啄木鳥科內譜系生物地理學新探

王 歡,Iram Maqsood,周蘇園,滕 威,戎 可,*

1 東北林業大學野生動物資源學院,哈爾濱 150040 2 國家林業局野生動物保護學重點開放實驗室,哈爾濱 150040 3 北京巧女公益基金會,北京 100012

鳥綱啄木鳥目(Piciformes)啄木鳥科(Picidae)現生共33個屬254種[1],因其通常啄木取食而通稱啄木鳥。除取食外,啄木鳥通常在喬木樹干上鑿洞棲息,撫育幼鳥,這些樹洞最終被其他的小型鳥獸占用,因此,啄木鳥對森林生態系統生物多樣性的維持具有重要意義[2-4]。另外,由于其取食行為的特殊性,啄木鳥對于生境變化非常敏感,使其成為森林生態系統健康的重要指示物種[5],具有重要的保護與監測意義。

啄木鳥廣泛分布于除南極洲,澳大利亞,新幾內亞以及馬達加斯加以外的各個大陸[6]。幾乎有森林覆蓋的區域就有啄木鳥存在,甚至有少數物種如Melanerpesuropygialis和Melanerpeshypopolius,利用仙人掌在荒漠地區定居[7],最終形成分布熱點位于赤道附近的東南亞地區和南美的分布模式(圖1)。對于這種分布模式的成因,目前還不清楚,但分布模式在一定程度上反映的是進化歷史,而分類系統是對進化歷史的一種科學認知方式。遺憾的是啄木鳥的分類系統爭議不斷,如Nesoctites早期被認為屬姬啄木亞科,現在被劃分到啄木鳥亞科,且Hemicircus屬和Nesoctites屬彼此的關系以及與啄木鳥亞科其他物種的關系目前還不清楚。此外,早期分類學研究認為形態性狀的相似性反映了進化關系的遠近,研究方法也多采用形態學、解剖學、行為學、發聲方式等方法[8-10]。但研究發現,在啄木鳥群體中存在趨同進化、平行進化和擬態等由環境因素引起的外形相似現象[11],這導致啄木鳥形態上的相似性不能代表其進化關系,使形態分類的可靠性大打折扣。事實上屬于不同支系而具有相似外形的狀況在啄木鳥中時常發現,例如Dinopium屬和Chrysocolaptes屬。Dinopium屬和Chrysocolaptes屬啄木鳥羽毛圖案非常相似,但研究發現造成這種相似性的原因是趨同進化,而非共同的血統[6]。近年來,分子方法被大量用于啄木鳥分類研究,從而解決了許多問題。但針對部分啄木鳥,不同研究得到的結果各不相同,甚至互有矛盾,至今啄木鳥的分類還存在爭議。模糊不清的分類系統意味著對進化歷史的不同理解,由此推測出各不相同的啄木鳥拓殖歷史。啄木鳥的遷移拓殖歷史是其地理分布格局的形成過程,因此對啄木鳥分布格局的解釋也是各不相同。啄木鳥在舊大陸分布117種,新大陸分布138種,并且在新舊大陸上成對地分布著啄木鳥的一些姐妹群體(sister taxon),即在同一進化樹中親緣關系最近的兩個特定類群[12]。特別是Picumnus屬、Dryobates屬和Picoides屬,在同一屬內既包含新大陸物種,又存在舊大陸物種,且Picumnus屬新舊大陸物種分離時間比后兩屬分離要早很多。這些特殊的群體能為研究啄木鳥的遷移拓殖歷史提供證據,通過其拓殖歷史可以推測啄木鳥分布格局的成因。

圖1 啄木鳥科物種的世界分布熱點Fig.1 The distribution hot spot of Picidae物種分布數據來源于國際鳥盟網站,使用R軟件中的SP、rgdal、ggplot2以及maptools包繪制分布圖;SN：物種數 species number

