第四纪气候驱动的中央亚平宁山脉高山蝗虫分化：地中海天空岛作为微地方性中心的证据

《Journal of Biogeography》：Quaternary Climate-Driven Diversification of Alpine Grasshoppers in the Central Apennines: Insights Into Mediterranean Sky Islands as Centers of Microendemism

　　

目的

更新世（Pleistocene）气候振荡通过反复发生的隔离与连通循环，深刻塑造了地中海山地生物群。然而，尽管中央亚平宁山脉是局域性特有现象的重要中心，针对生物地理过程的基因组学研究对此区域关注仍然有限。本研究考察了气候驱动的分布迁移如何促进该山地区域天空岛系统中的微地理分化与地方性形成。

地点

意大利中央亚平宁山脉。

分类单元

Italohippus属（Orthoptera：Acrididae）。

方法

研究人员利用全基因组双酶切限制性位点相关DNA测序（ddRAD-seq）数据推断系统发育关系、分化时间、物种界限、种群结构、种群历史以及基因渐渗（introgression）。利用前翅的几何形态测量学（geometric morphometrics）和线性形态测量学（linear morphometrics）对形态分化进行定量分析。通过将物种特异性的环境生态位模型（environmental niche models, ENMs）从末次盛冰期（Last Glacial Maximum, LGM）投射至现代，重建了过去的分布动态与气候适宜性空间格局。

结果

系统发育基因组学分析揭示，Italohippus属在中—晚更新世发生分化，并沿中央亚平宁山脉形成一个连续的进化分歧谱系。北部种群对应分类单元I. modestus，构成一个独特的异域谱系，可能起源于地理隔离及部分生殖隔离的演化。相比之下，位于属分布范围南部后缘、对应I. albicornis的种群，与I. monticola相比仅表现出较弱的基因组与形态分化，这与初始但尚未完成的物种形成过程一致。古分布模型与种群历史重建表明，冰期影响存在显著纬度差异：北部和中部区域具有更高的气候适宜生境可利用性与连续性，并发生基因渐渗，而南部区域则维持了更持久的隔离。

主要结论

研究结果支持中央亚平宁山脉存在间歇性连通的天空岛避难所（refugia）这一生物地理学模型，该模型在不同纬度上为谱系分化与持续存在提供了空间上异质的机会。通过整合不同来源的数据，研究表明气候驱动的分布迁移如何塑造了地中海山地系统中具地理结构的进化谱系的形成与维持，并突出了在快速气候变暖背景下，高山地方性生物多样性起源与延续的关键过程。

本文发表于《Journal of Biogeography》，围绕中央亚平宁山脉这一地中海重要山地系统，探讨第四纪尤其是更新世气候波动如何驱动高山蝗虫属Italohippus的分化、地方性维持与天空岛生物地理格局形成。第四纪气候振荡被认为深刻改变了温带地区物种的纬向与海拔分布，使其在冰期与间冰期之间经历反复的收缩—扩张、隔离—连通过程。对于地中海山区而言，间冰期的高海拔开放生境常将冷适应类群分割为镶嵌于不适宜低地基质中的“天空岛”种群，促进局地分化甚至物种形成；而寒冷阶段则可能使谱系沿山坡下移，增加次级接触与基因交流机会。中央亚平宁山脉虽然长期被认为是微地方性生物的重要热点，但在利用基因组数据检验精细时空尺度生物地理过程方面仍研究不足。与此同时，直翅目（Orthoptera）尤其因扩散能力低、常见短翅化或无翅化而易于形成局域特有类群，也因此成为解析更新世气候作用与山地隔离效应的理想模型。Italohippus属由3个传统分类单元组成，分别局限于少数山体或山群，且形态差异细微、分类界限存在争议，因此有必要在整合框架下重新评估其系统关系、物种界定及历史动态。

为解决这些问题，研究人员在2023年夏季对Italohippus属全分布区13个种群进行了取样，并纳入外群Chorthippus crassiceps。研究整合系统发育基因组学、物种界定、群体遗传学、古气候生态位重建和形态测量学证据，旨在回答中央亚平宁山脉天空岛系统中，气候驱动的分布变化如何促进微地理分化、是否形成独立演化谱系、不同谱系之间是否存在次级接触与渐渗，以及南北不同区域是否经历了不同的冰期历史。综合分析表明，Italohippus在中—晚更新世发生近期分化，北部I. modestus为独立异域谱系，而传统上的I. albicornis并未获得独立物种地位支持，更适合作为I. monticola内部南缘分化单元理解。研究还发现，不同纬度区域在适宜生境连续性、隔离强度、基因渐渗与种群历史方面存在明显差异，从而支持“间歇性连通的天空岛避难所”这一生物地理模型。

