全球红藻科系统发育、生物地理及演化历史研究取得新进展

《Algal Research》：Global phylogeny, biogeography, and evolution of the agarophyte family Gracilariaceae with key insights into broadly distributed and cultivated species

为了解红藻科（Gracilariaceae）多样性，研究人员构建其系统发育树，揭示分布、演化等规律，意义重大。

　　红藻，这类在海洋中默默生长的生物，却有着极为重要的生态和经济价值。红藻科（Gracilariaceae）作为红藻中的重要类群，不仅是琼脂的主要来源，广泛应用于食品、生物技术和制药等行业，在 2019 年其海藻产量就已超 400 万吨，展现出巨大的经济影响力；而且在海洋生态系统中，它们为众多海洋生物提供栖息地、食物来源和繁殖场所，在营养循环、沉积物稳定和维持沿海生物多样性等方面发挥着关键作用。

然而，目前对红藻科的研究存在诸多不足。尽管分子系统学的发展借助叶绿体编码的 rbcL 和线粒体编码的 cox₁基因等遗传标记，推动了红藻科的分类和系统学研究，但此前没有研究对所有已测序物种进行全面的系统发育概述。在生物地理学方面，以往的研究多聚焦于特定物种或物种复合体，且地理区域有限，缺乏对红藻科全面的大规模生物地理概述。这些知识空白限制了人们对红藻科多样性、演化历史的深入理解，也不利于相关资源的保护和可持续利用。

为填补这些空白，研究人员开展了一系列研究。他们整合了所有可用的 cox₁和 rbcL DNA 序列及相关生物地理数据，构建了迄今为止最全面的红藻科系统发育树和时间树，并绘制了 DNA 支持的物种分布图。

研究人员采用了多种关键技术方法。首先，从 GenBank 数据库检索红藻科所有物种的 cox₁和 rbcL 序列数据，利用 MUSCLE 进行序列比对，并通过构建初步系统发育树去除错误注释和低质量序列。然后，运用最大似然法（ML）和贝叶斯推断（BI）进行系统发育分析，选择合适的外群，确定最佳拟合替代模型。同时，在 BEAST 软件中进行分歧时间估计，设置多个约束节点和不同时钟模型。此外，还运用多种生物地理分析方法，包括区域化分类、祖先区域重建等，探讨红藻科的生物地理模式和历史。

研究结果如下：

• 序列数据整理与参考库构建：共检索到大量 cox₁和 rbcL 序列，经整理后得到包含 161 个物种的数据集，其中 121 个为目前已接受的物种名，占已知物种的 50%，这些数据为后续研究提供了重要参考库。
• 全球分布格局：红藻科物种多样性在全球分布不均，热带和北温带地区是主要分布区域。中央 Indo-Pacific 和热带大西洋地区物种丰富度最高，分别有 56 种和 49 种。多数物种地理分布范围狭窄，84% 的物种局限于单个纵向区域，80% 局限于单个纬度区域。
• 系统发育分析：构建的系统发育树支持划分出八个不同的分支（Clades A - H）。Gracilaria、Gracilariopsis 和 Melanthalia 形成单系群，而 Curdiea 属呈并系群。
• 时间校准与演化历史：红藻科起源于侏罗纪（约 170 Mya），在古近纪经历了多样化爆发。不同分支的分化时间和模式各异，如 Clade H 在古近纪开始多样化并经历了爆发式增长。
• 祖先区域重建：通过生物地理分析，推断红藻科的祖先区域最可能位于中央 Indo-Pacific 地区，之后向全球扩散。不同分支的祖先区域存在差异，反映了其复杂的演化历史。
• 藻体形态演化：对藻体形态（扁平、圆柱形或部分扁平 / 部分圆柱形）的研究发现，不同分支具有不同的优势形态。祖先状态重建表明，红藻科最可能的祖先形态为圆柱形，但扁平形态在某些分支（如 Clade H）的多样化中可能起到重要作用。
• 宏观进化分析：宏观进化分析揭示了不同分支的物种形成模式差异，红藻科整体的物种形成速率在白垩纪末期逐渐加快，在古近纪达到高峰后逐渐下降。
• 广泛分布物种的研究：识别出 15 种广泛或间断分布的物种，其中部分为引入物种。对这些物种的研究有助于了解其起源、扩散机制以及对生态系统的影响。
• 养殖物种的分析：研究发现 38 种红藻科养殖或收获物种在系统发育树上分散分布，具有较高的系统发育多样性。10 种养殖物种为引入物种，5 种存在范围扩张现象，凸显了管理养殖物种以防止无意引入的重要性。

研究结论和讨论部分表明，本研究构建的系统发育树和参考库提升了对红藻科多样性和物种分布的理解。研究揭示的生物地理模式和演化历史，为进一步研究红藻科的适应性进化提供了重要线索。同时，研究确认和发现了新的引入物种，强调了分子工具在检测隐藏引种方面的重要性，以及持续监测和研究对管理广泛分布物种生态影响的必要性。该研究成果发表在《Algal Research》，为红藻科的研究提供了全面且重要的基础，对推动相关领域的发展具有重要意义。