啄木鳥群體龐大,對整個群體進行研究相對困難,但經過多年的遺傳數據累積,在GenBank數據庫內現已有大量的啄木鳥基因數據,因此大數據或許會成為解決啄木鳥分類問題的重要助力?；诖?我們希望通過從GenBank數據庫獲取啄木鳥科各物種基因序列數據進行其科內物種進化關系研究。由于一些啄木鳥數量稀少而導致數據缺失如Hylatomusgaleatus和Picoidesramsayi在IUCN的瀕危等級均為易危,全球數量較少,在數據庫內缺乏數據。此外,在挑選時因數據質量而舍棄一些數據,如Campephilusprincipalis最長ND2序列片段為158bp因太短而剔除。最終,本研究共獲取179種啄木鳥可用ND2基因序列數據,覆蓋近70%啄木鳥科物種,以此對啄木鳥科的系統發生關系進行研究。

1 材料與方法

1.1 數據獲取

由于啄木鳥的分類系統此前曾有多次修改,在數據庫中命名也存在差異,本次研究采取鳥盟(BirdLife International)使用的分類系統進行檢索[1]。在搜索序列數據時,需要逐條核對序列是否為目標物種的基因序列,若存在分類信息不明確或是來源不明確的情況則棄之[13]。在數據庫內許多物種的同一基因存在多條序列數據,但針對啄木鳥科,由于進行種間分子進化樹的構建,種內序列差異較小,因此每個物種選取一個樣本進行分析。而在進行新舊大陸同屬姐妹群體的分子進化樹重建時,則選取盡量多的數據排除個體差異?；蛐蛄羞x取的原則包括：1.人工選擇基因序列完整度高的序列；2.軟件對比,選擇同源性更好的序列以保證其可比性。

由于GenBank庫中尚未包含所有啄木鳥的DNA序列,部分數據也存在諸如序列片段太短、無法確定來源等問題,本研究最終從數據庫獲得啄木鳥科 179 個物種線粒體 ND2 基因序列共 183 條。其中包括179個物種各 1條,為了探討新舊大陸同屬姐妹群體系統發生關系,針對Picumnus屬內唯一的舊大陸種P.innominatus又額外多獲取 4 條該物種的ND2基因序列用于本屬內分子進化研究,詳細信息見表S1。

對另外兩個包含新舊大陸姐妹群的屬,即Dryobates屬和Picoides屬,由于選擇盡量多的數據以排除個體的差異干擾,但數據庫內,此兩屬ND2基因序列數據有限,因此選擇使用數量相對更多的cytb基因序列。對Dryobates屬中D.scalaris、D.nutttallii、D.pubescens、D.cathpharius以及D.minor5個物種共獲取12條cytb基因序列。Picoides屬的P.canicapillus、P.moluccensis、P.maculatus、P.kizuki、P.arcticus以及P.tridactylus6個物種共獲取9條cytb基因序列。詳細信息見表S2。

響蜜鴷科(Indicatoridae)與啄木鳥科成姐妹群,因此從GenBank庫中獲取黑喉響蜜鴷(Indicatorindicator)和小響蜜鴷(Indicatorminor)ND2基因序列各1條[14],用于構建啄木鳥科進化樹時的外群序列。獲取紅胸蟻鴷(Jynxruficollis)cytb基因序列1條用作構建Dryobates和Picoides兩屬進化樹時的外群序列。

目標序列使用Bioedit7.2.5軟件默認參數進行對齊,以備后續分析。

1.2 分子進化樹重建

使用jmodeltest2.1.10軟件對序列進行最佳堿基替換模型選擇,通過赤池信息準則(Akaike Information Criterion,AIC)選取最佳模型為GTR+I+G(AIC= 176657.1846)。使用MEGA7.0[15]軟件分別用NJ(neighbour joining)法、MP (maximum parsimony)法以及ML(maximum likelihood)法對啄木鳥科179個物種進行進化樹重建。進化樹節點穩健性通過自舉檢驗(bootstrap)評估[16]。針對NJ法和MP法采用1000次自舉檢驗,ML法采用100次自舉檢驗[17]。用NJ法進行對Picumnus屬21個物種、Dryobates屬5個物種和Picoides屬6個物種分別進行進化樹構建時,同樣采用1000次自舉檢驗。

