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发表于 2025-9-2 17:18:30
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恐狼：一种古老的新大陆犬科动物谱系的最后成员
Angela R. Perri, Kieren J. Mitchell, Alice Mouton, et al. Nature, 591, 87–91 (2021).
恐狼被认为是更新世美洲最常见和分布最广的大型食肉动物之一，然而关于它们的演化或灭绝却知之甚少。 在这里，为了重建恐狼的演化历史，我们对五份可追溯至1.3万年至超过5万年前的亚化石遗骸进行了基因组测序。 我们的研究结果表明，尽管恐狼在形态上与现存的灰狼相似，但它们是一个高度分化的谱系，在约570万年前就与现存的犬科动物分道扬镳了。 与犬科动物中普遍存在的杂交案例相反，没有证据表明恐狼与北美灰狼或郊狼之间存在基因流动。这表明恐狼是在与这些物种的更新世祖先隔离的环境中演化的。 我们的研究结果还支持恐狼起源于早期的新大陆，而灰狼、郊狼和豺的祖先则是在欧亚大陆演化，并且直到相对较近的时期才迁徙至北美洲。
恐狼（Canis dirus）是一种体型巨大（约68公斤）的类狼犬科动物(wolf-like canids)，是美洲晚更新世巨型动物群中最常见的已灭绝大型食肉动物之一。 在北美古生物学记录中，恐狼遗骸的年代至少从约25万年前持续到约1.3万年前的更新世末期，尤其是在低纬度地区（图1a）。 晚更新世北美洲存在的其他犬科物种包括体型稍小的灰狼（Canis lupus）、体型小得多的郊狼（Canis latrans）和豺（或称亚洲野犬；Cuon alpinus），不过总体来看恐狼似乎更为常见¹。 例如，仅在加利福尼亚州化石资源丰富的拉布雷亚沥青坑，就已发掘出超过4000个恐狼个体，其数量是灰狼的100多倍。
尽管恐狼化石数量众多，但它们的起源、分类关系以及导致其灭绝的最终原因仍不清楚。 恐狼通常被描述为灰狼的姊妹物种，甚至与灰狼是同种。关于其灭绝的主流假说认为，由于恐狼比灰狼和郊狼体型更大，它们更专注于捕食大型猎物，因此在它们的巨型动物猎物灭绝后无法生存下来¹²⁻¹⁴。 为了检验这一假说，我们对700多个标本进行了几何形态测量学分析。 我们的结果表明，尽管恐狼和灰狼的标本可以被区分开，但它们的形态高度相似（图1b，补充信息，补充图1-6和补充数据3-12）。 尽管这种形态上的相似性可能部分由异速生长驱动（图1b，补充信息），但灰狼和恐狼之间缺乏显著差异一直被解释为它们之间存在密切演化关系的结果。 另外，一个与之竞争的假说认为，这些形态上的相似性是趋同演化的结果，恐狼实际上属于一个独立的分类谱系（被归类于单型属Aenocyon，意为“可怕的”或“恐怖的”狼¹⁵）。
图1 | 恐狼遗骸分布图及与类狼犬科动物的形态分化
a， 右图是本研究中所调查的犬科物种的地理分布范围地图 。该图的数据（shape file）来源于IUCN红色名录数据库³⁶，并使用R³⁷软件绘制 。左图是在美洲已鉴定出恐狼（Canis dirus）遗骸的遗址分布地图（补充数据1, 2） 。彩色圆点代表遗骸的地点和大致年代，带叉的圆圈代表来自爱达荷州（2个）、俄亥俄州（1个）、田纳西州（1个）和怀俄明州（1个）的五个样本，这些样本产生了足够的内源性DNA，用以重建线粒体基因组和低覆盖度的核基因组序列 。
b， 恐狼与其他现存犬科物种的下颌骨和第一臼齿（M1）组合形态之间的普氏距离（Procrustes distances） 。通过将成对标本的臼齿和下颌骨形态的标志点进行叠合，并计算相应标志点坐标之间平方差的平方根，来计算成对的普氏距离，该计算包含了未经异速生长校正和经过校正两种情况（补充信息） 。箱子的中心代表中位数，箱子的边界代表四分位数，须线代表最大值和最小值（±1.5倍的四分位距），点代表异常值 。
为了解析恐狼的演化历史，我们筛选了46个亚化石标本以检测是否存在保存完好的基因组DNA（补充数据1）。 我们从爱达荷州（Dire-AFR & DireGB）、俄亥俄州（DireSP）、田纳西州（DireGWC）和怀俄明州（DireNTC）确定了五个样本，其年代在1.29万年到超过5万年之间。这些样本拥有足够的内源性DNA，我们利用杂交捕获或鸟枪法测序技术，获得了它们的线粒体基因组（覆盖度约1倍至31倍）和低覆盖度的核基因组序列（覆盖度约0.01倍至0.23倍）（补充信息）。 所有这些样本都显示出典型的古DNA分子损伤特征（补充图8, 9）。 尽管我们未能成功从拉布雷亚沥青坑的恐狼标本中测序DNA，但其中一个标本含有的1型胶原蛋白（COLI）适用于古蛋白质组学方法测序（补充数据1和补充信息）。
