Genomas, fósseis e o surgimento simultâneo de pássaros modernos e plantas com flores no Cretáceo Superior

Shaoyuan Wu https://orcid.org/0009-0007-9110-4233 shaoyuan5@gmail.com , Frank E. Rheindt https://orcid.org/0000-0001-8946-7085 , Jin Zhang , +9 e Liang Liu https://orcid.org/ 0000-0003-0568-4264 lliu@uga.edu Informações dos autores e afiliações

Editado por Douglas Futuyma, Stony Brook University, Stony Brook, NY; recebido em 17 de novembro de 2023; aceito em 29 de dezembro de 2023

12 de fevereiro de 2024

121 ( 8 ) e2319696121

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

Significance

Despite modern DNA advances, scientists still know little about how and when early bird groups evolved. Using new approaches to mine genomic information among 124 species covering most of modern bird diversity, we found that the main lineages of birds first divided into two groups: one mostly land-based and the other containing water-associated species. We demonstrate that modern birds date back further than previously assumed, much earlier than the dinosaurian extinction event, which seems to have had a limited impact on birds’ evolution. Instead, a warming event around ~55 Mya appears to have triggered the diversification of modern seabirds. Our study indicates that the radiation of modern birds was in remarkable lockstep with that of flowering plants and other organisms.

Abstract

A filogenia e o tempo de divergência da radiação Neoaviana permanecem controversos, apesar do progresso recente. Analisamos os genomas de 124 espécies em todas as ordens Neoavianas, usando dados de 25.460 loci abrangendo quatro classes de DNA, incluindo 5.756 sequências codificantes, 12.449 elementos não exônicos conservados, 4.871 íntrons e 2.384 segmentos intergênicos. Conduzimos uma análise de sensibilidade abrangente para levar em conta a heterogeneidade entre diferentes classes de DNA, levando a uma árvore ideal de Neoaves com alta resolução. Esta filogenia apresenta uma nova dicotomia Neoaviana compreendendo dois clados monofiléticos: um previamente reconhecido Telluraves (aves terrestres) e um recentemente circunscrito Aquaterraves (aves aquáticas e parentes). Análises de datação molecular com 20 calibrações fósseis indicam que a diversificação das aves modernas começou no Cretáceo Superior e sofreu uma radiação constante e constante através da fronteira KPg, concomitante com o surgimento das angiospermas, bem como de outros grandes grupos de animais do Cenozóico, incluindo mamíferos placentários e multituberculados. . A catástrofe KPg teve um impacto limitado na evolução das aves em comparação com o Máximo Térmico Paleoceno-Eoceno, o que desencadeou uma rápida diversificação das aves marinhas. Nossas descobertas sugerem que a evolução das aves modernas seguiu um processo lento de gradualismo, em vez de um processo rápido de equilíbrio pontuado, com interrupção limitada pela catástrofe KPg. Este estudo coloca a evolução das aves num novo contexto dentro dos vertebrados, com ramificações para a evolução da biota da Terra.

As relações filogenéticas entre as aves modernas (Aves-coroa) foram intensamente estudadas na última década ( 1 – 3 ). Esta pesquisa corroborou a tradicional divisão basal das aves modernas em dois clados monofiléticos, Palaeognathae (aves que não voam) e Neognathae (a maioria das aves vivas), e a divisão de Neognathae em Galloanserae (aves terrestres e aquáticas) e todas as aves restantes (Neoaves, ~95% das aves vivas) ( 4 , 5 ). Apesar do tamanho crescente dos conjuntos de dados genômicos, no entanto, as relações filogenéticas entre os Neoaves permaneceram em conflito nesta nova safra de estudos em escala genômica ( 2 , 3 ). A intratabilidade das primeiras relações entre aves foi atribuída a uma “explosão Neoaviana” após o evento de extinção da fronteira KPg, quando o desaparecimento dos dinossauros não-aviários e de outras megafaunas teria levado a um vácuo global com subsequente liberação ecológica, alimentando a rápida diversificação de Neoaves e outras linhagens animais importantes ( 2 , 3 ).

que mais dados, quer em termos de amostragem genómica ou taxonómica, ou ambos, acabarão por resolver as incertezas filogenéticas na Árvore da Vida ainda não foram confirmadas ( 6-10 crenças iniciais de Entretanto, as ). A reconstrução bem sucedida da Árvore da Vida está sujeita a múltiplos factores, tais como amostragem abrangente de táxons, amostragem rigorosa de locus, cobertura suficiente de diferentes tipos de loci de ADN e a utilização de modelos apropriados de construção de árvores. e do momento de diversificação dos Neoaves, é necessário encontrar um equilíbrio entre esses fatores críticos ( 8–11 as controvérsias em torno das relações filogenéticas Para resolver ).

Neste estudo, reunimos dados em escala genômica de 118 espécies representando todas as 35 ordens de Neognathae. Além disso, amostramos sete táxons do grupo externo, incluindo seis paleognatas e o jacaré americano ( Dataset S1 ). Nossos dados genômicos compreendem quatro classes diferentes de loci de DNA - 5.756 sequências codificantes (CDS), 12.449 elementos não-exônicos conservados (CNEE), 4.871 íntrons e 2.384 segmentos intergênicos, com um total de 20.652.290 pares de bases alinhados ( SI Apêndice , Materiais e Métodos ) . Aplicamos NJst, um método de árvore de espécies rápido e preciso de “duas etapas” baseado no algoritmo de junção de vizinhos e derivado do modelo coalescente multiespécies, que pode inferir uma árvore de espécies a partir de árvores genéticas não enraizadas sem a necessidade de se comprometer com um grupo externo e pode lidar com dados ausentes ( 12 ). Além disso, aplicamos métodos de concatenação baseados em abordagens de máxima verossimilhança (ML), conforme implementado em RAxML ( 13 ).

