《Molecular Phylogenetics and Evolution》：Phylogenomics of poachers (Agonidae) and the evolution of armor in cottoid fishes (Perciformes: Cottoidei)
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本研究通过整合基因组数据和形态学分析，系统重建了Cottoidea目下主要类群的系统发育关系，并揭示了真皮装甲的演化模式。结果显示Agonidae（poachers）在仅包含完全装甲物种时呈现单系群特征，确认了七个支持度高的亚科分类。祖先状态重建表明真皮装甲的多次获得与鱼类生态位从深海过渡到大陆架环境相关，装甲结构可能在此过程中起到抵御捕食者和环境压力的作用。
Megan L. Vandenberg | Zach Heiple | Matthew A. Kolmann | Thaddaeus Buser | Adam P. Summers | Fernando Meléndez-Vazquez | Dahiana Arcila | Katherine P. Maslenikov | Luke Tornabene
华盛顿大学生物系，西雅图，WA 98195，美国
摘要
Cottoid鱼类是一类形态多样化的鲈形目鱼类，然而它们的系统发育关系和高级分类仍然不稳定。特别是Agonidae科（又称“poachers”）的界限以及与其密切相关的谱系的分类位置一直存在不确定性。在本文中，我们利用基因组和形态数据重建了主要Cottoid类群之间的关系，并评估了该类群皮肤铠甲的进化过程。我们的分析表明，只有将Agonidae科限定为完全具有铠甲的鱼类时，才能支持其单系性，并确定了七个得到充分支持的亚科。祖先状态的重建显示，在从鳞片向微小皮肤刺的转变过程中，多次出现了铠甲板的增加。这些变化与鱼类向大陆架栖息地的生态转变相吻合，在这些环境中，铠甲可能为鱼类提供了对捕食者和环境的保护。鉴于Agonidae科中铠甲形态的高度多样性，本研究能够详细绘制铠甲特征图谱，并为测试影响鱼类表现的选择压力提供了基础。
引言
皮肤铠甲最早出现在约5亿年前的无颌鱼类中（例如heterostracans、osteostracans、galeaspids和arandaspids），最初表现为大型骨骼头部盾片。随着进化，这些盾片逐渐减少或被微小的鱼类鳞片所取代（例如elasmoid和ganoid鳞片），通过简化鳞片结构提高了身体的灵活性（Bruet等人，2008年；Lemopoulos和Montoya-Burgos，2021年；Long和Trinajstic，2024年；Sire等人，2009年）。所有鱼类鳞片都包含一层骨骼（Moyle和Cech，2003年；Zhu等人，2012年），并且通常还被特定于鳞片的牙本质样组织（如珐琅质、牙本质或ganoine）覆盖（Lemopoulos和Montoya-Burgos，2021年）。相比之下，躯干骨骼板或“骨骼铠甲”与鳞片不同，因为它们仅由骨骼组成，大多数缺乏其他组织覆盖。有趣的是，骨骼铠甲板的重新出现依赖于之前的鳞片丢失事件，一旦获得后，其再次丢失的概率较低（Lemopoulos和Montoya-Burgos，2021年）。相比之下，微小皮肤刺是皮肤骨骼的小而尖的突起，与鳞片或骨骼铠甲板不同，它们之间没有连接（Shono等人，2019年；Yabe，1985年）。
Agonidae鱼类，通常被称为“poachers”，是Cottoidea超科中的一个类群，其特征是全身覆盖有骨骼铠甲板。这些鱼类分布于全球各地，从北极到南美洲的太平洋沿岸，其中北太平洋地区的多样性最为丰富（Sheiko和Mecklenburg，2004年）。大多数poachers鱼类是底栖生物，生活在大陆架的温带水域中，从潮间带到300米深度（Sheiko和Mecklenburg，2004年）。在狭义的Agonidae科中，47个物种的特点是拥有由六到八排紧密重叠的六边形骨骼板组成的厚重铠甲，不同物种之间的骨骼板形态有所不同（Kanayama，1991年；Kolmann等人，2020年；Kruppert等人，2020年；Vandenberg等人，2024年）。其他一些Cottoid鱼类则具有特化的栉鳞、头部的刺或身体上的微小皮肤刺，但没有一种具有Agonidae鱼类那样的全身铠甲覆盖（Kanayama，1991年；Yabe，1985年，图1）。