在技术方法方面，研究人员基于覆盖全基因组的双酶切限制性位点相关DNA测序（ddRAD-seq）数据，对13个Italohippus种群及外群样本开展系统发育、分化时间、群体结构、渐渗和历史种群大小分析；采用svdquartets与bpp进行系统树重建和分化时间估算，利用delineate实施多物种共祖框架下的物种界定；通过structure、主成分分析（PCA）及F_ST评估群体遗传结构，并用ABBA/BABA检验基因渐渗；以stairway plot重建有效种群大小（N_e）历史；基于样本分布记录和CHELSA气候数据建立环境生态位模型（ENM）；同时使用前翅几何形态测量和线性形态测量分析表型分化。样本来源为中央亚平宁山脉全分布区野外采集种群。

研究结果

3.1 基因组数据集
质量控制后，每个样本平均保留3,961,198条测序读段，缺失数据均值为14%，所有已分型个体均被保留用于后续分析。该结果说明数据集总体质量较高，能够支持系统发育、群体遗传及历史动态推断。

3.2 系统发育推断与分化时间估算
基于3001个非连锁SNP的svdquartets分析显示，Italohippus分为两个主要支系：一支为Monte Terminillo及邻近区域的I. modestus，另一支为I. monticola与传统I. albicornis种群。I. modestus形成清晰单系群，而I. monticola呈并系，传统归入I. albicornis的GALL和MUTR种群嵌套于南部I. monticola支系之内。bpp的A00分析进一步表明，两大主支系的分化发生于更新世中期，约0.3 Ma；I. monticola-I. albicornis支系内部的多次分化则主要发生于更新世晚期，约0.22–0.08 Ma。由此可见，Italohippus属的多样化是近期地质时期气候波动背景下发生的。

3.3 物种界定分析
在delineate分析中，传统I. albicornis未被支持为独立物种，GALL与MUTR被归入I. monticola；其余分类位置不确定的种群也均被判定属于I. monticola。这一结果说明，基于系统树和多物种共祖模型的综合证据，不支持将I. albicornis维持为独立物种。

3.4 种群遗传结构
structure分析揭示的遗传结构与系统发育结果一致。在K=3时，I. modestus与I. monticola—albicornis支系明显分开，后者又分为两个主要遗传簇；其中CATI种群表现出I. modestus与北部I. monticola谱系之间显著的混合信号。在K=4时，Matese山体的GALL与MUTR形成独特遗传簇。更高K值下，各种群继续分裂成层级化遗传单元，但混合信号总体有限。PCA结果与structure高度一致。所有成对F_ST值均显著大于0，范围为0.086至0.634，显示该属在当前天空岛格局下存在强烈遗传分化。

3.5 基因渐渗分析
ABBA/BABA检验中，所有D统计量均为显著负值，表明与作为参考组的南部GALL+MUTR相比，各I. monticola种群与I. modestus之间存在更高等位基因共享，说明历史上发生了从I. modestus到I. monticola的基因渐渗。其中CATI种群信号最强，显示其与I. modestus之间曾有显著基因交流。进一步分析发现，I. modestus与各I. monticola种群间遗传分化不仅与地理距离相关，也与当前适宜生境形成的阻力距离相关，但拟合最佳的是自末次盛冰期（LGM）至今生境稳定性定义的阻力距离。这表明，长期适宜生境的空间连续性比单纯地理距离更能解释基因交流和分化格局。相反，基于两物种最大扩张时期适宜生境的阻力距离与纬度本身均不能显著解释分化差异。