Results

Effect of DNA Classes on Tree Inference.

Realizamos análises de sensibilidade intensivas usando NJst e RAxML para examinar a utilidade filogenômica de cada uma das quatro classes de DNA na inferência de árvores de espécies. As árvores NJst estimadas a partir de segmentos CDS, CNEE e intergênicos, respectivamente, foram consistentes com estudos anteriores ( 1 – 3 ) em relação às divisões basais em aves há muito consideradas resolvidas ( Apêndice SI , Figs. S1 e S2 A ). Em contraste, a árvore NJst baseada em íntrons agrupou Galloanserae com Palaeognathae, não com Neoaves ( SI Apêndice , Fig. S2 B ). As árvores NJst baseadas nas quatro classes individuais de DNA incluíam 5, 11, 7 e 7 nós de baixa confiança (suporte de bootstrap (BS) <70%) com uma confiança de bootstrap mínima de 51%, 14%, 37% e 45. % para CDS, CNEE, íntrons e segmentos intergênicos, respectivamente ( SI Apêndice , Figs. S1-S3 ). Todos esses nós de baixa confiança estavam localizados profundamente dentro de Neoaves, indicando que as árvores genéticas de máxima verossimilhança construídas a partir de cada uma das quatro classes de DNA por si só não contêm sinal filogenético suficiente para resolver completamente as relações dentro de Neoaves.

A aplicação de uma abordagem de concatenação usando RAxML para cada uma das quatro classes de DNA produz árvores com maior suporte de nó suposto em comparação com as árvores NJst correspondentes. Todas as árvores de concatenação resultantes apoiaram as divisões basais bem estabelecidas nas aves, com exceção dos segmentos intergênicos, que separaram os tinamous (Tinamiformes) de Palaeognathae para formar o clado irmão de Neognathae ( SI Apêndice , Figs. S4 e S5 ). As quatro árvores de concatenação baseadas em classes individuais de DNA compreendiam 0, 4, 1 e 3 nós de baixa confiança (BS <70%) com uma confiança mínima de bootstrap de 85%, 58%, 57% e 55% para CDS, CNEE , íntrons e segmentos intergênicos, respectivamente ( SI Apêndice , Fig. S3 ). Os nós de baixa confiança na árvore de concatenação CNEE não conseguiram resolver quatro nós principais nas profundezas do Neoaves ( SI Apêndice , Fig. S4 B ). Em contraste, as árvores de concatenação CDS, intrônica e intergênica foram bem resolvidas no nível ordinal, mas exibiram incongruências substanciais entre si, indicando que diferentes classes de DNA contêm sinais filogenéticos conflitantes. Apêndice SI , Figs. S4 e S5 ).

Em seguida, examinamos o número de nós significativamente discordantes (com BS> = 80%) em árvores construídas a partir das quatro classes de DNA, testando a significância dessas diferenças entre as árvores NJst e RAxML usando um teste binomial. Em comparações pareadas entre árvores NJst construídas a partir de CDS e CNEE, CDS e segmentos intergênicos, CDS e íntrons, CNEE e segmentos intergênicos, CNEE e íntrons, e segmentos intergênicos e íntrons, havia 13, 21, 13, 14, 2 e 17 nós significativamente discordantes, respectivamente ( Fig. 1A ) . As mesmas comparações pareadas entre árvores RAxML produziram 20, 30, 20, 25, 5 e 27 nós significativamente discordantes ( Fig. 1 A ), revelando que comparações de árvores RAxML concatenadas com base em diferentes classes de DNA resultaram em um número muito maior de nós significativamente nós discordantes do que comparações de árvores NJst coalescentes, e também ressaltando o conflito substancial no sinal filogenético entre as quatro classes de DNA.

Figura 1.

Efeitos das quatro classes individuais de DNA na inferência de árvores de espécies. ( A ) Comparação do número de nós significativamente discordantes para árvores estimadas usando métodos NJst e RAxML em todas as seis combinações de pares de classes de DNA. A significância das diferenças entre as árvores NJst e RAxML foi examinada usando um teste binomial. Observe que o número de nós significativamente discordantes (suporte de bootstrap >= 80%) para árvores construídas usando RAxML é significativamente maior do que para árvores construídas usando NJst. ( B ) Consistência das quatro classes de DNA com o modelo coalescente multiespécie. A proporção concordante indica a proporção de heterogeneidade da árvore genética que pode ser explicada pelo modelo coalescente multiespécie. ( C ) Compatibilidade de árvores genéticas de máxima verossimilhança construídas a partir das quatro classes de DNA. A proporção discordante indica a proporção de trigêmeos majoritários significativamente discordantes em todas as comparações pareadas entre as classes de DNA. Abreviatura: Inter, intergênico.

Compatibilidade do sinal filogenético entre classes de DNA.

Para examinar a qualidade do ajuste do modelo coalescente multiespécie (MSC) às quatro classes de DNA, calculamos frequências triplas das árvores genéticas ML construídas a partir de cada classe de DNA, respectivamente. De acordo com o MSC, as frequências de dois trigêmeos minoritários deveriam ser aproximadamente iguais se a heterogeneidade da árvore genética for causada principalmente pela classificação incompleta da linhagem ( 14 , 15 ). Testamos a significância na diferença entre frequências de dois trigêmeos minoritários usando um teste binomial com correção de Bonferroni para comparações múltiplas. Além da heterogeneidade da árvore genética introduzida pelo erro de estimativa ( 16 ), o MSC é responsável por 76,9%, 96,5%, 95,3% e 87,7% da heterogeneidade da árvore genética em CDS, CNEE, íntrons e segmentos intergênicos, respectivamente, indicando que tem um bom ajuste geral ( Fig. 1 B ).

