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

由中国科学院南京地质古生物研究所与南京师范大学共同领导的国际研究团队，采用系统发育基因组学手段，成功解答了困扰昆虫学界长达百年的“古翅类难题”。相关研究成果于10月13日刊登在国际权威期刊《美国国家科学院院刊》（PNAS）上。

该团队证实，蜉蝣与蜻蜓互为姊妹群，共同组成了“古翅类”，而古翅类则是拥有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

“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未能明确。过去，学术界对蜻蜓、蜉蝣及其他有翅昆虫的亲缘关系始终存有分歧，这成为昆虫系统发育研究中最棘手的节点之一。本次研究中，团队依托中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缺陷。

有翅昆虫演化早期分化的三种假说

多种系统发育基因组学分析方法的结果均支持古翅类的单系性，即蜉蝣目与蜻蜓目互为姊妹群，它们共同构成的“古翅类”才是新翅类的姐妹支系。这一结论修正了此前基于形态特征的传统观点。以往有学者认为古翅类翅膀无法折叠、看似“更原始”，从而推测其起源应早于新翅类。新研究则指出，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

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仅出现一次，如今蜂、蝶、蜻蜓的翅膀均源自同一远古共同祖先。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

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未能解决古翅类问题的原因：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，导致约40%的基因树与物种树不一致，使得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指出，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。

论文地址：https://doi.org/10.1073/pnas.2614706123

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