經形成了遺傳分化速率的可靠測度方法體系。遺傳分化的結果是以能夠適應環境、具有特定功能的表型而呈現出來的。表型多樣性在一定程度上代表了遺傳多樣性和進化優勢，然而表型進化速率的定量測度方法至今沒有建立。造成這個局面的原因是由于進化枝在連續的歷史分化過程中的不穩定軌跡和各種選擇壓力的影響，連續時間尺度上的形態學數據的缺失導致類群的宏觀演化模型仍然存在爭議，進而表型進化與選擇壓力之間的關系無法得到精準解讀。

近日，中國科學院動物研究所白明研究團隊的一篇發表在自然出版集團《通訊生物學》（Communications Biology）的文章結合大數據、定量形態學和系統發育學，提出了一個表型進化速率的定量測度新方法，實現了在連續歷史時空尺度上定量解析表型變化規律，開啟了生物分支演化格局與驅動因素關系評估的新研究范式。本研究以演化過程中產生復雜形態信息和多樣食性的金龜科昆蟲為例，主要開展了三個方面的研究：1）四個具有重要生態功能的表型特征（上顎、前胸背板、鞘翅、后翅）在不同食性（糞食性、植食性、雜食性）的金龜子類群中的形態分化格局研究（圖一）；2）通過計算時間尺度上連續分支節點之間的表型特征在形態空間中的差異，建立了一個表型進化速率分析新指標——形變速率（DR，deformation ratio index），該指標可以用于探索表型變化與選擇壓力之間的相關性；3）由于不同表型特征的形變速率無法直接比較，故本研究對不同表型特征在連續時間軸上的形變速率進行了歸一化處理，進而建立了另一個表型進化速率分析新指標——環比增長率（SGR，sequential growth rate），實現了不同表型特征的橫向比較。

利用新方法，本研究首先發現了在晚侏羅紀和白堊紀時期，金龜子四個表型特征具有相同的形態演變規律，并為糞食性金龜子與哺乳動物協同進化假說提供了支持（圖二）。第二，通過評估選擇壓力與表型特征的古生態功能耦合關系，發現了在白堊紀時期金龜子鞘翅的形變幅度最大，這與先前認為上顎對古生態變化響應程度最高的觀點不同（圖三）。第三，發現金龜科昆蟲并不是隨著古近紀被子植物的崛起突然成為優勢類群，而是早在白堊紀被子植物發生時就出現了表型上的響應，呈現出表型特征微小且持續定向演化，這從定量形態學的角度解釋了有利的遺傳特征逐漸在物種中積累從而發生定向進化的現象。本研究通過比較不同功能特征的多樣性來解釋生物的宏觀演化模式，為研究物種興衰和選擇壓力間的作用機制提供新的視角。

該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國博士后科學基金、中國科學院動物研究所自主部署項目、國家科技基礎資源調查項目、東北亞生物多樣性研究中心項目等的資助。中國科學院動物研究所助理研究員佟一杰博士為第一作者，中國科學院動物研究所白明研究員為通訊作者，中國科學院動物研究所助理研究員路園園博士、寧夏大學在讀博士生田哲豪、中國科學院動物研究所/廣東省科學院動物研究所楊星科研究員參與了該研究。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s42003-024-06250-1

圖一 金龜科不同食性類群的形態特征分化

圖二??選擇壓力與金龜子四個表型特征的古生態功能耦合關系

圖三 金龜子四個表型特征的形變環比增長率的變化情況