Para avaliar melhor os sinais filogenéticos conflitantes entre as quatro classes de DNA, calculamos a proporção de trigêmeos de árvores de espécies para os quais trigêmeos de árvores genéticas de maioria significativa são topologicamente discordantes nas quatro classes de DNA, o que significa que seus alinhamentos subjacentes contêm sinais significativamente conflitantes, conforme medido pelo bootstrap . Foi realizado um teste binomial de significância, com valores de P ajustados pela correção de Bonferroni para comparações múltiplas. As proporções resultantes de trigêmeos majoritários discordantes foram inferiores a 1% em todas as seis comparações pareadas entre classes de DNA ( Fig. 1 C ), sugerindo que as árvores genéticas ML construídas a partir das quatro classes de DNA são compatíveis e podem ser combinadas para construir uma árvore de espécies usando métodos baseados em coalescência.

Efeitos de combinações de classes de DNA na inferência de árvores de espécies.

To obtain a consistent and well-resolved phylogeny of Neoaves, we assessed the phylogenomic suitability of all 11 combinations involving two or more types of DNA classes across the four DNA classes using NJst. Two criteria were adopted to find the best combination of DNA classes based on the assumption that such a combination should maximize branch support in the corresponding NJst tree: 1) the minimum node support of the tree constructed from the combined DNA classes should be higher than the minimum support values of the trees built from each of the individual DNA classes, and 2) the number of nodes with a bootstrap support smaller than 50% and 70% of the tree built from the combined DNA classes should be less than that of the trees built from each of the individual DNA classes. Based on the two criteria, we determined that the combination of CDS, introns, and intergenic segments performs better than all other combinations and is most suitable for constructing a robust species tree (SI Appendix, Fig. S6). As a result, we eliminated CNEE from subsequent analysis. The resultant NJst tree involving CDS, introns, and intergenic segments was well resolved, with all but seven nodes receiving high branch support (BS >= 80%) (SI Appendix, Fig. S7). A RAxML tree based on the concatenated CDS, introns, and intergenic segments was largely congruent in topology with the corresponding NJst tree (SI Appendix, Fig. S8A). This phylogeny identified many novel clades in Neoaves with high confidence, foremost a basal division into two major lineages, one mainly containing land birds (Telluraves) and another mainly containing waterbirds and relatives (which we designate Aquaterraves).

Robustness of Novel Neoavian Relationships.

The new Neoavian phylogeny built from the combination of CDS, introns, and intergenic segments uncovered a novel basal clade, Aquaterraves, uniting a wide array of waterbirds and their relatives. All seven low-confidence nodes in this new phylogeny (BS < 80%) were located within Aquaterraves, and this clade itself received a relatively low bootstrap support (BS = 78%) (SI Appendix, Fig. S7). The accuracy of inferring species trees can be compromised by gene trees that deviate significantly from gene trees predicted by the coalescent model. Recent studies suggest that excluding these outlier gene trees can potentially improve the fit of the coalescent model and ultimately enhance the accuracy of species tree inference (17, 18). To evaluate the robustness of the new phylogeny of Neoaves, we compared the species tree constructed using all gene trees to trees constructed by excluding outlier gene trees.

Calculamos distâncias de quarteto entre a nova filogenia e cada uma das árvores genéticas ML estimadas a partir de CDS, íntrons e segmentos intergênicos, respectivamente ( SI Apêndice , Materiais e Métodos ). Classificamos as árvores genéticas de ML por distâncias de quarteto do mais alto ao mais baixo e, em seguida, criamos oito subconjuntos de dados removendo sucessivamente os 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35% e 40% mais altos das árvores genéticas ML classificadas construídas a partir de CDS, íntrons e segmentos intergênicos, respectivamente. Em seguida, construímos árvores de espécies usando NJst dos oito subconjuntos. Os resultados mostram que a topologia de todos os nós altamente suportados (BS ≥ 80%) permanece inalterada, enquanto cinco nós de baixa confiança (BS <80%) experimentaram mudanças topológicas nas árvores construídas a partir dos oito subconjuntos ( Fig. 2 e Apêndice SI , Figuras S7, S9 e S10 ). As cegonhas (Ciconiiformes) foram agrupadas com pinguins (Sphenisciformes) e tubenoses (Procellariiformes) com suporte de galhos relativamente baixo (BS = 74%) na árvore construída a partir do conjunto de dados completo, mas emergiram como o táxon irmão de uma linhagem contendo pelicanos e aliados (Pelecaniformes ) e gansos-patola (Suliformes) com alto suporte de galhos (BS = 99%) na árvore construída a partir do subconjunto eliminando os 30% mais altos de árvores genéticas discrepantes ( Fig. 2 and SI Appendix, Figs. S7, S9, and S10). The other four low-confidence nodes were characterized by roughly equally low branch support (BS < 80%) across trees built from the eight subsets. The bootstrap value supporting the monophyly of Aquaterraves increased with the removal of outlier gene trees, reaching 100% after the removal of 25% of top outlier gene trees (Fig. 2 and SI Appendix, Figs. S7, S9, and S10). Moreover, the bootstrap support value for the subclade grouping Charadriiformes, Gruiformes, Apodiformes, and Caprimulgiformes increased from 80% in the tree built from the full dataset to 92% in the tree built from the subset eliminating 35% of gene trees (Fig. 2 and SI Appendix, Figs. S7, S9, and S10). Notably, while node support remained below 80%, the sister taxon relationship between Charadriiformes and Gruiformes was stable across all trees (i.e., full dataset and each of the eight subsets) (Fig. 2 and SI Appendix, Figs. S7, S9, and S10).

Figura 2.

