《Ecography》：Tracing the origins and evolution of nymphalid butterflies (Lepidoptera) in the Atlantic Forest
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本研究聚焦南美大西洋森林（Atlantic Forest）这一生物多样性热点区域的蛱蝶科（Nymphalidae）蝴蝶，通过整合分子系统学、生物地理学与多样化速率模型（如DEC、ClaDS），揭示了其物种多样性主要由来自亚马逊和安第斯地区的反复扩散所驱动，而非当地的加速成种。研究表明，尽管存在开放植被形成的对角线屏障，但森林廊道在中新世晚期（Late Miocene）以来维持了持续的种群交流，强调了生物群落连通性与扩散在塑造当代生物地理格局中的核心作用。
大西洋森林蛱蝶的生物地理与演化史
材料与方法
研究团队旨在探究大西洋森林蛱蝶科物种的进化历史，采用了整合分子生物学、生物地理模型和多样化分析的综合方法。分子数据方面，研究人员采集了南美洲东部巴西的65种蛱蝶成虫样本，其中包括了43个先前在时间标定系统发育研究中未被测序的物种。DNA提取自蝴蝶腿部，通过Illumina NovaSeq平台进行测序。数据处理过程包括使用FastQC和fastp进行质量评估与接头修剪，利用SPAdes进行从头组装，并基于BUTTERFLY1.0探针集保留了391个位点，包含11个常用于蝴蝶系统学的经典基因。通过SECAPR软件完成了从组装到多序列比对的流程。研究人员聚焦于蛱蝶科中超过半数多样性分布于新热带区的单系群，最终确定了九个新热带区类群进行分析，包括斑蝶亚科、釉蛱蝶亚科、线蛱蝶族、螯蛱蝶族、暮眼蝶亚科-蛱蝶亚科复合支、螯蛾亚科、眼蝶亚科中的一个亚支、以及眼蝶族的两个亚群。将这些新数据与已发表的蛱蝶科（Chazot等人, 2021）和蝴蝶总科（Kawahara等人, 2023）最全面的系统发育树整合，并对每个类群使用MAFFT进行多序列比对。
时间标定系统发育推断方面，使用IQ-TREE对每个类群在串联密码子分区方案下进行最大似然法推断，并使用MCMCTree进行贝叶斯法时间标定，采用了独立速率的宽松分子钟模型和HKY85替代模型。由于蝴蝶化石稀少，研究从已发表的化石标定系统发育树中提取了19个次级校准点。
生物地理历史推断是核心环节。研究将新热带区划分为八个生物地理区域，主要包括中美洲与安第斯西北部低坡、北安第斯、中安第斯、亚马逊、开放植被对角线（包含卡廷加、塞拉多和查科）、北部大西洋森林、南部大西洋森林（以多西河为界）以及新热带区外区域。物种分布数据综合了文献、名录、数据库和专家知识。通过BioGeoBEARS软件包中的DEC模型估算分布区演化。为考虑分歧时间和祖先分布区的不确定性，对每个研究亚支从后验分布中随机抽取了50棵树，并对每棵树进行了50次生物地理随机映射（BSM）。从BSM结果中，以百万年为单位的时间箱提取了扩散速率。
区域物种多样化分析使用了CLaDS模型来估计分支特异性多样化速率，并结合BioGeoBEARS的祖先分布区估计结果，计算每个地理区域随时间变化的多样化速率。此外，研究还评估了海拔变化对大西洋森林蛱蝶多样化的影响，根据文献和专家知识将物种分为低地、高地或海拔泛化型，并使用系统发育广义最小二乘法回归，检验当前分布模式与物种形成速率（通过CLaDS估计或DR统计量）之间是否存在相关性。
结果
