ゲノム、化石、そして白亜紀後期における現生鳥類と被子植物の同時的な出現

解説

　この論文は、現代の鳥類がどのようにして進化したかを調べたものです。現代の鳥類は、約1億年前に始まった恐竜の時代の終わりに、多様な種類に分かれました。その後、約6600万年前に起きた大量絶滅によって、恐竜のほとんどが死に絶えましたが、鳥類は生き残りました。この論文では、鳥類の遺伝子や化石の情報を使って、鳥類の分岐の時期や系統を明らかにしました。その結果、鳥類の進化は、大量絶滅によって大きく影響されたのではなく、花のある植物や哺乳類などの他の生き物と同じように、気候や環境の変化に合わせて続いていったことがわかりました。この論文は、鳥類の起源や進化について、新しい知識を提供するものです。

この論文の要点は以下のとおりです。

●鳥類の分類: 現代の鳥類は、大きく二つのグループに分かれます。一つは陸上で暮らす鳥類（Telluraves）で、もう一つは水辺や海で暮らす鳥類とその近縁種（Aquaterraves）です。これらのグループは、鳥類の遺伝子や形態の特徴に基づいて決められました。

●鳥類の年代: 現代の鳥類は、約9500万年前から約6600万年前にかけて、恐竜の時代の終わりに多様化しました。その後、約5500万年前に起きた地球温暖化の時期に、海の鳥類が急速に増えました。大量絶滅の影響は、鳥類の進化にはあまりなかったと考えられます。

●鳥類と植物の関係: 鳥類の進化は、花のある植物の出現や多様化と密接に関係していました。花のある植物は、鳥類に食べ物や住み場所を提供しました。また、鳥類は、花のある植物の受粉や種子の散布に役立ちました。鳥類と花のある植物は、互いに影響しあって進化していったのです。

ニュース　phys.org

意義

　現代のDNAの進歩にもかかわらず、科学者たちは初期の鳥類群がいつどのように進化したのかについてほとんど知らない。現代の鳥類の多様性の大部分を占める124種について、新たなアプローチでゲノム情報を調査した結果、鳥類の主要な系統が最初に2つのグループに分かれたことがわかった。1つは主に陸棲種で、もう1つは水棲種である。現代の鳥類は、恐竜の絶滅イベントよりもはるかに古く、これまで想定されていたよりもはるか昔にさかのぼる。そのかわりに、約5500万年前の温暖化イベントが現代の海鳥の多様化の引き金となったようである。我々の研究は、現生鳥類の進化が、顕花植物やその他の生物の進化と驚くほど同期していたことを示している。

要旨

　新鳥類の系統関係と分岐年代は、最近の進歩にもかかわらず、議論の的となっている。我々は、全ての現生鳥類の全124種のゲノムから、4つのDNAクラスに分類された25,460個の遺伝子座（5,756のコード配列、12,449の保存された非エキソン要素、4,871のイントロン、2,384の遺伝子間セグメントを含む）のデータを用いて解析した。我々は、異なるDNAクラス間の不均質性に対処するために、包括的な感度解析を行い、高解像度で最適な現生鳥類の系統樹を得た。この系統樹は、2つの単系統クレードからなる新しい新鳥類の二分法を特徴としている。すなわち、以前から認識されていたTelluraves（陸鳥類）と、新たに包摂されたAquaterraves（水鳥類とその近縁種）である。20種の化石を用いた分子時計解析から、現生鳥類の多様化は白亜紀後期に始まり、現生鳥類の多様化は白亜紀後期に始まり、KPg境界を挟んで、被子植物だけでなく、新獣類や多丘歯類を含む他の新生代の主要な動物群の台頭と同時に、一定の安定した放散をしたことが示された。KPg大量絶滅は、海鳥の急速な多様化を引き起こした暁新世-始新世熱極大期に比べると、鳥類の進化には限定的な影響しか与えなかった。我々の発見は、KPg大異変による中断が限定的であったため、現生鳥類の進化が、断続平衡ではなく、漸進的な過程に従って進んだことを示唆している。この研究は、鳥類の進化を脊椎動物の新たな文脈に位置づけ、地球の生物相の進化に影響を与えるものである。

論文オープン　Shaoyuan Wu, Frank E. Rheindt, Jin Zhang, Jiajia Wang, Lei Zhang, Cheng Quan, Zhiheng Li, Min Wang, Feixiang Wu, Yanhua Qu, Scott V. Edwards, Zhonghe Zhou, Liang Liu,  2024 