Relações filogenéticas das aves modernas. A árvore calibrada no tempo de 124 espécies de aves foi construída usando o método baseado em coalescência NJst a partir de uma combinação de árvores genéticas de máxima verossimilhança de CDS, íntrons e segmentos intergênicos após a remoção de 30% dos valores discrepantes. Os números nos nós indicam valores de suporte de bootstrap, com números >90% não mostrados. O sombreamento do fundo indica a era do Cretáceo Superior.

Adotamos três critérios para identificar a melhor topologia entre as árvores construídas a partir dos oito subconjuntos: 1) maximizar o suporte bootstrap para o novo clado Aquaterraves dentro do Neoaves; 2) maximizar o suporte de bootstrap para outros nós inalterados; e 3) reter tantas árvores genéticas quanto possível. Com base nesses critérios, a árvore construída a partir do subconjunto contendo 70% das árvores do gene ML, ou seja, após a remoção de 30% dos loci discrepantes, produziu a topologia mais confiável para a coroa Aves, doravante denominada “árvore ótima” ( Fig. 2 ). Também construímos uma árvore de concatenação usando RAxML baseada no subconjunto contendo 70% de loci. Esta árvore de concatenação foi amplamente consistente com a árvore ótima na topologia, apoiando a divisão de Neoaves em Telluraves e Aquaterraves ( SI Apêndice , Fig. S8 B ).

No geral, as principais relações na árvore de espécies construída usando todas as árvores genéticas foram consideradas estáveis e muito semelhantes àquelas obtidas quando uma certa porcentagem das árvores genéticas discrepantes foi removida. As discrepâncias foram observadas principalmente em relacionamentos que não eram fortemente apoiados pelos dados. A análise de árvores genéticas discrepantes indica que a remoção de árvores genéticas atípicas pode melhorar consideravelmente a resolução da árvore de espécies inferidas.

Causes of Low-Confidence Nodes in Aquaterraves.

Our analysis of branch robustness across datasets revealed five nodes within the new Aquaterraves with low branch support across trees built from the full dataset and the eight subsets of outlier removal. To verify whether these low branch support values were caused by conflicting phylogenetic signal among DNA classes or by a lack of sufficient phylogenetic signal, we quantified triplet frequencies in ML gene trees built from CDS, introns, and intergenic segments, respectively. We then measured the proportion of significant majority triplets of ML gene trees, which amounted to 88.1%, 83.6%, and 76% for ML gene trees built from CDS, introns, and intergenic segments, respectively, for the entire tree. When restricting this calculation to the clade comprising the new Aquaterraves, however, the proportion of significant majority triplets decreased to 55.8%, 36%, and 38% for the same DNA classes (SI Appendix, Fig. S11A). In the meantime, the proportions of majority triplets exhibiting significant conflict among one another was below 1% for both the whole tree and the clade comprising Aquaterraves across ML gene trees built from all three DNA classes (SI Appendix, Fig. S11B). These results suggest that low-confidence nodes within Aquaterraves are not caused by conflicting phylogenetic signal among DNA classes, but rather by a lack of sufficient phylogenetic signal in the dataset.

Dating of Nodes within the Avian Tree.

Aplicamos 20 restrições fósseis selecionadas de forma conservadora para datar a árvore ideal ( SI Apêndice , Materiais e Métodos ). Para a divergência das Aves da coroa, atribuímos a idade do primeiro membro conhecido das Aves da coroa, Asteriornis maastrichtensis (66,7 Ma) ( 19 ), como o limite mínimo e a idade do primeiro membro conhecido de Ichthyornithes, Ichthyornis dispar (94,3 Ma ) ( 20 ), como limite máximo. O clado Ichthyornithes desempenhou um papel substancial na compreensão dos biólogos sobre a origem da coroa Aves, dada a sua colocação filogenética consistente perto da coroa Aves em diferentes estudos ( 20 , 21 ). Ichthyornithes são indiscutivelmente o membro dos Ornithurae exibindo a preservação fóssil mais completa e uma duração estratigráfica bem conhecida, com representação fóssil ao longo de 10 Ma, estendendo-se do Cenomaniano ao Campaniano (~95 a 83,5 Ma) ( 22 ). Portanto, é razoável usar a idade do fóssil mais antigo conhecido de Ichthyornithes, I. dispar , como limite máximo da coroa Aves. Além disso, conduzimos análises de sensibilidade para avaliar o impacto de táxons fósseis ainda mais antigos de Ornithurae na datação, atribuindo Enaliornis barretti (105,3 Ma) - o primeiro Hesperornithes conhecido - e Gansus yumenensis (122,8 Ma) - o primeiro Gansus conhecido - como limites máximos para a divergência da coroa Aves ( 21 , 23 ), junto com as 19 calibrações fósseis restantes.

Realizamos análise de datação na árvore ótima usando MCMCTree ( 24 ) com dados CDS e o conjunto completo de 20 restrições fósseis ( SI Apêndice , Materiais e Métodos ). Nossos resultados mostram que a diversificação interordinal das aves modernas ocorreu em grande parte no Cretáceo Superior e sofreu uma radiação contínua através da fronteira KPg. Com base no nível inferior de ICs de 95%, existem aproximadamente 15 ordens de aves que provavelmente se originaram no Paleógeno, enquanto a origem das 24 ordens restantes cai no Cretáceo Superior ( Fig. 3 ). Resultados de datação semelhantes foram obtidos quando restritos aos fósseis de E. barretti e G. yumenensis como o limite máximo para a divergência da coroa Aves, respectivamente ( SI Apêndice , Fig. S12 e Conjuntos de Dados S2-S4 ).

Figura 3.