2 結果

2.1 啄木鳥科179種啄木鳥的系統發生關系

對啄木鳥科179個物種用ND2基因序列構建的NJ樹、ML樹和MP樹都將三個亞科識別出來,各亞科內包含的屬也相同,但在亞科內各分支之間的親緣關系上三種樹的結果存在差異。

對于姬啄木鳥亞科,三種算法得出的結果有所不同,MP樹顯示Verreauxia和Sasia構成一支,并且與Picumnus屬以及啄木鳥亞科為同時分離。ML樹顯示Picumnus屬與啄木鳥亞科構成姐妹群,又一起與Verreauxia和Sasia的支系構成姐妹群。在Picumnus屬內,唯一的舊大陸種P.innominatus最先分離出來,與屬內其他啄木鳥形成姐妹群,此后又分離出P.nebulosus,Picumnus屬剩下的啄木鳥構成一個單系群(monophyly group),內部分成兩個支系彼此構成姐妹群(圖2)。

關于啄木鳥亞科,除NJ樹顯示其為并系群(paraphyletic group)外,ML樹與MP樹都顯示啄木鳥亞科是單系群。啄木鳥亞科內首先分離出來的是Melanerpini族,與其他啄木鳥形成姐妹群,緊接著,Hemicircus屬和Nesoctites屬構成一支,分離出來；Campephilini族分離出來,余下的啄木鳥組成Picini族。值得指出的是在我們的結果中Hemicircus屬和Nesoctites屬形成姐妹群結構,Geocolaptesolivaceus則插入了Campethera屬的支系中形成巢式的結構(圖2)。

2.2 Picumnus屬、Dryobates屬和Picoides屬系統發生關系

Picumnus屬內21個物種的NJ樹結果顯示,P.innominatus的五個樣本與本屬其他種構成姐妹群,其中DQ479155與DQ188173組成一支,與其他三個樣本構成姐妹群。該屬內新大陸物種中,P.nebulosus最先分離出來,余下的物種則分成兩個支系(圖3)。

Dryobates屬5個物種cytb基因NJ樹顯示,D.minor與D.cathpharius為姐妹種,一起與其他三種構成姐妹群,D.scalaris與D.nuttallii為姐妹種,并且一起與D.pubescens形成姐妹群(圖4)。

Picoides屬6個物種cytb基因序列NJ樹顯示,P.tridactylus與P.arcticus為姐妹種,一起與其他四種構成姐妹群,四種啄木鳥的分離順序依次為P.kizuki、P.maculatus、P.moluccensis和P.canicapillus(圖5)。

3 結論

此前,Winkler等(2014)利用ML法和貝葉斯推論對舊大陸啄木鳥進行系統發育研究,他們的結果被廣泛接受,成為啄木鳥現行分類系統的基礎[6]。遺憾的是他們只對舊大陸的啄木鳥進行了研究。后來有人通過超級矩陣使用了25個基因位點對179種啄木鳥進行系統發育分析,研究比較系統地對啄木鳥群體的關系進行了探討,但這項研究從GenBank收集的數據截止于2014年7月[13]。一來數據陳舊,二來,其數據缺失嚴重[12]。最近的研究利用ML法和貝葉斯推論對啄木鳥科進行進化樹構建,此研究采用6個基因位點涉及203種啄木鳥[12]。但此研究采用的基礎分類系統中共包含217種啄木鳥,但目前認為啄木鳥現生為254種,因此這個系統是有缺失的[18,19]。三項研究的結果很大程度上是相同的,在部分物種的關系上結果不同,這些差異與他們采用的基礎分類系統和使用的基因位點有關。結合三者的研究成果,如啄木鳥亞科應為單系群,Hemicircus屬和Nesoctites屬分別與啄木鳥亞科多有報道的姐妹關系,對比三種樹的自舉檢驗支持度,我們認為ML樹的拓撲結構更為合理(圖2)[6,12-13]。研究結果支持了大量已有的啄木鳥分類研究成果[6,12,20-21],同時也發現了一些新的問題。

