荚蒾属全球分化期的地理运动和生物群变化的联合系统发生评估

文章信息

摘要

系统发育、分子序列、化石、生物地理学和生物群落占据都是反映一个分支的单一进化历史的证据，但它们通常是单独研究的，首先推断化石日期的分子系统发育，然后绘制祖先范围以及从现存物种推断的生物群落。在这里，我们共同模拟生物地理范围、生物群落亲和力和分子序列的进化，同时结合化石来估计木本植物分支荚蒾属（Adoxaceae）所有163个现存物种的过时系统发育，我们目前在我们正在进行的全球专题论文中认识到这些物种组的方法。分析表明，虽然主要的荚蒾属植物谱系在始新世进化，但大多数现存物种起源于中新世。荚蒾属植物首先在亚洲温暖的常绿阔叶林中辐射。在亚洲，我们推断有几次早期转变为更多的热带森林，以及多次转变为经历长期冰冻的森林。从亚洲，我们推断出两次进入新世界的早期运动。这两个谱系可能首先占据暖温带森林，后来适应了寒冷的气候。其中一个谱系（Porphyrotinus）占据了云林，并向南穿过新热带地区的山脉。最近，在旧世界对冰冻的适应的推动下，最近发生了几次进入北美的运动。我们还推断出亚洲和欧洲之间的四个分歧：天努斯谱系是最古老的，在传播时可能占据温暖的森林，而其他三个谱系则较晚近，属于适应寒冷的谱系。这些结果与已发表的报道不同，特别是荚莲属植物最初在寒冷的森林中辐射，因此保持具有阶梯状穿孔的容器元件的观点。我们探讨了化石的位置和生物群落分配如何影响我们对祖先地区和生物群落状态的推断。我们对含有化石生物群落数据的结果很敏感，但并不完全依赖于此。利用所有可用的证据来破译遥远过去的事件是至关重要。即使化石证据有限，这里开发的联合估计方法也提供了谨慎的希望。

关键词：系统发育、生物地理学、生物群落、花粉化石、综合证据

引言

对生物体现代分布的令人信服的历史解释很少见。这是因为它们至少需要：（1）对相关物种的综合样本（系统发育成分）进行令人信服的系统发育处理；(2)结合化石来评估事件的绝对时间（时间成分）；(3)历史生物地理学分析，识别并解释地理分离（空间成分）；(4)有关所考虑物种所占据的环境的信息（生态成分）。使用定量系统发育模型，最近的许多研究从过时的系统发育、地理推论和生物群落重建的比较中提取了重要的见解（例如，Weeks等人，2014年；Meseguer等人，2015年；Cardillo等人，2017年；Gagnon等人，2019）。总体而言，对这些组成部分的分析是按顺序进行的：首先从序列数据推断物种关系，然后用化石对树进行时间校准，并使用标有时间的树分别推断进化过程中的地理运动和生物群落变化一个进化枝的。通过顺序分析，按照设计，在后期阶段做出的进化推论不能影响分析序列中早期做出的推论。

仅分子和形态学证据就足以推断分析第一阶段的系统发育关系或分歧时间。但也许并不总是如此，因为从证据的角度来看，化石的形态特征可能太少，无法在分析的第一个（系统发育）阶段安全地定位它，导致化石在生物地理学或生态分析的后期阶段被遗漏。也就是说，系统发育上未解决的化石仍然表明至少一个祖先谱系与特定地区或生物群落相关，即使不确定该谱系在系统发育中到底属于哪个位置。在这种情况下，化石提供的时间、地理和生态证据不仅可以为祖先状态的估计提供信息，而且还有助于化石本身的系统发育定位。

在这里，我们实施了一种方法，联合模拟分子序列、化石、地理范围和生物群落亲和力的进化，以共同为进化推论提供信息。从概念上讲，我们的方法是“组合证据”范式（Nylander等人，2004）的生物地理学变体，该范式经常用于“尖端约会”系统发育（Pyron，2011；Ronquist等人，2012），但我们不这样做相信之前已经探索过。我们的综合证据策略有利于在系统发育、时间、生物地理和生态组成部分之间保持和谐的进化历史，同时不利于那些具有不和谐组成部分的进化史。

我们在这里要解决的具体问题是荚莲属植物（Adoxaceae，Dipscales），一种广泛分布的被子植物谱系，由大约163种灌木和小乔木组成，如何辐射到它今天所占据的地理范围和生物群落。荚莲属植物非常适合此类推理问题有几个原因。首先，我们对其进行了全面采样，并组装了多个分子（例如，cpDNA：Clement等人,2014；RAD-seq：Eaton等人,2017）和形态学数据集（参见补充1），包括性状和与生物地理学和生物群落占用相关的气候变量（例如，Schmerler等人，2012；Weber等人，2012；Chatelet等人，2013；Edwards等人，2014；Scoffoni等人，2016；Edwards等人，2017；Spriggs等，2018；Sinnott-Armstrong等，2020）。其次，荚莲属植物体现了植物、真菌和动物中常见的北半球分离（例如，Wen，1999；Milne，2002；Donoghue和Smith，2004；Milne和Abbot，2006），以及热带、暖温带和寒带森林生物群落之间的转变。（例如，Donoghue和Edwards，2014），我们的结果解决了进化生物学家、生物地理学家和生态学家长期以来感兴趣的问题（图1；补充1）。第三，我们和其他人发表了关于荚莲属植物辐射的文章（例如，Winkworth和Donoghue，2005；Moore和Donoghue，2007、2009；Clement和Donoghue，2011；Clement等人，2014；Spriggs等人，2015；Lens等人）等,2016），因此我们的分析为最近提出的和强烈对比的假设提供了关键测试。一方面，有人认为荚蒾属植物起源于热带森林，而今天存在于这些森林中的少数物种是热带历史深处的“垂死余烬”（Spriggs等人，2015）。另一方面，有人假设荚蒾属植物起源于经历了长期冰冻的寒冷森林，并且后来才传播到热带环境中（Lens等人，2016）。