Interordinal diversification of modern birds and placental mammals from the Late Cretaceous to the Paleogene. Note that both crown Aves and placental mammals underwent a constant and steady differentiation across the KPg boundary, without apparent interruption by the KPg mass extinction event. The green background indicates the increase of taxonomic diversity of flowering plants. The data on placental mammal and angiosperm diversity are based on Liu et al. (25) and Condamine et al. (26), respectively.

Analysis of Changing Diversity of Modern Birds across Time.

Louca e Pennell ( 27 ) demonstraram recentemente que alguns métodos para estimar as taxas de diversificação sofrem de problemas de identificabilidade. Mas este aviso não significa que tais esforços devam ser abandonados ( 28 ), e ainda há informações consideráveis em alguns métodos existentes para compreender o processo de diversificação ( 29 ). Para entender a dinâmica de diversificação ao longo do tempo em nossa árvore ideal, analisamos a árvore temporal das aves modernas usando um método de máxima verossimilhança para detectar mudanças na taxa de diversificação, implementado no pacote R TreePar ( 30 , 31 ). Dado que o método aqui aplicado visa estimar o momento das mudanças na taxa de diversificação, em vez das taxas de diversificação em si, as preocupações de identificabilidade delineadas por Louca e Pennell provavelmente não se aplicam. Os tempos de divergência da árvore temporal foram ajustados aos modelos de nascimento-morte com 0, 1, 2, 3 e 4 mudanças de taxa, respectivamente. As mudanças nas taxas foram estimadas em uma grade de 1-My entre 2 e 110 Mya ( 30 ). Utilizando o teste da razão de verossimilhança, os modelos com 0, 1 e 2 mudanças de taxa foram rejeitados com um P-value < 0.05. In contrast, the model with 3 shifts was not rejected, as indicated by a P-value > 0.05 (SI Appendix, Table S1). Thus, this likelihood ratio test favors a model with 2 rate shifts occurring at 68 My, and 81 My. In addition, 100 bootstrap samples of divergence times were generated to construct the 90% CI [0.26, 0.7] and [0.68, 0.87] for the two shift estimates. The results suggest that crown Aves underwent two shifts in diversification rate, both of which occurred in the Late Cretaceous before the KPg mass extinction event.

Causas de incongruência com estimativas de datas anteriores.

Análises filogenéticas recentes de matrizes de DNA em grande escala apoiaram uma radiação explosiva da coroa Aves após o limite KPg no Paleógeno ( 2 , 3 ), contradizendo nossos resultados de datação. Realizamos análises de sensibilidade para examinar a causa do conflito com os resultados dos dois estudos anteriores mais abrangentes.

Dezoito das 20 calibrações fósseis usadas por Jarvis et al. ( 2 ) pode ser aplicado à nossa árvore ideal. Além disso, nossa amostragem de táxons inclui todas as 48 espécies de aves e o grupo externo, o jacaré americano, amostrado por Jarvis et al. Realizamos duas análises de datação usando as 18 calibrações fósseis acima em duas árvores diferentes: uma é nossa árvore ideal com base em 125 táxons, e outra é uma árvore reduzida incluindo apenas os 49 táxons usados por Jarvis et al., gerada pela exclusão de 76 espécies de a árvore ótima, mas mantendo sua estrutura topológica. Nossos resultados mostram que as idades estimadas usando a árvore reduzida são consistentes com as descobertas de Jarvis et al., apoiando uma rápida radiação da coroa Aves após o limite KPg no Paleógeno ( SI Apêndice , Fig. S13 A ). Em contraste, as idades estimadas usando a árvore completa são consistentes com os resultados deste estudo, apoiando uma radiação contínua de aves de copa desde o Cretáceo Superior através da fronteira KPg até o Paleógeno ( SI Apêndice , Fig. S13B ) .

Numa abordagem semelhante, 15 calibrações fósseis empregadas neste estudo foram derivadas de Prum et al. ( 3 ). Para examinar a causa do conflito com os resultados de Prum et al., realizamos análises de datação usando nossa árvore ideal com base nas configurações de restrição fóssil de Prum et al., ou seja, o limite máximo de todas as calibrações fósseis de aves foi definido como 65 Ma, e as restrições mínima e máxima para a divergência da coroa Aves foram fixadas em 60,5 e 86,5 Ma, respectivamente. Os resultados desta análise de datação são consistentes com as descobertas de Prum et al., apoiando uma rápida radiação da coroa Aves após o limite KPg ( SI Apêndice , Fig. S14 A ). Em seguida, realizamos análises de datação relaxando o limite máximo das restrições fósseis utilizadas por Prum et al., levando a resultados que contradizem os achados de Prum et al., mas são consistentes com os achados deste estudo e apoiam uma radiação contínua de coroa Aves através da fronteira KPg do Cretáceo Superior até o Paleógeno ( SI Apêndice , Fig. S14B ) .

Nossos resultados demonstram que os resultados de datação de Jarvis et al. ( 2 ) são tendenciosos para estimativas de idade mais jovens devido à amostragem esparsa de táxons ( SI Apêndice , Fig. S13 ), enquanto os resultados de datação de Prum et al. ( 3 ) só pode ser obtido impondo uma restrição estrita ao limite máximo de todas as restrições fósseis aviárias a 65 Ma ( Apêndice SI , Fig. S14 ). As estimativas de datação mais recentes causadas pela amostragem esparsa de táxons podem ser devidas ao efeito de densidade de nós, ou seja, a inferência filogenética tende a subestimar a verdadeira quantidade de mudanças moleculares ao longo das linhagens quando a amostragem de táxons é esparsa ( 32 ). Depois de superar as questões acima mencionadas, os resultados de datação dos dois estudos recentes são consistentes com este estudo, apoiando uma radiação contínua da coroa Aves durante o Cretáceo Superior e através da fronteira KPg ( Apêndice SI , Figs. S13 e S14 ).