对恐狼COLI序列的分析表明，它们与灰狼、郊狼、非洲狼（Canis lupaster）或狗（Canis familiaris）的亲缘关系并不密切（补充图7）。 然而，由于这些物种之间缺乏谱系特异性的氨基酸变化¹⁶，这些数据无法确切解析关系更远的犬科动物之间的亲缘关系。对线粒体基因组的系统发育分析表明，恐狼形成了一个支持度很高的单系群，与灰狼和郊狼高度分化（补充图10；关于本分析使用的13个物种及其覆盖度的列表，请参见补充数据13和补充表2-4），这与近期的古生物学分析相矛盾（图1b）。 然而，犬科动物的线粒体系统发育可能并不代表物种的真实演化关系，因为已有研究表明，基因渗入和不完全谱系分选都会影响犬科动物的系统发育拓扑结构³﹐¹⁷。
为了解析恐狼的系统发育关系，我们分析了恐狼的核基因组数据，并结合了已发表的八种现存犬科动物的基因组数据：灰狼、郊狼、非洲狼、豺、埃塞俄比亚狼（Canis simensis）、非洲野犬（Lycaon pictus）、山狐（Lycalopex culpaeus）和灰狐（Urocyon cinereoargenteus，作为外群）。 在这些物种中，灰狼、郊狼、豺和灰狐的地理分布范围在更新世时期曾与恐狼重叠（图1a）。 我们还生成了一只来自蒙大拿州的灰狼和两种非洲特有的胡狼——黑背胡狼和侧纹胡狼（分别为Canis mesomelas和Canis adustus）的新的核基因组序列，以确保“类狼犬科动物”分支（包括犬属Canis、非洲野犬属Lycaon、豺属Cuon及其已灭绝的属）的所有现存成员都得到代表（补充数据13）。
基于70kb到28Mb的核序列比对（取决于每个恐狼基因组的总体覆盖度；补充表5, 7）的超矩阵分析证实了恐狼与其他类狼犬科动物之间存在遥远的演化关系（图2a，补充图11和补充图15, 16）。 然而，该分析无法明确解析恐狼是类狼犬科动物分支的基部成员，还是在两种非洲胡狼的共同祖先之后第二个分化出来的谱系。 我们使用一系列物种树分析¹⁵﹐¹⁹和D统计（补充信息）更详细地研究了犬科动物的系统发育关系。 这些方法产生了一致的树状结构，支持三个主要谱系的单系性：恐狼、非洲胡狼和一个包含所有其他现存类狼犬科动物的分支（图2a，补充表6-8和补充图11-16）。 尽管我们的物种树分析对于这些谱系之间的关系给出了模棱两可的结果，但灰狼（犬属Canis）与非洲野犬（非洲野犬属Lycaon）（补充图19）、豺（豺属Cuon）（补充图21）和埃塞俄比亚狼（补充图22）的亲缘关系，比与恐狼或非洲胡狼（均为犬属Canis）更近。 这一发现与先前为非洲胡狼提出的Lupulella属²和为恐狼提出的Aenocyon属¹⁵的分类命名相一致。
为了评估主要类狼犬科动物谱系之间的分化时间，我们使用MCMCtree进行了贝叶斯时钟定年分析。 尽管恐狼序列覆盖度低且包含死后损伤，但大量的模拟表明，这不太可能影响MCMCtree推断的分化时间估计（补充信息，补充表9-11和补充图17）。 该分析证实，三个主要类狼犬科动物谱系的初始分化发生得很快，这因不完全谱系分选而导致了树状图的解析度不高（图2a）。 恐狼谱系与现存类狼犬科动物最后一次共享共同祖先是在大约570万年前（95%最高后验密度(HPD)为400-850万年前）（图2a），随后非洲胡狼在约510万年前分化出来（95% HPD为350-760万年前）（图2b）。
鉴于同域分布的犬科物种有相互杂交的倾向²﹐³﹐²²，我们使用D统计（补充信息）测试了现存北美犬科动物与恐狼之间是否存在基因渗入的信号。该数据集包括了22只现代北美灰狼和郊狼、三只古老的狗²⁴⁻²⁶和一只更新世狼（补充数据13）。 具体来说，我们计算了形式为D(外群(灰狐); 恐狼; 北美犬科动物(灰狼或郊狼); 非洲狼/欧亚狼)的统计量，并未发现恐狼与任何现存北美犬科动物之间存在显著的共享衍生等位基因过量现象（图2b，补充图18和补充数据14）。 这一结果表明，本研究中测序的恐狼并未拥有来自灰狼、郊狼或它们近代北美祖先的血统。 虽然我们不能排除某些未取样的犬科种群可能拥有部分恐狼杂交血统的可能性，但在我们广泛的基因组数据集中缺乏的杂交信号表明，基因渗入不太可能发生过。
