阐明Xenacoelomorpha的系统发育关系:基于SeaLion的极化四元组分析

《Gene》:Clarifying Xenacoelomorpha phylogeny: A polarized quartet-based analysis with SeaLion

【字体: 时间:2026年02月28日 来源:Gene 2.4

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  Xenacoelomorpha的分子系统发育研究表明,Acoelomorpha(包括Acoela和Nemertodermatida)具有单系性,而Xenoturbellida作为独立分支,SeaLion方法结合RISK和DIST过滤有效排除长枝吸引干扰。

  
帕特里克·库克(Patrick Kück)| 马克·威尔金森(Mark Wilkinson)
分子生物多样性研究中心,莱布尼茨生物多样性变化分析研究所,Adenauerallee 160,波恩,53113,德国北莱茵-威斯特法伦州

摘要

最近的系统基因组学研究重新引发了关于Xenacoelomorpha内部关系的讨论。传统上,Xenacoelomorpha被划分为进化较快的Acoelomorpha(Acoela + Nemertodermatida)和进化较慢的Xenoturbellida。另一种观点认为Xenacoelomorpha(Acoela + Xenoturbella)是一个单系群,而Acoelomorpha的显性单系性归因于长分支吸引(LBA)现象。在本文中,我们使用SeaLion这一极化四元组框架重新评估了这些内部关系,该框架应用于:(i) 三项先前研究中的原始氨基酸超矩阵;(ii) 被认为支持Xenacoelomorpha的相应外部策划(过滤)数据集。对于每个数据集,我们进行了未经过滤的SeaLion分析以及使用了SeaLion的内部四元组过滤器RISK(收敛性保护)和DIST(支持距离阈值)的分析,这些过滤器可以排除具有高收敛风险或竞争拓扑结构分离度较差的四元组。我们的分析一致支持Acoelomorpha的单系性,这一结论在广泛的序列数据中都得到了验证,尤其是三项原始数据集。尽管外部策划数据集中的一些SeaLion四元组偶尔显示出不同的配置,但结合使用RISK和DIST过滤策略有效减少了这些冲突。通过优化潜在收敛特征状态与衍生特征状态的比例,我们的方法区分了系统发育信号与可能由位点速率异质性引起的伪影。