Discussion

Phylogenetic Relationships of Neoaves.

Our optimum tree provides consistent resolution of phylogenetic relationships within Neoaves, which comprise the bulk of modern birds and whose relationships have long been phylogenetically controversial, dividing them into two basal clades, a previously recognized Telluraves (landbirds) (33) and a newly circumscribed Aquaterraves (waterbirds and relatives) (Fig. 2).

Within Telluraves, the optimum tree supports the large and previously established monophyletic clade Coraciimorphae (3) as the most basal clade (Fig. 2). It also uncovers a novel monophyletic clade, uniting Accipitriformes (hawks) and Strigiformes (owls), which we designate Hieraves. The Hieraves are sister to Australaves (34), a known clade consisting of Passeriformes (perching birds), Psittaciformes (parrots), Falconiformes (falcons), and Cariamiformes (seriemas).

A árvore ótima identifica duas linhagens altamente suportadas dentro do clado recentemente circunscrito de Aquaterraves ( Fig. 2 ). Uma linhagem, denominada Aequorlitornithes ( 3 ), contém vários grupos aquáticos, bem como a enigmática cigana (Opisthocomiformes), como táxons irmãos sucessivos de Aequornithes (aves aquáticas principais). Outra linhagem, que chamamos de Litusilvanae, consiste em Charadriiformes (aves limícolas), Gruiformes (guindastes e aliados) e Caprimulgimorphae (andorinhões, beija-flores e noitibós). A árvore ideal suporta fortemente o agrupamento de pombos (Columbiformes) e uma série de ordens relacionadas dentro de Aquaterraves; suas relações têm sido particularmente instáveis em estudos genômicos anteriores ( 2 , 3 ), e sua posição exata dentro de Aquaterraves permanece controversa mesmo em nosso conjunto de dados, exigindo atenção futura.

Radiação ininterrupta de pássaros modernos através da fronteira KPg.

O novo cronograma para a diversificação das aves modernas oferecido por este estudo melhora nossa compreensão da evolução dos vertebrados para uma em que a radiação inicial das aves é em grande parte paralela à de outros organismos, como angiospermas, mamíferos, peixes e insetos ( Fig. 4 ). Usando dados de diversas fontes, mostramos que a diversidade taxonômica de Aves-coroa, mamíferos placentários, mamíferos multituberculados, peixes com nadadeiras raiadas e insetos holometábolos (borboletas, abelhas, formigas, etc.) está positivamente correlacionada com o surgimento de angiospermas durante o final do século XIX. Cretáceo e Paleógeno ( Fig. 4 e Apêndice SI , Fig. S15 ), sugerindo que a floração de angiospermas promoveu a diversificação nesses grupos de animais. Naturalmente, a formação de florestas de angiospermas e outros habitats densos teria tido efeitos em cascata sobre os animais, fornecendo frutos, sementes e outras biomassas, tanto em ecossistemas terrestres como aquáticos, impulsionando a diversificação de invertebrados, depois de vertebrados insectívoros que se alimentam deles e, finalmente, carnívoros alimentando-se de novos grupos de animais menores.

Fig. 4.

Diversity changes in modern birds, placental mammals, multituberculate mammals, marine ray-finned fishes, holometabolous insects (butterflies, bees, ants, etc.), and flowering plants from the Cretaceous to the present time. The panel on the *Upper Right* shows the correlation coefficients of diversity changes between angiosperms and each of the five animal groups: a) crown Aves, b) placental mammals, c) multituberculates, d) marine ray-finned fishes, and e) holometabolous insects. The curve of average global temperature represents a proxy for climatic changes during the Cretaceous and Cenozoic. Note that among the six taxonomic groups analyzed in the figure, the KPg extinction event only had a noticeable negative impact on the biodiversity of ray-finned fishes, but not on the other five groups. The diversity curves of placental mammals, multituberculates, ray-finned fishes, holometabolous insects, and angiosperms were plotted based on data extracted from Liu et al. (25), Wilson et al. (35), Guinot and Cavin (36), Nicholson et al. (37), and Condamine et al. (26), respectively. The curve of global temperature changes was plotted based on data extracted from Condamine et al. (26).

Galliformes e Anseriformes foram as primeiras aves neognatas modernas, aparecendo em nossa árvore ideal em cerca de 87,8 Ma (IC 95%: 82,1 a 93,5), ~20 My antes das estimativas anteriormente aceitas ( 2 , 3 ) ( Fig. 3 ). Apesar desta incongruência, o aparecimento de ambas as ordens é consistente com múltiplos potenciais fósseis iniciais da coroa Aves. Os mais importantes entre essas supostas Aves da coroa do Cretáceo Superior são gobiensis (~70 Ma) e Austinornis lentus ~85 Ma), que são considerados possíveis Anseriformes e Galliformes, respectivamente ( 38-41 ( Teviornis ). Além desses dois fósseis, Olson e Parris ( 42 ) descreveram nove espécies de aves da era Maastrichtiana do Cretáceo Superior sob a recém-criada família Graculavidae e as consideraram Charadriiformes primitivas. Eles também consideraram Tytthostonyx glauconiticus (~66 Ma) uma espécie primitiva de ave marinha, pertencente aos modernos Pelecaniformes ou Procellariiformes. Estimamos o tempo de origem dos Charadriiformes e do ancestral comum das aves marinhas em ~76 Ma (IC 95%: 81,1 a 70,8) e ~70,8 Ma (IC 95%: 76 a 65,9), respectivamente, concordando com a evidência fóssil apresentada por Olson e Paris. Ao mesmo tempo, as posições filogenéticas exatas desses fósseis acima mencionados permanecem controversas ( 38-42 ) . Futuras descobertas de fósseis são avidamente aguardadas para esclarecer suas posições filogenéticas e corroborar nossos resultados de datação.