图1 Viburnum在六个地区和四个生物群落中的全球多样性。东南亚（洋红色）、东亚（红色）、欧洲（绿色）、北美（黄色）、中美洲和墨西哥（青色）以及南美洲（蓝色）的区域用彩色多边形标记。

然而，除了这个案例的细节之外，我们希望这里介绍的方法能够阐明一个重要的观点。必须承认，推断古代事件是一项艰巨的任务，而且在许多情况下，结果充其量也是微不足道的。鉴于对现存物种的研究存在明显的局限性，而且化石也很少（如果有的话），如果我们希望得出可靠的答案，就有必要整合所有可用的证据来源。多种证据的一致性可能使我们有机会令人信服地支持某些假设而不是其他假设，即使在表面上看起来毫无希望的情况下也是如此。

材料和方法

分析概述

我们的主要目标是估计163个现存荚蒾属植物物种和5个化石标本的系统发育拓扑、时间校准的谱系分裂事件、生物地理历史和生物群落转变历史的联合分布。为此，我们采取了两阶段的方法。在第一阶段，我们估计了荚蒾属植物的树形拓扑使用系统发育串联方法对118个物种的RAD-seq数据进行分析。在第二阶段，我们估计了绝对分歧时间、祖先范围和祖先生物群落，同时要求所有163个现存物种关系与第一阶段的99%多数规则共识树一致。为此，我们共同模拟了生物地理范围、生物群落亲和力和十个分区的分子位点（9cpDNA和nrITS），用于估计节点年龄和任何模棱两可的物种关系。约会信息通过5个化石事件进入模型，这些化石是由化石的出生-死亡过程生成的，并通过对荚莲属植物的茎年龄进行二次校准。基于形态学的进化枝限制还施加于化石类群和未测序的现存物种（补充4、5）。

我们方法的第二阶段的灵感来自于基于形态的综合证据（Nylanderetal.2004）和尖端年代测定（Pyron2011，Ronquistetal.2012）分析，以及基于化石的生物地理学祖先状态重建（Maoetal.2012）。al.，2012；Wood等，2012）和生物群落占用（Betancur等，2015）。推定年代和基于化石的祖先状态估计都将化石类群作为系统发育中的叶节点。我们不是首先估计现存和化石类群的系统发育，然后估计祖先范围和生物群落亲缘关系，而是直接将生物群落和生物地理数据作为使用RevBayes的综合证据提示约会练习的一部分（H?hna等，2016）。这意味着我们的每个联合后验样本都代表了一个内部一致的进化场景，该场景可能在我们的生成模型下展开以产生我们收集的证据。

第一阶段：RAD-seq拓扑估计。我们使用本研究中新测序的RAD数据结合先前研究的数据估计了荚莲属植物树的拓扑结构（(Eaton等人,2017），基因组数据的分类群数量几乎翻了一番，从64个增加到127个（补充2）。这些新测序的物种填补了许多分支的采样空白。此外，我们还添加了一个主要分支（Mollotinus：V.ellipticum、V.molle）的代表，将新热带Oreinotinus分支的采样从4个物种增加到25个物种，并纳入了9个外类群物种。原始RAD-seq数据已提交给NCBISRA，项目编号为PRJNA605569。补充2详细介绍了如何生成原始RAD-seq数据以及如何使用ipyradv.0.7.13（Eaton2014）组装它们。

使用RAxML在串联GTR+Gamma模型下推断出127个荚蒾属植物和外群物种的RAD-seq拓扑（Stamatakis，2014）。然后从估计的树中修剪外群物种，以产生约163个（72%）荚蒾属物种中的118个物种的拓扑。具有模棱两可的bootstrap支持(p<0.99)的节点被折叠成多部分，从而形成第2阶段使用的RAD-seq主干拓扑。

第二阶段：联合贝叶斯宏观进化推理。我们构建了一个系统发育模型来共同估计物种关系、分歧时间、化石年龄、生物地理历史和生物群落变化。下面，我们首先描述第二阶段使用的数据，然后描述宏观进化模型的组成部分。