尽管我们没有发现近期基因渗入的证据，但我们确实发现非洲野犬与恐狼共享的衍生等位基因少于其与灰狼、郊狼、非洲狼、豺或埃塞俄比亚狼共享的数量（图2c，补充图20和补充数据15, 16）。 这表明，在恐狼的祖先与狼、郊狼和豺的祖先之间发生过一次古老的基因渗入事件，该事件至少发生在约300万年前（基于它们共同祖先年龄95% HPD的下限）（图2a），这可能也导致了解析类狼犬科动物基部分支顺序的困难（图2a）。
图2 | 现存和已灭绝的类狼犬科动物之间的关系
a， 在MCMCtree中生成的按时间标定的核基因组系统发育树，该树基于从BPP和SNAPP获得的最优最大似然物种树拓扑结构 。节点旁的数值是平均年龄估算值（单位：百万年前），横条代表95%的最高后验密度 。内嵌表格显示了当我们纳入两个最高覆盖度的恐狼样本（DireSP和DireGB）中的一个或全部时，使用不同分析框架得到的三种可能的排列方式（恐狼为红色，非洲胡狼为橙色，其余类狼犬科动物为蓝色）的支持度 。尽管树中只描绘了一个恐狼分支，但在一些分析中包含了多个恐狼个体，因为它们形成了一个单系分支（例如，补充图12, 13, 15） 。
b， 用于评估恐狼与现存北美犬科动物之间基因流可能性的D统计量结果 。每个点代表沿整个基因组计算的D平均值，误差棒代表使用加权块(jackknife) 程序对5Mb区块计算出的3个标准差 。|Z| > 3的Z值被认为是显著的 。这些图表显示，与欧亚狼相比，恐狼基因组与现存北美犬科动物没有共享明显更多的衍生等位基因（D值与零无显著差异），这表明恐狼与现存北美犬科动物的祖先之间没有发生过杂交 。当使用替代参考基因组以及将非洲狼作为P2时，也获得了不显著的D统计量结果（补充图18和补充数据14） 。
c， D统计量结果显示，在豺、埃塞俄比亚狼、非洲狼、灰狼和郊狼的共同祖先与恐狼谱系之间，存在一次古老的基因流事件（无论P1是哪个物种，D值都持续不为零） 。树状示意图中的P1、P2和P3代表在基因渗入检验中使用的基因组 。
当类狼犬科动物谱系的分布范围重叠时，杂交现象很常见。 例如，现代灰狼和郊狼在北美很容易杂交²。 基因组数据还表明，在更新世时期，豺和非洲野犬在分化数百万年后也发生了基因流³。 因此，我们发现尽管恐狼在晚更新世与灰狼、郊狼及其共同祖先的分布范围有大量重叠，却没有证据表明它们之间存在基因流，这表明灰狼和郊狼的共同祖先很可能是在与恐狼谱系成员地理隔离的环境中演化的。 这一结果与恐狼起源于美洲的假说¹﹐⁶﹐²⁸﹐²⁹相符，并且它们可能与已灭绝的阿姆布鲁斯特狼（Canis armbrusteri）属于同一谱系。
恐狼谱系在美洲的长期隔离意味着，其他美洲化石类群，如被认为是郊狼亲属的上新世Canis edwardii，可能反而属于恐狼谱系。 因此，现存类狼犬科动物的多样化可能是在美洲之外平行发生的，并且其起始时间可能比之前假设的要早。 现存的犬属物种可能源自已灭绝的真犬属（Eucyon）的旧大陆成员，该属最早出现在中新世末期的非洲和欧亚大陆化石记录中³⁰。 自中新世晚期以来的地理隔离与我们对恐狼谱系年龄的分子估计相符，并可能使恐狼在灰狼、郊狼、豺和异豺（另一种已灭绝的类狼犬科动物）于晚更新世到达北美之前，演化出了某种程度的生殖隔离。
尽管整体表型相似，灰狼和郊狼在晚更新世巨型动物大灭绝中幸存下来，而恐狼却没有。 一个可能的原因是，灰狼和郊狼都拥有更强的形态可塑性和饮食灵活性，从而使它们能够避免灭绝，并成为北美洲占主导地位的陆地捕食者⁴﹐³¹。 我们从DireGWC标本获得的年代数据（校准年代为12,820-12,720年前）支持了这一情景，该数据表明恐狼至少存活到了新仙女木期寒冷事件，这一时期也见证了其他北美特化的大型食肉动物，如美洲狮（Panthera atrox）和巨型短面熊（Arctodus simus）的最晚已知生存年代³²﹐³³。 另外一个可能性是，灰狼和郊狼可能是因为它们能与其他犬科动物杂交而得以幸存。 通过与狗的适应性基因渗入，已知北美灰狼获得了与毛色、缺氧适应和免疫反应相关的性状³⁴﹐³⁵。 特别是，增强的免疫力可能使灰狼能够抵抗新到达的旧大陆物种所携带的疾病。由于我们的研究结果表明恐狼没有从其他类狼犬科动物物种中获得任何血统，因此生殖隔离很可能阻止了恐狼获得那些或许能让它们存活到全新世的性状。
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以上为AI翻译，原文及支持信息见附件。
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发表于 2025-9-2 19:16:47