分子数据与时间标定系统发育推断显示，分子数据集大小在159,716至162,060个碱基对之间，代表387至391个位点。最大似然树拓扑结构与近期发表的多个类群系统发育研究基本一致。尽管在少数类群（如Brassolis属、Ithomiini族的几个属）存在低支持度的差异，但这些不一致大多处于较浅的系统发育层次，被认为不会对宏观进化和生物地理推断产生显著偏差。主要部落节点年龄的后验估计与先前研究结果相符。
生物地理历史推断方面，研究共收集了1377个物种的分布数据，其中375种出现在大西洋森林。生物地理随机映射结果显示，进入和离开亚马逊的扩散事件数量最高，其次是安第斯地区。对于大西洋森林而言，亚马逊同样是主要的来源地。扩散进入大西洋森林的速率在整个新生代持续发生，并在大约1000万年前加速至今。总体上，亚马逊一直是向大西洋森林扩散的主要、持续来源，仅在始新世和约1500万年前的中新世中期，安第斯的扩散贡献曾一度超过亚马逊。来自开放植被对角线向大西洋森林的扩散从1100万年前开始加剧。当分别分析大西洋森林的北部和南部区域时，南部区域与其他新热带区的连通性更高。最早扩散到大西洋森林的现存谱系是眼蝶亚科的Morphini族，大约在4700万年前。随后，螯蛾亚科、螯蛱蝶族和眼蝶亚科的Euptychiina等类群也陆续在始新世和渐新世扩散而至。其余蛱蝶科类群则在中新世扩散而来。其中，螯蛾亚科的两个属（Memphis和Prepona）表现出最高的扩散速率，自晚中新世以来呈指数增长。釉蛱蝶族的Heliconiini也表现出从亚马逊到大西洋森林的高扩散速率，高峰在约500万年前。
区域内物种多样化分析结果表明，结合CLaDS和BioGeoBEARS BSM获得的区域多样化速率估计显示，大西洋森林谱系的多样化速率随时间保持低而稳定的状态。这一趋势在北部和南部大西洋森林谱系中均有体现，尽管后者显示出略高的多样化速率。南部大西洋森林在约1500-1700万年前有一个显著的多样化高峰，同时南北部在大约2000-2500万年前都出现了多样化速率的下降。南部地区在新生代早期的多样化轻微增加，可能与Adelpha属和Ithomiini族等在整个新热带区快速多样化的类群的到来有关。
海拔变化对多样化的影响分析显示，除Ithomiini族和Actinote属（釉蛱蝶亚科：Acraeini族）外，未发现物种形成速率与当前分布模式之间存在广泛的系统发育相关性。对于Ithomiini，研究发现分布在南部大西洋森林的海拔泛化型物种（即广泛分布于海拔梯度的物种）比其他谱系具有更高的物种形成速率。Actinote属也发现了类似的相关性，但仅在CLaDS估计中具有统计学意义。
讨论
大西洋森林蛱蝶的扩散动态显示，自中新世中期（约1500万年前）以来，物种向大西洋森林的扩散整体呈增加趋势，并在过去约700万年内加速。扩散来源随时间而变化，这可能部分归因于重大的环境和地质变化。尽管开放植被对角线的确切形成时间存在争议，但研究发现，从开放植被对角线进入大西洋森林的扩散在大约1000万年前呈指数增长，支持了中新世中晚期环境条件重构的观点，包括建立了适合不同生态特征蛱蝶谱系扩散的廊道。例如，山区类群Pronophilina在中新世中期扩散，而高度特化、扩散能力低的Heliconiini在约500万年前（塞拉多当前植物群落已建立时）表现出最高扩散速率，这可能支持了沿开放植被对角线存在森林栖息地廊道的观点。整体扩散增加也可能反映了来自南美洲西北部更大源种群库的影响，该地区许多类群在造山运动和区域气候变化期间快速物种形成。