使用约163个现存物种中的153个(94%)的分子序列来估计35个不受拓扑限制的谱系之间的物种关系，并估计宽松时钟模型下的所有系统发育分歧时间。为此，我们组装了先前发布的138个现存荚莲属植物的九个叶绿体基因（matK、ndhF、petBD、psbA、rbcL、rpl32、trnC、trnK和trnSG）和一个核核糖体标记(ITS)的序列。然后，我们用从现场提取的新序列替换了源自植物标本室或植物园标本的34个序列我们收集的标本。此外，我们对本研究中15个先前未测序的物种进行了测序，使这些数据的物种总数达到153个。最终的矩阵包含22.6%的缺失细胞。第1阶段RAD-seq数据集中的所有分类单元也都包含在第2阶段cpDNA数据集中。序列在Muscle中对齐，然后根据需要在AliView中手动调整。序列登录号在附录3中给出。

对所有163个现存物种和5个化石标本的地理区域和生物群落亲和力进行了评分。所有物种范围都被编码到六个离散区域中的一个或多个：东南亚、东亚、欧洲、北美、中美洲和南美洲。这些地区旨在反映分布在北半球（劳亚分布）的植物进化枝的主要特有中心，但我们忽略了北美西部，因为只有一种荚蒾属植物（V.ellipticum）是该地区特有的。我们将亚洲细分为东部和东南部地区，以反映荚蒾属植物的特有模式，特别是东南亚（越南、马来西亚、印度尼西亚和菲律宾）的一些谱系的分布。我们将新热带地区细分为中美洲（和墨西哥）和南美洲，既反映了中新世之前南美洲的孤立状态，也评估了南美洲被占领的模式和时间。

根据Edwards等人的研究，物种被指定为四种中温森林生物群落类别中的一个或多个亲缘关系(2017)：热带/亚热带(T)、暖温带（即叶绿素）(W)、冷温带(Co)和/或云雾林(Cl)。热带森林的季节性有限（即全年温度和降水量保持相对稳定且较高）。暖温带森林的特点是面积更大的季节性（温暖/湿润季节与凉爽/干燥季节），但没有经历长期冰冻期，并且以常绿阔叶树为主。相比之下，冷温带森林经历的一个季节，温度通常会在一个或多个月内降至冰点以下，并且以针叶树和落叶被子植物为主。云林出现在热带/亚热带纬度的山地地区，其特点是树冠层经常有云层覆盖。他们可能而且经常经历有限的季节性和每日较大的温度波动，但不会经历长时间的冰冻季节。

大多数类群都针对单一生物群落类型进行编码，但有两组例外。首先，分布在东亚和/或东南亚的14个生物物种在暖温带国家和冷温带国家(W/Co)方面的编码不明确。其次，我们通过参考古植物区系的描述和可用的古气候分析，将生物群落亲和力分配给五个化石类群（例如，Moss等人，2005年；Greenwood等人，2010年；Denk等人，2011；扎博拉克-里德和利奥波德，2016；见补充材料5）。对于其中四块化石来说，古植物组合意味着其所居住的森林与现代暖温带森林最相似。只有与最年轻的化石（来自中中新世的冰岛标本）相关的古植物群，除了暖温带物种之外还包含大量冷温带元素，因此被编码为暖温带或冷温带（W/Co）不明确。

我们使用RevBayes(H?hna等人,2016)对所有第2阶段荚蒾属植物数据进行联合贝叶斯分析，其中包括分子cpDNA+ITS序列、RAD-seq拓扑约束、生物地理数据、生物群落数据和使用综合证据框架的化石数据（Nylander等人，2004年；Pyron，2011年；Ronquist等人，2012年）。

联合证据分析通常整合分子和形态学数据（Nylander等，2004），我们整合分子、生物地理和生物群落数据。我们使用石化的出生-死亡过程（Heathetal.,2014）对谱系多样化进行建模，并以71Ma（52.7–85.74Ma；Bell&Donoghue2005）为中心的截断正常干龄。分子序列按基因座划分（Nylander等，2004）并连接，每个基因座在GTR+Gamma取代模型下进化（Tavare，1986；Yang，1994）。使用DEC(Reeetal.2005)和时间分层模型(Ree&Smith2008)对历史生物地理学进行建模，并通过古地理扩散图了解扩散率(Landis2017)。使用具有四种状态的无约束速率矩阵对生物群落变化进行建模。三个独立的全球时钟模拟了分子替代事件、生物地理事件和生物群落转移事件的速率。使用均值1速率乘数进一步放宽跨分区和跨分支的分子钟速率。所有参数的先验通常被选择为信息较弱或对参数值设置更高的密度，从而将复杂的模型简化为简单的模型。使用马尔可夫链蒙特卡罗(MCMC)估计后验。补充6更详细地描述了模型和MCMC分析设置。用于执行分析和生成图形的带注释的RevBayes脚本可在http://github.com/mlandis/vib_div上找到。

在估计后验时，我们限制了我们的分类单元的三个子集的系统发育关系，每个子集都需要不同的理由和假设。不遵守指定进化枝约束的系统发育不会在后部进行采样。首先，我们应用了主干约束，要求RAD-seq拓扑中存在所有高度支持的关系（即引导支持≥99的分支。