Genomes, fossils, and the concurrent rise of modern birds and flowering plants in the Late Cretaceous

https://doi.org/10.1073/pnas.2319696121

論文要約

●序論: 現生鳥類の系統関係と分岐年代は長年にわたって議論されてきたが、ゲノム規模のデータを用いた最近の研究でも不一致が見られる。この研究では、124種の鳥類のゲノムデータから、4種類のDNA配列を組み合わせて、NJstとRAxMLという二つの方法で鳥類の系統樹を推定した。また、20個の化石カリブレーションを用いて、MCMCTreeという方法で鳥類の分岐年代を推定した。

●Results（結果）

○DNAクラスの影響：著者らは、コード配列（CDS）、保存された非エキソン領域（CNEE）、イントロン、インタージェニック領域の4種類のDNAクラスからなるデータセットを用いて、NJstとRAxMLという2つの方法で鳥類の系統樹を推定した。その結果、異なるDNAクラスには相反する系統信号が含まれており、特にイントロンは他のDNAクラスと大きく異なる系統樹を与えた。また、DNAクラスの組み合わせによっても系統樹の解像度が変化した。

○新しい鳥類の系統樹：著者らは、CDS、イントロン、インタージェニック領域の組み合わせが最も適切な系統樹を与えることを示し、CNEEを除外した。その結果得られた系統樹は、現生鳥類を陸上性のTelluravesと水生性のAquaterravesという2つの大きな系統に分けた。また、Telluraves内では、Coraciimorphaeという既知の大きな系統と、Accipitriformes（タカ目）とStrigiformes（フクロウ目）を結ぶHieravesという新しい系統を同定した。Aquaterraves内では、Aequorlitornithesという水生鳥類とホオヅキ目を含む系統と、Charadriiformes（チドリ目）、Gruiformes（ツル目）、Caprimulgimorphae（ヨタカ目、ハチドリ目、スズメ目）を含むLitusilvanaeという系統を識別した。

○KPg境界をまたぐ鳥類の放散：著者らは、20個の化石校正点を用いて系統樹の年代推定を行った。その結果、現生鳥類の分岐は白亜紀後期に始まり、KPg境界をまたいで一定の速度で放散したことが示された。これは、以前の研究で提唱されていた、KPg境界後の急速な放散という仮説とは矛盾する。

●Discussion（議論）

○鳥類の系統関係の意義：著者らは、得られた鳥類の系統樹が、鳥類の進化史における重要な問題に答えることができると述べた。例えば、TelluravesとAquaterravesの分岐は、鳥類の生態的多様化の起源を示している。また、Hieravesの発見は、タカ目とフクロウ目の共通祖先が夜行性であった可能性を示唆している。さらに、Aquaterraves内の系統関係は、水生鳥類の進化における収斂現象や生態的置換現象を明らかにしている。

○鳥類の分岐年代の意義：著者らは、得られた鳥類の分岐年代が、KPg境界による大量絶滅が鳥類の進化に与えた影響を再評価することを可能にすると述べた。著者らは、KPg境界の前後で鳥類の多様化速度に顕著な変化はなく、KPg境界の影響は限定的であったと結論づけた。また、著者らは、鳥類の分岐年代が、他の生物群（被子植物、哺乳類、魚類、昆虫など）の分岐年代と一致しており、被子植物の繁栄がこれらの生物群の多様化を促進したと考えられると指摘した。

●Materials and Methods（材料と方法）

○データセットの作成：著者らは、現生鳥類の35目すべてと、古鳥類の6種とアメリカワニを含む124種のゲノムデータを集めた。その中から、CDS、CNEE、イントロン、インタージェニック領域の4種類のDNAクラスを抽出し、それぞれのDNAクラスについて、最大パースモニー法と最尤法で遺伝子木を推定した。また、各DNAクラスの系統信号の一貫性や互換性を検証した。

○系統樹の推定：著者らは、NJstという近隣結合法に基づく種樹推定法を用いて、各DNAクラスの遺伝子木から種樹を推定した。また、RAxMLという最尤法に基づく連結法も用いて、各DNAクラスの配列データから種樹を推定した。さらに、遺伝子木の異質性を減らすために、異常な遺伝子木を除外する方法を試みた。その結果、CDS、イントロン、インタージェニック領域の組み合わせが最も適切な系統樹を与えることがわかった。

○年代推定：著者らは、MCMCTreeというベイズ法に基づく年代推定法を用いて、CDSデータと20個の化石校正点から系統樹の年代を推定した。また、以前の研究で用いられた化石校正点や分析方法を用いて、感度分析を行った。その結果、現生鳥類の分岐は白亜紀後期に始まり、KPg境界をまたいで一定の速度で放散したことが示された。