在过去四十年中，许多研究探讨了poachers鱼类与Cottoidea超科其他成员之间的关系（Knope，2013年；Smith，2005年；Smith和Busby，2014年；Smith和Wheeler，2004年）（表1，图2）。早期的poachers鱼类分类主要基于形态特征，其中一些特征与它们的皮肤铠甲有关。Kanayama（1991年）的研究建立了第一个定义Agonidae科的系统发育框架，识别出四个亚科（Percidinae、Agoninae、Anoplagoninae和Brachyopsinae），尽管该研究在分类时并未使用铠甲特征（图2A，表1）。Washington等人（1984年）利用幼体形态特征将Hemitripterus属（海鸦鱼）归类为poachers鱼类的姐妹群，并将其与其他大多数鲉科鱼类置于一个多分支系统中，而Hemitripidotinae亚科则位于该多分支系统之外（图2B）。其他早期的形态学研究也将Hemitripterinae视为一个独立的科，与Agonidae鱼类为姐妹群（图2C；Yabe，1985年）。最近使用线粒体和核序列推断系统发育关系的研究也发现Hemitripterinae属于狭义Agonidae的姐妹群（Smith和Wheeler，2004年）（图2D）。然而，Knope（2013年）认为Hemitripterinae与Scorpaenidae和Rhamphocottidae为姐妹群，而不是狭义Agonidae的姐妹群（图2E）。
Smith和Busby（2014年）将Agonidae的定义扩展为包括Hemiptripterinae和Hemilepidotinae两个亚科，并提出了广义Agonidae的一个共同形态特征：“幼体或浮游阶段的鳞片演化为皮肤刺”（图2F）。实际上，Hemilopidotinae和Hemiptripterinae的成员在幼体和幼年阶段具有皮肤刺，尽管成年后这些刺会部分消失，仅以皮肤覆盖的微小刺形式存在（Knope，2013年；Mecklenburg，2003年；Smith，2005年；Smith和Busby，2014年）。此外，他们指出Hypsagoninae亚科的形态介于传统的狭义Agonidae和新增的Hemitripterinae之间，这支持了他们对Agonidae的扩展定义（图2F）。最近，Radchenko等人（2025年）分析了线粒体和核DNA，发现Blepsias和Hemitripterus具有单系性，但Nautichthys则不具有单系性，从而得出海鸦鱼应属于Agonidae的姐妹群的结论（表1）。
一个明确的系统发育树对于稳定poachers鱼类及其近缘类的分类以及重建该科的进化历史至关重要，这对理解鱼类中铠甲的进化具有更广泛的意义。然而，以往的研究难以准确估计这些关系（Knope，2013年；Smith和Busby，2014年），通常依赖于少数位点的Sanger测序数据。最近，基于外显子捕获或超保守元素（UCEs）的全基因组系统发育数据在解决许多鱼类群体的系统发育关系方面发挥了重要作用（Hart等人，2022年；Hughes等人，2021年；Johnson等人，2025年；McCraney等人，2025年；Roa-Varon和Pirro，2022年）。这些现代方法为构建可靠的poachers鱼类系统发育假说提供了有力手段。然而，使用全基因组数据的大规模鱼类系统发育研究仅包括少数Cottoid鱼类，其中poachers鱼类的研究更为有限（Arcila等人，2017年；Betancur-R等人，2017年；Betancur-R等人，2013年；Ghezelayagh等人，2022年；Rabosky等人，2018年）。此外，几乎所有使用数百到数千个位点进行鱼类系统基因组分析的研究都依赖于使用定制mRNA探针靶向捕获个别位点，然后对这些位点进行测序。这种方法存在一些缺点，包括测序成本高、试剂和探针组价格昂贵，以及可能由文库制备协议引起的偏差。为了克服这些潜在问题，我们使用了从全基因组鸟枪法测序数据中提取的外显子。这种方法是一种相对新颖且强大的系统基因组分析方法，能够在无需靶向捕获或转录组测序的情况下，在计算机上恢复数百到数千个同源外显子，通过利用鸟枪法基因组组装生成大规模、高质量的外显子数据集，从而提高系统发育分辨率和可靠性（Arcila等人，2017年；Hughes等人，2021年）。具体来说，我们（1）构建了Cottoidei的系统发育树，以明确测试Agonidae相对于Hemitripterinae和Hemilepidotinae的位置和单系性；（2）重建了皮肤铠甲（鳞片、板状结构）及其丢失的进化历史；（3）提出了基于系统基因组和形态学证据的Agonidae及其近缘类的修订分类。