引言

Xenacoelomorpha是双侧对称动物(Bilateria)中的一个广泛认可的类群,包括两个不同的亚门:进化迅速的Acoelomorpha(包括扁虫纲Acoela和Nemertodermatida)以及进化较慢的Xenoturbellida(仅由Xenoturbella属代表)。系统基因组学研究通常支持Acoelomorpha与Xenoturbella之间的密切关系,从而形成了Xenacoelomorpha这一门类。然而,该类群在双侧对称动物中的系统发育位置仍然存在争议(Redmond, 2024)。一些研究表明,Xenacoelomorpha可能是所有其他双侧对称动物的姐妹群,这意味着其形态上的简单性可能反映了早期双侧对称动物的祖先特征(Hejnol et al., 2009, Cannon et al., 2016, Rouse et al., 2016, Juravel et al., 2023)。最近的系统基因组学重新分析指出,隐藏的平行演化和低信号基因可能会影响对深层后生动物关系的推断,而严格的策划/过滤可以显著改变对不同假说的支持程度(Mulhair et al., 2022)。此外,新的基因组数据集不断细化了Xenacoelomorpha的分类及其内部关系(Paps et al., 2023)。
尽管进行了大量的系统基因组学研究,但Xenacoelomorpha内部的详细关系尚未得到充分探索,其根节点在类群中的位置仍存在争议。大多数研究将Xenacoelomorpha视为由两个主要谱系组成:Acoelomorpha(Acoela + Nemertodermatida)和Xenoturbellida。然而,最近的分析提出了另一种观点,即Nemertodermatida是(Acoela + Xenoturbella)的姐妹群(Hejnol et al., 2009, Philippe and Roure, 2011, Cannon et al., 2016, Marlétaz et al., 2019, Philippe et al., 2019, Laumer et al., 2019)。虽然长期以来人们已经认识到Xenoturbella与无体腔动物扁虫之间的形态相似性(Franzen and Afzelius, 1987, Lundin, 1998, Westblad, 1949, Nakano et al., 2013),但在系统基因组学框架内明确界定这些谱系及其关系则是最近的发展(Philippe et al., 2011, Philippe et al., 2019, Kapli and Telford, 2020)。
重要的是,形态学证据并未在讨论中缺失。已经提出了多个支持Acoelomorpha的共有特征,包括平衡囊神经节(Raikova et al., 1998, Reuter et al., 1998, Reuter et al., 2001b, Reuter et al., 2001a, Raikova, 2008)和腺状前部器官(Smith and Tyler, 1985, Smith and Tyler, 1988, Rieger et al., 1991, Ehlers, 1992)。生殖形态的额外差异也与Acoelomorpha的分类一致(例如,Acoelomorpha具有与体内受精相关的改良精子以及生殖孔的存在,而Xenoturbella则具有更原始的水生精子结构且缺乏生殖孔,参见图1)。
由于将氨基酸数据重新编码为简化字母表(例如Dayhoff-6)会合并不同的替换类型,这可以在一定程度上减轻组成异质性或饱和现象,但同时也可能减少信息含量,并且根据数据和模型拟合情况,可能会提高或降低系统发育的准确性(Hernandez and Ryan, 2021, Foster et al., 2023)。因此,我们将简化字母表编码视为一种敏感性考量,而不是一个先验的校正步骤,并在此关注对这种预处理选择具有鲁棒性的四元组级信号/冲突模式。
为了严格测试Xenacoela假说(如果该假说被接受,将极大地重塑Xenacoelomorpha的内部关系),我们使用了SeaLion的极化四元组框架(Kück et al., 2025),对三项先前研究中的原始氨基酸超矩阵(Cannon et al., 2016, Philippe et al., 2019, Marlétaz et al., 2019)以及Redmond(2024)修订后的版本进行了分析,还包括这些数据的合并超矩阵。对于每个数据集,我们(i)进行了未经过滤的SeaLion分析;(ii)应用了RISK(收敛性保护)和DIST(支持距离)过滤器分析,以排除具有高收敛风险或支持分离不足的四元组。四元组级别的Nc比率诊断(潜在收敛的与衍生特征的对比)有助于独立验证信号质量,帮助区分系统发育支持与可能的伪影。最后,我们总结了不同数据集的结果,以评估在不同数据策划策略和四元组过滤规则下,Acoelomorpha或Xenacoela哪个更受青睐。
在这里使用基于四元组的框架的一个关键动机是,Xenacoelomorpha内部有争议的根节点可以简化为Acoela(A)、Nemertodermatida(N)和Xenoturbella(X)之间的三种竞争性组合。先前的研究表明,支持度可能对过滤和外群设计非常敏感。标准的超矩阵分析通常为给定矩阵报告一个最优拓扑结构,这可能会掩盖支持度在各种替代方案中的分布情况以及这种分布如何随策划选择而变化。通过将矩阵分解为物种四元组,我们直接量化了三种替代四元组解决方案之间的支持度,同时对类群内的代表进行了平均处理。SeaLion特别适合这种设置,因为它能够评估外群极化的分裂信号(内部分支一致性的位点模式支持:),并通过Na诊断,标记出那些看似与随机性/收敛性一致的支持度过高的四元组,从而提供了对传统树推断工作流程的补充(Kück and W?gele, 2015, Kück et al., 2025)。为了严格测试Xenacoela假说,我们使用了SeaLion的极化四元组框架(Kück et al., 2025),对三项先前研究中的原始氨基酸超矩阵(Cannon et al., 2016, Philippe et al., 2019, Marlétaz et al., 2019)以及Redmond(2024)修订后的版本进行了分析,还包括这些数据的合并超矩阵。对于每个数据集,我们(i)进行了未经过滤的SeaLion分析;(ii)应用了RISK(收敛性保护)和DIST(支持距离)过滤器分析,以排除具有高收敛风险或支持分离不足的四元组。四元组级别的比率诊断(潜在收敛的与衍生特征的对比)有助于独立验证信号质量,帮助区分系统发育支持与可能的伪影。最后,我们总结了不同数据集的结果,以评估在不同数据策划策略和四元组过滤规则下,Acoelomorpha或Xenacoela哪个更受青睐。
通过这种方式,我们提供了对Xenacoelomorpha内部关系的有针对性和透明的评估,展示了四元组级别诊断如何在数据异质性下澄清信号,并为氨基酸系统基因组学中解开不同拓扑结构提供了实际指导,明确区分了数据策划(分析前的外部过滤)和四元组级别信号过滤(分析期间应用的SeaLion的RISK和DIST)的影响。

系统基因组数据

我们使用了三个数据集(分别标记为‘CA’、‘PH’、‘MA’),这些数据集最初用于探索Xenacoelomorpha在双侧对称动物中的系统发育位置。这些数据集构成了Redmond(2024)进行分析的基础。我们分析了原始数据以及Redmond(2024)对应的过滤后数据(分别编码为‘CAX’、‘PHX’和‘MAX’),还包括这三个过滤后数据集的合并超矩阵‘REX’(表1)。

有根类群树的最终支持

SeaLion对十种不同类群配置的四元组分析,研究了Xenacoelomorpha亚群(Acoela:类群A;Nemertodermatida:类群N;Xenoturbella:类群X)之间的系统发育关系,一致强烈支持Acoelomorpha(Acoela + Nemertodermatida)作为一个独立群体的单系性,其与Xenoturbella位于同一分支(图4和补充文件S1)。
最强的支持度始终超过1.5

讨论

在这项研究中,我们使用SeaLion(Kück et al., 2025)进行了严格的基于四元组的分析,探讨了Acoelomorpha内部的系统发育关系及其对Xenacoelomorpha的更广泛影响。我们的目标是确定Acoelomorpha作为一个独立类群的稳健性,评估Xenacoelomorpha内的不同树结构(包括Redmond(2024)提出的Xenacoela),并评估SeaLion的效率

结论

总之,我们的SeaLion分析一致地将Acoelomorpha(A+N)恢复为一个有效的类群,几乎没有证据表明LBA偏差影响了信号。SeaLion的极化四元组以及RISK+DIST过滤器帮助去除了低支持度(潜在收敛信号),同时保留了更强支持的关系。尽管Redmond过滤后的数据集存在冲突,但阈值稳定的过滤在很大程度上
CRediT作者贡献声明
帕特里克·库克(Patrick Kück):撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、正式分析、概念化。马克·威尔金森(Mark Wilkinson):撰写——审稿与编辑、软件、数据策划、概念化。

资金

本研究未获得公共部门、商业部门或非营利部门的任何特定资助。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。
致谢
我们感谢三位匿名审稿人提供的深思熟虑的反馈,这些反馈增强了分析和报告的质量。
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