其次，我们对五种化石施加了进化枝限制。根据曼彻斯特及其同事的研究（例如，曼彻斯特，2002年；曼彻斯特等人，2002年），我们拒绝了之前归属于荚蒾属植物的所有叶子化石，而是纳入了花粉粒化石。荚蒾属植物的花粉外壁有三种形式（Donoghue，1985）：Ia型颗粒有规则的网状结构，网状结构在小柱上升高，并且有psilate（光滑）muri（Donoghue，1985；图版I-IV）；Ib型颗粒具有连续的网状结构，如Ia所示，但具有规则的粗糙（凹凸不平）muri（Donoghue，1985，图VI）；Ic型颗粒具有完整的、网状的外壁，并具有粗糙的菌毛（Donoghue，1985，图版VII）。

Donoghue(1985)假设荚蒾属植物花粉从Ia进化到Ib再到Ic，这在随后的系统发育分析中得到了证实(e.g.,WinkworthandDonoghue,2005;Clementetal.,2011,2014;Spriggsetal.,2015)。Ib型外壁（具有scabratemuri）被推断为沿着Valvatotinus分支进化，而Ic型（具有scabratepili）被推断为在Lentago分支和Euviburnum分支内独立于Ib型进化。我们的两个花粉粒化石——一个来自不列颠哥伦比亚省（Manchesteretal.,2015），一个来自科罗拉多州的弗洛里森化石床（Bouchal,2013）——具有祖先外壁形态（Ia型）；这些可以有一定的信心分配给整个荚蒾属植物，虽然我们不能将它们分配给任何特定的分支，但我们禁止将它们分配给以Ib或Ic型为特征的分支。来自欧洲巴黎盆地（Gruas-Cavagnetto，1978）和加拿大西北地区（McIntyre，1991）的花粉粒似乎具有Ib型外壁，因此被限制为属于Valvatotinus，但被禁止加入两个以外壁类型Ic为特征的分支。最后，来自冰岛的中新世花粉（Denk等人，2011）属于Ic型，因此有两个可行的拓扑位置。我们因此设计了专门的“非此即彼”进化枝约束，要求化石放置满足Lentago+Iceland或Euviburnum+Iceland进化枝约束。

第三，我们约163种现存的荚蒾属植物物种中，有10种目前尚未测序。我们根据形态特征对这些物种的放置进行了不同的限制。正如对化石花粉粒所描述的那样，在一些情况下，基于形态，禁止在一个分支内进行特定的放置。补充4中提供了这些限制的详细信息。

任何不受约束的物种的系统发育关系都是从其分子、生物地理和生物群落特征矩阵推断出来的。虽然5个化石类群和10个未测序的活体类群没有分子特征，但它们的生物群落和生物地理学特征为某些相对于其他类群的系统发育关系提供了支持，因此它们的系统发育位置并不是简单地从先前的情况中得出的。

第二阶段分析在受约束的时间校准系统发育上产生联合后验分布，以及祖先范围估计、祖先生物群落估计和模型参数，所有这些都以分子、生物地理学、生物群落和化石证据的组合为条件。我们通过四种方式应用第二阶段的分析：首先，使用一个完整的数据集，该数据集结合了如上所述的当前可用的所有证据；其次，使用Masked数据集将化石类群的所有生物地理学和生物群落特征设置为完全模糊（“？”）；第三，对于完整数据集和蒙版数据集，将四种生物群落状态重新编码为两个生物群落状态：非冰冻（热带、云、暖温带）和冰冻（冷温带）生物群落；第四，通过评估由于化石回收率中可能存在的生物群落相关偏差而导致的根状态估计的敏感性（如下所述）。

祖先状态估计

在MCMC采样期间，定期对祖先状态和随机映射进行生物地理范围和生物群落亲和力采样（Huelsenbeck等，2003）。每个祖先状态和随机映射样本对应于后验树样本。我们使用最大进化枝可信度（MCC）拓扑总结祖先状态估计。由于分支发生变化，节点的祖先范围估计可能具有不同的祖先和子代状态，因此我们定义了比生物群落估计更严格的节点匹配规则，并且仅当节点及其两个子节点出现在MCC拓扑。

我们还将祖先状态估计呈现为状态频率随时间（SFTT）图。SFTT图总结了在时间t时存在于状态i的谱系比例，同时对拓扑、发散时间和随机映射的后验分布进行平均。SFTT图的生成方式如下。对于每个后验样本，我们解析其随机映射，以记录100Ma和现在之间每1Myr时间的每个可能的生物群落区域状态对（6×4=24个状态）中的谱系数量。然后，在每个间隔内，我们计算跨生物群落状态的谱系频率（假定它们存在于特定区域（每个生物群落SFTT））以及给定特定生物群落亲和力的跨区域谱系频率（每个生物群落区域SFTT））。

未显示从少于510个样本的时间段估计的频率，即，太少的样本以概率0.95估计真实多项式频率±0.05范围内的所有状态频率（Thompson，1987）。请注意，没有采样后代的谱系对SFTT图没有贡献。虽然我们已经实现了（据我们目前所知）完整的现存分类单元采样，但我们的五个化石分类单元肯定不足以代表历史上荚莲属植物的多样性和变异。为完整数据集和屏蔽数据集生成了SFTT图，以衡量化石状态对历史推论的影响。