2.1 分类单元采样
分类单元采样重点关注Agonidae物种之间的相互关系，包括该科中的54个物种中的43个以及所有25个属。由于Hemitripterinae在Agonidae中的位置存在广泛争议，我们纳入了所有四个公认的hemitripterine属的样本。此外，本研究还纳入了Psychrolutidae、Cottidae、Scorpaenichthyidae、Rhamphocottidae、Liparidae、Cyclopteridae、Trichodontidae、Zaniolepididae和Anoplopomatidae等外群，以获得更广泛的
3.1 系统发育关系
最大似然（ML）分析得出了一个得到充分支持的系统发育树（图3），大多数节点都得到了强支持：92个节点中有81个的bootstrap值≥95，另外6个节点得到了中等程度的支持（bootstrap≥70）。ML分析和共祖分析的结果基本一致（图3和S1），在Nautichthys、Rhamphocottus、Scorpaenichthys和Leptocottus的位置上存在轻微差异。
Cottoid类群之间的关系
我们选取了Cottoidea超科内十个科的代表性物种进行采样，并获得了强有力支持
Cottoid鱼类之间的关系
评估Agonidae姐妹群的一个难点在于Cottoid鱼类系统发育假设的普遍不稳定性。我们的分析总体上支持了先前的研究（Smith和Wheeler，2004年；Betancur-R等人，2017年；Rabosky等人，2018年；Ghezelayagh等人，2022年），特别是将Anoplopomatidae确定为Cottoidei所有其他成员的外群，这与Shinohara（1994年）的假设一致。Zaniolepididae的分类位置也与先前的研究结果一致
资助声明
MLV得到了华盛顿大学生物系Friday Harbor实验室奖和Friday Harbor实验室研究奖学金的支持。MAK得到了路易斯维尔大学的启动资金以及国家科学基金会的DEB-233368和DBI-2301406奖项的支持。APS得到了Seaver研究所和国家科学基金会的DBI-2301406奖项的支持。DA得到了国家科学基金会的DEB-2144325和DEB-2015404奖项的支持。Kevin Schofield为这项研究提供了资金支持
CRediT作者贡献声明
Megan L. Vandenberg： 方法学。
Zach Heiple： 写作——审稿与编辑、资金获取、概念构思。
Matthew A. Kolmann： 写作——审稿与编辑、方法学。
Thaddaeus Buser： 写作——审稿与编辑、方法学。
Adam P. Summers： 写作——审稿与编辑、可视化、资金获取。
Fernando Meléndez-Vazquez：
Dahiana Arcila： 写作——审稿与编辑、方法学、资金获取。
Katherine P. Maslenikov： 写作——审稿与编辑、资源获取。
Luke Tornabene： 写作——审稿与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
我们衷心感谢京都大学的Yoshiaki Kai和伦敦自然历史博物馆的James Maclaine慷慨捐赠了各种poachers鱼类的组织样本。同时，我们也感谢Kevin Schofield为测序工作提供的资金支持，感谢Ricardo Betancur-R在方法上的帮助，Cassandra Donatelli对手稿的反馈，以及Delson Hayes在BEAST软件使用上的协助。