圖2 啄木鳥科內179種系統發育關系Fig.2 The phylogenetic relationships of 179 woodpeckers基于ND2基因序列,使用最大似然法構建,分歧處的數字為bootstrap重復百分比

圖3 Picumnus屬系統發育關系及其地理分布Fig.3 The phylogenetic relationships and geographical distributions of Picumnu generaa 基于ND2基因序列,使用NJ法構建,5個登錄號代表來自P.innominatus不同個體的基因序列；b 物種分布數據來源于國際鳥盟網站

圖4 Dryobates屬系統發育關系及其地理分布Fig.4 The phylogenetic relationships and geographical distributions of Dryobates generaa 基于cytb基因序列,使用NJ法構建；b 物種分布數據來源于國際鳥盟網站

圖5 Picoides屬系統發育關系及其地理分布Fig.5 The phylogenetic relationships and geographical distributions of Picoides generaa 基于cytb基因,使用NJ法構建；b 物種分布數據來源于國際鳥盟網站

3.1 啄木鳥科179種系統發生關系

此外,在Picumnus屬中,P.innominatus作為一種古老的啄木鳥,其分化時間大約在1300萬年之前[12],譚耀匡等根據形態學差異(主要是羽毛顏色圖案)將P.innominatus分為5個亞種[22]。P.innominatus廣泛分布于亞洲南部的喜馬拉雅山脈地區,山脈的隔離作用和漫長的進化時間為多樣化提供了條件。因此,利用5個P.innominatus個體ND2序列與本屬其他物種ND2序列進行屬內分子進化樹的重建。發現與同屬各物種相比,5個同種個體間遺傳差異并沒有被掩蓋(圖3)。這意味著一直以來,P.innominatus種內遺傳差異確實被低估了。

相對前兩亞科,啄木鳥亞科的情況更為復雜。結果顯示啄木鳥亞科為單系群,雖然bootstrap支持度低,但此前曾有人利用貝葉斯法得出相同的結果[12,13]?？傮w上,亞科內各族形成一個支系,親緣關系基本與我們采用的分類系統吻合,但有兩點與傳統認識有所不同。

首先Hemicircus屬和Nesoctites屬的系統發生地位還需要進一步探討。在過去相當長一段時間內,Nesoctites一直被認為是姬啄木亞科的一個屬。Goodge發現Nesoctitesmicromegas雖然與姬啄木亞科的其他物種非常相似,但它與啄木鳥亞科的物種也共享許多特征[8]；Winkler 和Christie認為其與姬啄木亞科其他物種關系較遠,建議將其提升為姬啄木亞科的一個族[23]；Benz和Winkler都認為Nesoctites與啄木鳥亞科為姐妹群,建議將其獨立為一個亞科,但他們都沒有討論Hemicircus屬的地位[6,20]。此后又有研究認為Hemicircus屬與啄木鳥亞科構成姐妹群[24]。三種方法構建的樹所得結果并不一致,ML樹顯示這兩個屬互為姐妹群,雖然自舉檢驗的支持度不高,但此前曾有過研究得出過相同的結論[12,13]。Hemicircus屬、Hemicircus屬與啄木鳥亞科彼此之間顯現出與譜系分析結果不相稱的形態學差異,且三者的關系不甚清楚,這可能由于三者之間的關系很近而導致算法不能正確識別[13]。Hemicircus屬和Hemicircus屬,其分布地距離遙遠,兩屬物種形態差異巨大,但考慮到趨同進化和適應性進化在啄木鳥亞科物種中時有發現,這或許是對不同分布地環境適應性進化的結果。