Usamos o fóssil de um membro do grupo tronco dos Fregatidae, Limnofregata azygosternon , como limite mínimo (51,58 Ma) para a divergência entre Fregatidae e Phalacrocoracidae ( SI Apêndice , Fig. S19 ). A idade estimada para a divergência entre Fregatidae e Phalacrocoracidae é de 40,57 Ma (IC 95%: 43,99 a 37,15 Ma) ( Fig. 2 e Conjunto de Dados S2 ), que é mais jovem que a restrição fóssil colocada neste nó. Limnofregata é considerado um dos melhores fósseis disponíveis das primeiras aves pelecaniformes e mostra alguma afinidade com as fragatas existentes ( 43 ). Em forte contraste com as fragatas existentes que vivem em ambientes oceânicos, no entanto, Limnofregata costumava viver em ambientes de água doce, sugerindo uma transição de um estilo de vida de água doce para um estilo de vida marinho no curso da evolução pelecaniforme ( 44 , 45 ). Como colocamos uma restrição fóssil mínima para datar o nó de Fregatidae e Phalacrocoracidae, nosso resultado é consistente com estudos recentes que sugerem que a ocorrência Eocena de Limnofregata precedeu uma longa transição dos primeiros pelecaniformes para fragatas marinhas ( 44 , 45 ).

The origin of placental mammals is commonly placed in the Late Cretaceous (25, 46–48), and the radiation of both placental and multituberculate mammals is thought to have been continuous across the KPg boundary (25, 35). Notably, the basal divergences of both Neoaves (~87.2 Ma, 95% CI: 81.6 to 92.8) and placental mammals (~87.3 Ma, 95% CI: 85.2 to 89.5) (25) occurred almost concurrently during the Late Cretaceous (Fig. 3). Furthermore, within Neoaves and placental mammals, the basal divergence of Telluraves (landbirds, ~86 Ma, 95% CI: 80.4 to 91.5) occurred nearly simultaneously with that of Atlantogenata (Xenarthra and Afrotheria, ~85.8 Ma, 95% CI: 83.7 to 88) (25), and the basal divergence of Aquaterraves (waterbirds and relatives, ~81 Ma, 95% CI: 75.6 to 86.4) occurred at approximately the same time as that of Boreoeutheria (Euarchontoglires and Laurasiatheria, ~81.4 Ma, 95% CI: 79.5 to 83.3) (25). The contemporaneous diversification of modern birds and mammals could well be driven by the Angiosperm Terrestrial Revolution event, the rise and increasing dominance of angiosperms during the Late Cretaceous and early Paleogene (49 ).

Uniquely among Neoaves, a tight assemblage of six orders forming the core waterbirds (Aequornithes) is noteworthy by virtue of their relatively young origin in the Early Eocene (~50 Ma; Figs. 2 and 3). Most members of this group are seabirds and include such lineages as penguins, albatrosses, loons and pelicans. Our results confirm their explosive origin in the wake of the Paleogene-Eocene Thermal Maximum (PETM) event (~56 Ma) when a sudden spike in atmospheric carbon led to increased temperatures and strong ocean acidification across the globe (50) (Figs. 3 and 4). After surviving the PETM crisis, the common ancestor of Aequornithes found itself in a global environment that was slowly but steadily cooling, gradually creating marine conditions more conducive to the survival and diversification of ocean fishes and the seabirds feeding on them (Fig. 4). Today, the bulk of aequornithine diversity can be found in the nutrient-rich waters of the polar and subpolar seas of the world. Under some projections, anthropogenic climate change would create PETM-like atmospheric conditions, which might lead to a repeat of the marine extinction crisis that unfolded ~56 Mya.

No geral, o nosso estudo acrescenta um apoio considerável à narrativa de que a ascensão das aves e dos mamíferos modernos seguiu um processo relativamente lento de evolução gradual. Há muito se pensa que o evento de extinção KPg é o fator dominante na evolução das primeiras aves; nosso estudo mostra que – ao contrário dos dinossauros não-aviários – as aves resistiram relativamente bem à crise do KPg, mas que o evento PETM mais recente teve um impacto substancial, pelo menos nas aves que dependem do oceano. Num estudo anterior, tínhamos demonstrado que a evolução dos mamíferos provavelmente seguiu um modelo de diversificação trans-KPg, numa altura em que se presumia que as aves modernas tinham sofrido a sua extensa radiação muito mais tarde ( 25 ). Nossas atuais análises filogenômicas indicam que a diversificação de Neoaves está em estreita sintonia com a dos mamíferos, sugerindo um modelo de diversificação constante que está de acordo com a interpretação original do gradualismo de Charles Darwin, mas em desacordo com teorias alternativas envolvendo evolução pontuada.

Materiais e métodos

Amostragem de táxons.

Foram amostradas 118 espécies de neognatas neste estudo, representando todas as 35 ordens de Neognathae. Além disso, amostramos seis espécies de paleognatos e uma espécie de crocodilianos como grupos externos ( Dataset S1 ). Baixamos genomas anotados de 124 espécies do NCBI, Ensembl e GiGa. Além disso, conduzimos o sequenciamento completo do genoma de novo para o acentor de peito ruivo ( Prunella strophita ).

Amostragem Genética.

Identificação de CDS ortólogo.

Para identificar sequências CDS ortólogas entre espécies, aplicamos as sequências de cDNA da galinha como uma consulta contra as sequências de cDNA das 124 espécies restantes usando o programa OrthoFinder (v2.3.12) com um valor de corte E de 1e-10 ( 51 ) . Em seguida, filtramos os ortólogos candidatos com mais de 25 espécies ausentes e/ou menos de 100 pb no comprimento da sequência. Como resultado, um total de 5.756 CDS foram retidos para análise posterior.