生物群落根状态估计的敏感性。所有五个荚莲属植物花粉化石标本均取自古植物群，我们认为这些古植物群与现代暖温带生物群落严格或部分相似，而没有任何化石与热带或云林生物群落相关。由于所有五块化石也都是从北美和欧洲地区采样的，埋藏学或采集偏差可能会扭曲我们的化石类群中所代表的祖先生物群落。我们期望我们的化石生物群落评分能够为我们对荚蒾属植物最近的共同祖先（根生物群落状态，Xroot）的祖先生物群落估计提供信息，但是这个结果对于新的系统发育证据的发现有多可靠？特别是，我们感兴趣的是需要多少“缺失数据”（例如来自未采样的化石）来支持替代根状态以支持冷温带根状态。为了衡量这一点，我们开发了一种敏感性测试，以受控方式操纵生物群落根状态频率的先验概率。有效调整根状态先验让我们指定希望引入多少缺失证据（或缺失数据，Xmiss），以支持冻结（Co）或非冻结（T、W、Cl）根状态估计，而无需模拟数据。我们通过将冷温带根状态概率设置为0.01、0.02、0.05、0.10、0.25、0.40、0.60、0.75、0.90、0.95、0.98和0.99来校准缺失数据量，并设置根状态先验为其余三个生物群落状态等于(1/3)(1–Pr(Xroot=Cold))。然后，我们评估后根状态估计如何响应完整数据集和屏蔽数据集的不同数量的缺失数据。

生物群落区域转变图。我们计算每个有序的生物群落区域对之间任何谱系转变的后验平均次数。转换类型后验均值小于1的将被滤除。然后，我们绘制生物群落区域对（节点）之间的后验平均转变数（箭头）。

结果

系统发育

已测序分类群之间推断的物种关系如补充8所示（图S1）。我们根据RAD-seq数据估计的118个荚蒾属物种的第一阶段拓扑显示为MCC拓扑（图S1A）。与Eaton等人获得的RAD-seq树几乎完全一致。(2017)适用于65种荚莲属植物。然而，我们注意到，克莱门氏弧菌的确切位置尚不清楚。伊顿等人。(2017)基于之前的研究，主要使用cpDNA数据和接骨木属物种作为外群，将树沿着V.clemensiae分支扎根（例如，Donoghue等人，2004年；Winkworth和Donoghue，2004年；Clement等人，2011年）。在目前的分析中，依赖于9个外群物种的RAD-seq数据（未显示），V.clemensiae的位置是模棱两可的，因此崩溃了。它要么是所有其他荚莲属物种的姐妹（根据Eaton等人，2017年和之前的研究），要么在同样低的支持度下，是包含Urceolata、Pseudotinus、Crenotinus和Valvatotinus进化枝的大进化枝的姐妹（如图S1B）。我们没有恢复由Lens等人获得的V.clemensiae的弱支撑(pp=0.58)位置。(2016)基于4个cpDNA标记、ITS序列和外群（即，包括除Valvatotinus之外的所有荚莲属植物在内的进化枝的姐妹）。与Eaton等人相比，树拓扑还有其他更小的差异。(2017)和其他先前的分析(Winkworth等人，2005；Clement等人，2011，2014；Spriggs等人，2015；Lens等人，2016)在补充7中进行了描述。所有第2阶段分析均经过估计同时受到那些具有>98%引导支持的第一阶段关系的限制。图S1B显示了具有RAD-seq和/或叶绿体DNA序列的153个物种的第2阶段MCC拓扑（即10在构建MCC拓扑之前，从每个后样本中过滤出未测序的、现存的和5个化石荚莲属植物类群）。按照设计，这与RAD-seq主干树完全一致（图S1A），但这里根据cpDNA和ITS序列解析了约43个其他物种关系（有时支持很差）。

所有168个尖端（163个现存荚蒾属物种加5个化石）的系统发育关系如图2所示。由于我们缺乏10个现存类群和化石的分子数据，它们表现得像流氓类群，从而与图2相比削弱了进化枝的支持。S1B（威尔金森，1996）。也就是说，我们看到对沿着Porphyrotinus茎放置两块化石（来自不列颠哥伦比亚省和科罗拉多州）的支持高于预期（pp=0.37和0.55）；这反映了他们的年龄、在北美的存在以及暖温带生物群落的亲和力。另外两块化石（来自巴黎盆地和西北地区）沿着Valvatotinus的茎放置。我们的分析支持冰岛花粉化石位于北美Lentago进化枝内，沿着V.nudum/V.cassinoides分支，而不是位于Euviburnum内的替代位置（基于外壁形态）。

年代测定

图2显示了95%最高后验密度(HPD95)的分歧时间估计。看来大多数主要荚莲属植物谱系在始新世末期已进化（即V.clemensiae、Pseudotinus、Urceolata、Euviburnum、Punctata+）Lentago、V.amplificatum、Lutescentia、Solenotinus、Tinus、Porphyrotinus、Opulus和Laminotinus）。Mollotinus与Dentata+Oreinotinus的分化，Punctata与Lentago的分化，以及Coriacea、Sambucina、Lobata和Succotinus进化枝的分化可能发生在渐新世。无论如何，荚蒾属植物的大部分多样化发生在中新世以后。Spriggs等人确定的三种重要辐射。（2015），于Succotinus、Oreinotinus和Solenotinus正在中中新世中期发生，尽管这些分支中的大多数物种形成发生在过去5Myr内（Succotinus中14/25事件，Oreinotinus中23/34事件，以及Solenotinus，不包括未测序的类群）。总体而言，我们估计荚蒾属植物中73%(122/167)的可验证（即未被灭绝掩盖）物种形成事件发生在过去12Myr内，45%(75/167)发生在过去5Myr内。任何荚蒾属植物谱系预计大约每7密尔就会分裂（物种形成），每11 Myr就会灭绝（后平均出生率为0.143，灭绝率为0.091）。