3.6 遗传多样性与历史种群动态
各群体单倍型多样性（H_d）和核苷酸多样性（π）总体较低，符合局域山顶种群规模有限、长期隔离的特征。stairway plot重建显示，各分析种群具有相似的人口历史：冰期发生扩张，有效种群大小（N_e）在末次盛冰期前后达到峰值，而全新世开始后随气温回升持续下降。值得注意的是，最南端Matese地区的GALL和MUTR在时间尺度上的N_e波动最小。进一步回归分析表明，人口不稳定性随纬度升高而增加，而长期N_e随纬度升高而下降。这说明北部和中部种群在冰期—间冰期转换中经历了更强的人口起伏，而南缘种群则具有相对稳定但长期隔离的历史。

3.7 环境生态位建模
研究分别为I. modestus和I. monticola建立环境生态位模型，模型判别能力均较高。模型重建的当前适宜生境与两者现今局限于中央亚平宁高海拔区域的分布基本一致。将模型从LGM投射至现代的220个时间切片后发现，两类群适宜生境面积在约17 ka达到峰值，此后持续缩减。对I. monticola而言，最南端Matese山块的适宜生境在时间上始终相对孤立；而在分布扩张最大时期，两类群之间曾出现部分重叠，主要由I. modestus向南扩张驱动。该结果为冰期次级接触提供了空间证据，也与渐渗分析高度一致。

3.8 几何与线性形态测量分析
前翅形态的Procrustes方差分析显示，两性均存在显著异速生长（allometry）效应，且雌性更明显。控制大小效应后，物种身份仅在雄性中对前翅形状有显著影响，但三传统分类单元在形态空间中总体仍广泛重叠。在线性指标上，I. modestus的前翅长度显著长于I. monticola和I. albicornis，而后两者之间无显著差异。种群层面的密度分布还显示，CATI和PESC在前翅长度上处于I. modestus与I. monticola之间的中间状态。总体来看，形态学结果支持I. modestus的可辨识性，但不支持I. albicornis作为独立物种。

讨论部分总结
讨论指出，Italohippus的演化史反映了中央亚平宁山脉天空岛系统中隔离与连通交替发生的典型过程。首先，在整合物种界定层面，系统发育、群体聚类、形态和已知鸣声资料共同支持I. modestus为独立谱系；而南部Matese种群虽然在遗传聚类和部分表型上具有一定独特性，但其系统位置嵌套于I. monticola内部，前翅长度与鸣声模式亦与后者接近，因此不足以支持I. albicornis的物种地位。其次，在异域物种形成机制方面，I. modestus与I. monticola现今异域分布，为分化和部分生殖隔离形成提供了条件；但古分布重建表明，冰期时I. modestus可能南扩并与I. monticola发生次级接触，在生殖隔离尚不完全的情况下产生杂交与渐渗。CATI种群便是这一过程的典型例证。再次，在种群史与分布史方面，现今分布虽表现为典型天空岛格局，但历史上各谱系并非始终孤立，而是在寒冷阶段发生下移扩张、在温暖阶段重新破碎化。南北差异表明，北部区域更易受到冰期扰动，南部边缘则保持更长期、稳定而持久的隔离。整体而言，中央亚平宁山脉并非简单的“孤立山顶拼图”，而是一个在第四纪气候变化中周期性重组、局部连通、局部隔离的动态山地系统，这种动态性共同塑造了该区域微地方性谱系的形成和维持。

研究结论翻译
本研究为探究更新世气候波动如何塑造栖息于地中海天空岛中的微地方性高山物种分化提供了一个整合性框架。结果支持一种间歇性连通避难所的生物地理模型：间冰期的隔离与寒冷阶段的次级接触共同在物种形成连续体上产生了不同结果，这一模式在亚平宁山脉其他生物中亦有报道。Matese种群具有对保护重要的进化特征。然而，整合分析表明，I. albicornis在系统发育上嵌套于I. monticola之内，且二者翅形态与求偶鸣声几乎相同。因此，研究人员提出将I. albicornis正式并入I. monticola，作为其一个亚种：Italohippus monticola albicornis stat. nov. 承认亚种地位有助于保护规划，并可维持这一“濒危”谱系的法律保护身份。然而，当前欧洲红色名录主要限于物种层级评估，因此亟需建立国家级红色名录。在持续气候变暖背景下，这些高山种群面临分布收缩与遗传多样性丧失的严重风险。其显著的遗传结构表明扩散能力极低，局地灭绝不太可能通过移民得到补偿，因此这些孤立山地谱系对适宜热环境生境的快速丧失尤为脆弱。