此外,Geocolaptesolivaceus的系統發生地位也與傳統認識有所不同。Geocolaptesolivaceus與Campethera屬的姐妹關系曾多有報道[20,25-27],但值得注意的是,在這些報道中多以一個物種代表Campethera屬進行分析。此前曾有研究顯示出不同的結果,但沒有得到科學家的關注[12,13]。而在本結果中,Geocolaptesolivaceus插入了Campethera屬的支系中(圖2),這與傳統認為的姐妹群關系并不相符。雖然數據量有限,但結果也否定了Geocolaptesolivaceus與Campethera屬的姐妹關系。Geocolaptesolivaceus與Campethera屬物種共同分布于非洲南部,但在形態特征與習性上差異巨大。Geocolaptesolivaceus體棕褐色,腹部紅色,是少數營地巢的啄木鳥之一,好貧瘠有巨石的山坡,食物主要是螞蟻及其幼蟲,以及昆蟲的蛹和卵。它們從死樹或者巖石縫隙里尋找食物,也會在地上覓食[7]。Campethera屬共13種啄木鳥,體為綠色,頭紅色,營樹巢,鑿樹取食[7]。推測這種形態和行為上的巨大差異因為同域分布的強烈競爭而產生,實際上,它們在系統發育上的差異并沒有表型表現的這么大。

3.2 地理分布

在結果中能觀察到姐妹群分別分布于新大陸和舊大陸的分布模式,根據分離時間可將其分為兩組(圖2)。第一組包括四對分別是(1)Picumnus屬同一屬內包含新舊大陸姐妹群體；(2)(Dryocopus,Mulleripicus)兩屬構成的支系和(Celeus,Piculus,Colaptes)構成的支系；(3)Chrysocolaptes屬和Campephilus屬；(4)Nesoctites屬和Hemicircus屬。第二組包括2對,(1)Dryobates屬和(2)Picoides屬,兩屬屬內分別包含新舊大陸姐妹群體。不同的是,之前有研究認為Dryocopus屬和Leiopicus屬也在此列[12],但根據國際鳥盟公布的啄木鳥分布數據,其分布地并未跨越新舊大陸。第一組姐妹群體新舊大陸物種隔離時間比第二組更早(圖2),其遷移時間大約在1000萬年前,而第二類在大概在500至700萬年前[12]。

從系統發生來看,舊大陸物種相對新大陸物種更為古老,說明舊大陸物種曾向新大陸遷移,遷移途徑很可能是白令海峽(圖4,圖5)。由于啄木鳥個體遷徙能力并不強,除Picoidestridactylus的分布地橫跨亞歐以及北美之外,其他啄木鳥不存在跨板塊分布。啄木鳥群體這種跨越板塊的復雜格局顯然是經歷多次復雜的區域擴張和縮小事件,而這很可能發生在第四紀冰川期[12]。第一類啄木鳥群體在第四紀冰川前由歐亞大陸遷入北美,并且向南擴張占領了南部地區。第二類啄木鳥遷入新大陸后主要分布于北部,在當時由于氣候更為溫暖潮濕,北部的分布范圍比現在更廣。冰川期到來之后,啄木鳥分布分范圍由高緯度地區向低緯度地區退縮,新舊大陸完全隔離。在第四紀冰期與間冰期的循環中,啄木鳥的分布范圍跟隨冰川范圍發生變化,冰期范圍縮小,間冰期范圍擴張[28]。一般認為物種形成需要三個步驟即:區域擴張,領域分割和生殖隔離,這三個步驟循環進行,從而物種得以形成[29]。在第四紀冰川期,這種分布上的擴張和退縮在溫帶地區循環發生,因此,在成種能力方面,熱帶地區低于溫帶地區,但熱帶地區積累物種的有效時間是大于溫帶的。由于分離時間相對更短一些,第二類物種的分化程度不如第一類明顯。此外,隨著第四紀的到來,氣候由第三紀時的溫暖潮濕到更加寒冷而干燥,全球的森林覆蓋范圍萎縮,而草地面積擴張[30-32],啄木鳥隨森林覆蓋范圍的變動而遷移[33]。

因此,啄木鳥呈現分布熱點位于赤道附近的東南亞地區和南美的分布模式的原因,除了熱帶地區豐富的物質基礎外,也與物種累積時間有關。此外,由于啄木鳥的特性,森林覆蓋是影響啄木鳥分布的重要因素,這也是同屬熱帶地區,非洲大陸啄木鳥種類低于南美和東南亞的一個原因。

致謝：東北林業大學野生動物資源學院周瑜博士對本研究給予幫助，特此致謝。