图2 Viburnum分歧时间估计。MCC拓扑包括来自完整数据集的所有168个分类群。后验概率≤0.99的分支被注释（阴影标记），而后验概率≈1.0的分支则没有注释。蓝色节点条表示95%的高后验密度年龄估计值。化石分类群的红条代表化石年龄的不确定性。未测序的现存分类群的分类标记为灰色。

生物地理学

我们基于全面分析对祖先范围的重建如图3所示。虽然结果对于荚莲属植物的基部是模棱两可的，但我们注意到，我们发现仅东亚或东亚加东南亚的支持率最高，而且非常支持。当时对荚莲属植物在新大陆的存在的支持有限。古新世存在的几个主要分支的祖先也被推断存在于东亚。

图3 根据完整数据集估计的Viburnum祖先范围。节点颜色对应于范围状态（图例）。每个节点只报告三个最可能的范围状态，而所有不太可能的状态都分组在“…”标签下，颜色为灰色。A）最接近的范围和最接近的区域的范围概率在带有节点图的网络上进行了标记。非序列分类群的分类标签是灰色的。B）相同六个后验样本的随机映射的子样本，如图4所示。

到了古新世晚期或始新世早期，我们看到了Porphyrotinus分支迁移到北美的证据，很可能是从东亚迁移的。该谱系从北美两次传播到新热带山区：（1）Mollotinus分支的V.australe现在仅限于墨西哥东北部的几个地区；(2)Oreinotinus分支约有36个物种，已向南传播至阿根廷北部。Oreinotinus辐射似乎在中新世中期开始于墨西哥东部，然后向南移动，其中一个谱系在5-12Ma进入南美洲。主要基于来自西北地区的花粉化石，我们还看到始新世在北美洲建立了Valvatotinus谱系，尽管现存的LentagoValvatotinus内的新世界分支可能直到始新世末期才出现在北美。如今，北美东部有7个物种，墨西哥有1个物种(V.elatum)，向南延伸到恰帕斯州(Spriggs等人,2019a,b)。

我们的结果表明，最近还有其他四次活动进入北美。Pseudotinus和Lobata分支可能在中新世中期进入，今天它们在北美东部分别以V.lantanoides和V.acerifolium为代表。荚莲属植物与东亚物种密切相关，我们推测其祖先很可能通过白令陆桥进入北美。Viburnumacerifolium是格鲁吉亚高加索山脉的东方V.orientale的姐妹，因此它有可能跨越北大西洋进入（Denk等，2011）。Opulus分支的重建更为复杂，但我们更喜欢涉及两个分离的解释：（1）在核心Opulus分支中，V.trilobum谱系可能在15Ma之前进入北美（从亚洲或欧洲）；(2)V.edule和V.koreanum之间，它们今天横跨白令海峡，并且可能在过去4Myr内分离。

荚莲属植物的其余多样化发生在旧大陆，主要是东亚，但也有几次扩展到东南亚。具体来说，今天的东南亚被早期分支的V.clemensiae和V.mplificatum（两者都来自婆罗洲）、从中国南部到印度西高止山脉的Punctata分支、Lutescentia分支的几种物种以及所有成员所占据。Sambucina+Coriacea进化枝，除了V.ternatum（延伸至中国中部）。

四个分支在欧洲有一个或多个物种，并且在每种情况下都推断这些物种源自亚洲祖先。天努斯谱系似乎已经进入欧洲。首先，可能是始新世末或渐新世初。荚莲属植物广泛分布在地中海地区（包括北非），可能产生了两种岛屿特有种：加那利群岛的V.rugosum和亚速尔群岛的V.treleasei（Moura等，2015）。在Lobtata内，V.orientale的祖先可能在大约10Ma时进入欧洲，欧洲V.opulus和亚洲V.sargentii之间的分裂可能发生在过去5Ma内。最后，在Euviburnum中，两个欧洲物种（V.lantana和V.maculatum）与其亚洲近亲V.burejaeticum拥有1-2Ma的共同祖先。

生物群落

我们的祖先生物群落重建如图4所示。通过相当大的统计确定性(pp=0.93)，我们推断荚莲属植物首先占据了暖温带（绿叶）森林，并在始新世的这些森林中实现了多样化。可能有两次或更多次转变为热带（即较少季风）森林，特别是在V.clemensiae和V.ampificatum谱系中。Punctata谱系和Coriacea+Sambucina进化枝进入更多的热带森林可能始于渐新世。当我们掩盖化石生物群落状态时，对暖温带起源的支持仍然受到青睐（图S4）。