Identification of orthologous introns.

We extracted intron sequences of the 5,756 genes from the genome of each sampled species according to the annotation files using a custom script written in Perl. Due to considerable variation in the intron number and length of orthologous genes across species, we performed blast searches using the intronic sequences of every chicken gene as a query to blast against the intron sequences of the same orthologous genes from each of the remaining 124 species with an E-value cutoff of 1e−10 (52). For genes having multiple introns, we ran blast searches for each of the intronic sequences against those of the same orthologous genes across species and selected the one with maximum species coverage. We filtered out those orthologous intronic sequences with more than 25 missing species and/or less than 100 bp in sequence length. A total of 4,871 orthologous introns were retained for this study.

Identification of orthologous intergenic segments.

O genoma da galinha foi usado como referência para identificar novos marcadores intergênicos não codificantes entre espécies para este estudo. Identificamos marcadores intergênicos baseados em autossomos e em ambos os cromossomos sexuais (Z e W) e excluímos o DNA mitocondrial. Primeiro aplicamos um script personalizado escrito em R para extrair sequências intergênicas não codificantes do genoma da galinha com base no arquivo de anotação. Em seguida, cortamos as sequências intergênicas extraídas em segmentos com comprimento de aproximadamente 1.000 pb. Para identificar ortólogos de marcadores intergênicos entre espécies, realizamos pesquisas blastn usando os segmentos intergênicos obtidos da galinha contra os genomas das 124 espécies restantes com um valor de corte E de 1e-10. Filtramos os ortólogos de segmentos intergênicos com mais de 25 espécies ausentes e/ou menos de 100 pb no comprimento da sequência. Como resultado, um total de 2.384 marcadores intergênicos foram retidos para este estudo.

Identificação de CNEEs ortólogos.

Baixamos CNEEs ortólogos de sete táxons aviários depositados em Dryad ( https://doi.org/10.5061/dryad.fj02s0j ) ( 53 ), todos incorporados neste estudo, incluindo frango, kiwi marrom okarito, kiwi manchado, kiwi malhado, ema maior, avestruz comum e tinamou de garganta branca. Para identificar CNEEs ortólogos entre espécies, conduzimos pesquisas blastn usando sequências de CNEE de galinha como uma consulta ao genoma de cada uma das 118 espécies restantes com um valor de corte E de 1e-10. Além disso, usamos as sequências CNEE do kiwi manchado e da ema como uma consulta para explodir os genomas de cada uma das 118 espécies restantes, respectivamente, em um esforço para coletar números suficientes de sequências CNEE ortólogas desses genomas alvo. . Também filtramos CNEEs ortólogos com mais de 25 espécies ausentes e/ou menos de 100 pb em comprimento de sequência. Como resultado, identificamos um total de 12.582 CNEEs para análise posterior. Além disso, realizamos uma pesquisa blastn para usar as sequências CNEE da galinha como uma consulta contra os segmentos intergênicos da galinha com um valor de corte E de 1e-10. Encontramos 133 sequências CNEE relacionadas a segmentos intergênicos. Como os segmentos intergênicos são uma fonte primária de dados para este estudo, excluímos essas 133 sequências de CNEE dos dados do CNEE e retemos 12.449 sequências de CNEE.

Disponibilidade de dados, materiais e software

A montagem do genoma de Prunella strophita foi depositada no National Genomics Data Center ( //db.cngb.org/ ) sob o número de acesso CNP0002307 ( 54 ). Os dados de alinhamento de CDS, CNEE, íntrons e segmentos intergênicos utilizados neste estudo foram depositados no Figshare sob o número de acesso https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21499230.v1 ( 55 ). Fornecemos detalhes adicionais sobre sequenciamento do genoma de novo, análise filogenômica, análise de datação molecular, pontos de calibração de fósseis, teste de fluxo gênico antigo, análise de taxa de diversificação e análise de correlação da diversidade taxonômica no Apêndice SI .

Agradecimentos

Agradecemos a dois revisores anônimos por seus comentários úteis, S. Song, Y. Zhang e C. Cannistraci pela assistência técnica, e X. Cui pelo fornecimento do desenho. Agradecemos também ao Centro Nacional de Supercomputadores de Tianjin e ao Georgia Advanced Computing Resource pelo suporte computacional. Este trabalho foi apoiado por fundos da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (Grant 32020103005 para YQ e SW; Grant 31772441 para SW e FER) e pelo Desenvolvimento do Programa Acadêmico Prioritário de Instituições de Ensino Superior de Jiangsu.

Author contributions

S.W., S.V.E., Z.Z., and L.L. designed research; S.W., L.Z., Y.Q., S.V.E., Z.Z., and L.L. performed research; Y.Q. contributed new reagents/analytic tools; S.W., F.E.R., J.Z., J.W., C.Q., Z.L., M.W., F.W., Y.Q., S.V.E., Z.Z., and L.L. analyzed data; S.W. conceived of the idea; F.E.R., S.V.E., Z.Z., and L.L. contributed to the writing and discussion; and S.W. wrote the paper.

Competing interests

The authors declare no competing interest.

Supporting Information

Appendix 01 (PDF)

Download
8.10 MB

Dataset S01 (XLSX)

Download
18.76 KB

Dataset S02 (XLSX)

Download
18,51KB

Conjunto de dados S03 (XLSX)

Download
12,22 KB

Conjunto de dados S04 (XLSX)

Download
11,93 KB

Conjunto de dados S05 (XLSX)

Download
69,72KB

Referências

S. Hackett et al., Um estudo filogenômico de aves revela sua história evolutiva. Ciência 320 , 1763–1768 (2008).

segunda-feira, 7 de outubro de 2024