亚马逊作为多样性来源的作用至关重要。研究确认亚马逊是大西洋森林多样性的主要来源，其扩散速率高且持续。尽管存在开放植被对角线的生态屏障，但间歇性湿润森林或沿河流的连续湿润植被形成的生物廊道，可能促成了新热带森林区域之间的动植物交换。研究推测，中新世的森林廊道使得适应森林的蛱蝶能够持续扩散。这些连接可能在区域上存在差异，与亚马逊的中部和北部路线联系更强，而通过包括安第斯在内的南部走廊的联系较弱。与主要关注更新世气候波动导致频繁交换的大多数研究不同，本研究发现了自早中新世以来大西洋森林与其他新热带生物群落之间的持续连通性，这可能是由连接这些地区的历史森林廊道所促成的。尽管长距离扩散事件（如由强风促成）可能解释部分生物交换，但研究认为此类事件在很大程度上是随机的，且仅适用于少数物种，并非观察到的普遍扩散模式的主要原因。
安第斯山脉的作用同样关键。中安第斯是蛱蝶科多样性进入大西洋森林的第二大来源。安第斯山脉通过高多样化和迁出率，在新热带物种多样性生成中扮演了重要角色。与来自亚马逊相对恒定的扩散不同，来自安第斯的扩散速率随时间波动。在中新世早期，安第斯与大西洋森林的连通性增加，并在约1500万年前达到顶峰，甚至超过了来自亚马逊的扩散。这种模式可能是通过连接中安第斯与大西洋森林的生物廊道实现的，这些廊道穿过塞拉多和查科过渡带。安第斯与大西洋森林东南部在蝴蝶谱系组成和植物区系成分上存在高度相似性，表明安第斯谱系在大西洋森林山地环境中定居和多样化的适宜条件。例如，山地属Actinote在安第斯多样化，但一旦定殖南部大西洋森林，便在该地区的山地森林中达到了最高的物种丰富度，其中一些谱系又从大西洋森林重新定殖安第斯。因此，安第斯的高多样化速率，加上早中新世的扩散廊道，可能促进了大西洋森林之间的谱系交换。
大西洋森林的多样化过程显示出其独特之处。在新热带区域内，蛱蝶科谱系的逐渐积累是由稳定的物种形成速率和低灭绝速率解释的。研究发现，大西洋森林内的净多样化速率一直保持低位且恒定，这与其他以高多样化率为特征的全球热带生物多样性热点形成对比。这种缓慢渐进的谱系积累模式，与先前将大西洋森林视为蝴蝶“多样性博物馆”的观点一致。尽管总体多样化速率恒定，但分别研究南部和北部大西洋森林时，观察到了区域差异。特别是在新生代，南部地区的净多样化速率有轻微上升，这可能与在整个新热带区快速多样化的蛱蝶类群（如Adelpha和Ithomiini）的到来有关。此外，南部复杂的地形可能进一步加剧了这些区域差异。
研究假设大西洋森林的山脉在这些谱系的多样化中发挥了重要作用。热带山脉可通过多种机制促进物种多样化。一方面，山顶可以作为孤岛，促进海拔分布受限的零散种群之间的异域多样化。另一方面，山地环境的生境复杂性可以作为物种吸引子，导致更高的定殖率。有趣的是，在南部大西洋森林的Ithomiini蝴蝶中，出现了广泛的海拔分布（即在高地和低地都出现的泛化型物种）与更高的物种形成速率之间的正相关性。然而，高地特化物种并未显示出这种模式，这与预期相反。这种模式可能是由沿山脉的生境异质性所解释的，这可能促进广泛分布谱系的种群分化并最终导致物种形成。事实上，由更新世气候波动驱动的生境破碎化可能迫使谱系退向山地气候避难所，并促进了异域多样化。此外，南部大西洋森林的物种丰富度高于北部，这不仅是由于更高的扩散速率，也由于更高的物种形成速率，特别是涉及大西洋森林和安第斯山脉的山地谱系。然而，这些差异应谨慎解释，因为各地区特有物种的不均等采样可能影响了结果。尽管如此，观察到的总体模式是稳健的，并与现有假设一致，即认为在异质性更高的南部大西洋森林存在更高的多样化。
结论
研究表明，大西洋森林蛱蝶的多样性是由与不同新热带生物地理区域（特别是亚马逊和中安第斯）随时间变化的复杂生物连通性场景所塑造的。尽管开放植被对角线被假设为湿润森林谱系的重要生物地理屏障，但检测到的晚中新世至更新世进入大西洋森林的扩散增加表明，适合蛱蝶的栖息地廊道可能随时间维持了连通性，尤其是在亚马逊和大西洋森林之间。总体而言，研究结果强调了联合研究多样化与扩散速率，对于理解塑造现存生物多样性格局的宏观进化过程至关重要。