图4 从完整的数据集估计的Viburnum祖先生物群落。节点的颜色对应于森林生物群落的亲和状态（图例）。A）最接近的范围和最接近的区域的范围概率在带有节点图的网络上进行了标记。非序列分类群的分类标签是灰色的。B）相同六个后验样本的随机映射的子样本，如图4所示。

无论我们是使用四个（图4）还是两个（图S5）生物群落对栖息地偏好进行编码，几乎没有证据表明荚莲属植物首先在冷温带森林中多样化。相反，似乎存在从暖温带森林到冷温带森林的多次转变。这些转变中最早的，可能是在始新世晚期，发生在两个分支（Opulus和Pseudotinus）中，这两个分支如今占据了所有荚莲属物种中气候最寒冷的地区（Edwards等人，2017年；Park和Donoghue，评论中），包括北方森林北美（例如V.edule、V.trilobum和V.lantanoides）、欧洲（V.opulus）和亚洲（V.koreanum、V.sargentii）。许多额外的向冷温带森林的转变似乎发生在渐新世或早中新世期间。这些在Lentago、Euviburnum、Solenotinus、Mollotinus、Dentata、Lobata和Succotinus分支中可见。在亚洲，Succotinus（六个或更多）和Solenotinus（三个或更多）内有多个从暖温带森林到冷温带森林的推断过渡。唯一可能从冷温带转变为暖温带的谱系是北美的V.obovatum，并且没有谱系从冷温带转变为热带生物群落。目前尚不清楚新热带云林分支（Oreinotinus）是否起源于暖温带森林或冷温带森林的祖先。看来，Porphyrotinus分支在进入北美时占据了暖温带森林，并且该生物群落的占据（今天在北美分布有限）可能先于向北转移到冷温带森林和向云林转移至南方。

敏感性分析

使用所有四种生物群落状态并忽略蒙蔽数据集下假设的化石生物群落，生物群落根状态的后验概率对于是否有任何丢失的数据可能通知冻结根状态高度敏感（图S6）。当我们使用完整数据集将生物群落状态分配给化石类群时，当不存在会影响根状态估计的缺失数据时（pfair=0.25），冷温带森林的后支持可以忽略不计（pp<0.05）。冰冻生物群落根状态的可能性仍然低于任何非冰冻生物群落(pp<0.50)，直到有利于冰冻森林的缺失数据数量很高(pflip=0.82)。只有当我们假设任何缺失的数据都极度偏向于荚莲属植物的冷冻起源（psig=0.99）时，我们才能自信地估计这样的冷起源（pp>0.95）。

生物群落和生物地理学状态频率

重建的荚莲属植物谱系根据它们的年龄和它们占据的区域而居住在不同的生物群落中，所有这些都随着时间的推移而变化（图5）。50Ma或更早的谱系通常居住在暖温带森林中，特别是在整个北部地区，但没有新热带地区的代表性。35Ma至今，高比例的暖温带谱系转移到寒冷的森林，导致今天东亚和欧洲的暖温带谱系和冷温带谱系的比例相似，但比北美的暖温带谱系更冷（图5，左边）。当化石状态被掩盖时，新生代早期冷温带森林的占据要普遍得多（图S7，左）。在东南亚，我们看到可追溯到始新世的热带谱系比例较低但稳定，最近热带谱系的爆发始于大约20Ma（图5，左）。最古老的中美洲谱系（大约30Ma）可能不是热带地区，但到了15Ma，大多数中美洲谱系都适应了云林。南美洲的血统小于10Ma，并且只栖息在云雾森林中。

图5 根据完整数据集估计的Viburnum生物群落和生物地理学通过时间分类群的状态频率。左列中的子图报告了在特定区域内发现的具有采样后代的所有谱系在生物群落状态下的谱系频率。右栏中的子图相似，只是它们报告了给定特定生物群落状态的谱系的区域频率。后验样本太少而无法保证准确频率估计的时间仓被标记为空（见正文）。

历史上，大多数暖温带谱系发现于东亚和东南亚（图5，右）。我们发现北美暖温带代表性有所增加，在大约50Ma处达到峰值，并向现在下降。当化石生物群落状态被屏蔽时，该信号不存在（图S7，右）。尽管较古老的热带谱系主要发现于东亚，但东南亚热带多样性在50Ma后稳步扩展；从20Ma开始，东南亚热带多样性超过东亚（图5右）。在过去的50迈里，东亚和北美的冷温带谱系比例保持相当稳定（比例约为2:1）。云林谱系可能首先出现在北美洲，其次是中美洲，最近是南美洲。

生物群落区域转变

生物群落从暖温带森林向冷温带森林的转变很常见，最常发生在东亚，但也发生在北美（图6）。在我们的随机映射中，从冷到暖的转变要少得多。在寒温带生物群落中，从东亚到北美的扩散是最常见的。暖温带亚洲谱系产生了热带亚洲谱系。有一些从东亚到东南亚热带森林的过渡，但很少有相反方向的过渡。沿着通往Oreinotinus和Lentago分支的V.elatum的分支，生物群系转变为新热带云林，这些分支要么来自冷温带森林，要么来自暖温带森林，而不是来自热带森林。

图6 根据完整数据集估算的Viburnum生物群落面积过渡图。箭头表示通过对所有后验样本的随机映射进行平均，从一个区域生物群落状态到另一个区域生态群落状态的进化转换的平均数量。箭头宽度是根据相应类型转换的后验平均数进行分类的。未显示后部平均值小于1的过渡。透明的椭圆形对应于四个生物群落：亚热带（红色）、暖温带（绿色）、云（天蓝色）和冷温带（深蓝色）森林。实心节点对应于六个区域：东南亚（洋红色）、东亚（红色）、欧洲（绿色）、北美（黄色）、中美洲（青色）和南美洲（蓝色）。请注意，我们的模型假设转换涉及eitheran区域或生物群落的变化，但不是同时发生。

讨论

事件的时间安排

之前的几项研究已经推断出了荚莲属植物的绝对年龄。Bell和Donoghue（2005）利用Dipsacales内的四块化石得出结论，荚莲属植物茎谱系（即冠Adoxaceae内的第一次分裂）延伸到白垩纪晚期，即70至85Ma之间。使用属于Valvatotinus、Moore和Donoghue(2007,2009)的化石花粉推断荚莲属植物的显着年轻的树冠年龄为28Ma（HPD95，17至40Ma）。Spriggs等人使用相同的化石花粉，但大大扩展了分子数据集。(2015)发现更古老的始新世树冠年龄为55Ma（HPD95，46至73Ma）。基于来自中国的可疑始新世化石叶子（曼彻斯特等人，2002），Lens等人。(2016)报告了荚莲属植物的冠龄为56Ma（HPD95，50至61Ma）。斯普里格斯等人。(2015)还发现，使用来自古新世的有争议的荚莲属植物叶子将树冠推入了白垩纪晚期（约80Ma）。我们的结果基于最完整的物种样本和额外的花粉粒化石，与白垩纪晚期69Ma的估计一致（HPD95，56至80Ma）。总体而言，无论使用哪种时间校准方法，物种采样和额外化石的增加都稳步推迟了对王冠年龄的估计。也就是说，我们的研究是五个采用化石出生-死亡过程的研究中唯一的一个（Heathetal.,2014），这可能对我们的王冠年龄估计产生了独特的影响（Arcilaetal.,2015）。无论荚莲属植物冠的确切年龄如何，所有分析都认为大多数主要荚莲属植物谱系是在始新世分化的，并且大部分荚莲属植物的进化是从中新世开始发生的。

生物地理学

我们的生物地理学结果与之前对荚莲属植物的研究大致一致，但提供了更完整的说明。Winkworth和Donoghue(2005)基于几个叶绿体标记、nrITS和核基因WAXY的两个拷贝，对41个物种的未注明日期的树进行了简约(DIVA;Ronquist,1996)分析。他们得出结论，荚莲属植物起源于亚洲，旧世界和新世界之间有5-6个分离点。我们的分析与Winkworth和Donoghue(2005)之间的大部分差异源于其有限的物种采样。例如，由于他们不包括欧洲的V.tinus或V.opulus，因此他们只识别出亚洲和欧洲之间的两个分离点，而我们的分离点有四个。

Lens等人。(2016)使用97个物种的树分析了荚莲属植物的生物地理学，该树基于四个cpDNA标记和主要从Clement等人获得的nrITS序列。（2014）。他们得出了几个截然不同的结论。最重要的是，他们发现了从亚洲到北美的几次转变，随后在某些情况下又返回亚洲。相比之下，我们的分析发现多次进入北美，但随后没有返回。这些冲突反映了采样和物种产地的系统发育以及特定提示的评分的差异。例如，他们认为包括Opulus加Laminotinus（即Imbricotinus；Clementetal.,2014）在内的大型分支的共同祖先仅限于北美，这一推论受到以下因素的强烈影响：(1)不包括亚洲的V.sargentiiOpulus分支，以及(2)Lobata分支的非单系性，特别是北美V.acerifolium与其他亚洲分支的姐妹关系。RAD-seq数据非常有力地支持Lobata的单系性，这有效地屏蔽了V.acerifolium影响祖先区域重建。因此，我们推断Opulus+Laminotinus分支和Laminotinus分支的祖先都占据了亚洲，因此V.acerifolium较晚才进入北美。同样，我们将V.punctatum（及其东南亚姊妹种V.lepidotulum）作为Lentago分支的姐妹（另见Eaton等，2017）使我们能够推断Valvatotinus的祖先出现在亚洲（而不是比北美和亚洲的可能性都要大）。最后，我们发现V.dentatum和V.scabrellum是Oreinotinus的姐妹（而不是嵌套在其中），这与之前的研究一致，并且暗示了一个更简单的生物地理情景（即，没有从新热带区重新进入北美）。

撇开这些差异不谈，这些分析都支持北半球周围（例如，东亚和北美东部；东亚和欧洲之间）荚莲属植物中的多重分离，这些分离与许多其他劳亚植物进化枝中所见的分离大体一致（Wen，1999；Milne），2002；Donoghue和Smith，2004；Milne和Abbot，2006；很明显，在整个新生代，穿过白令陆桥的断断续续的移动是很常见的（Graham，2018），并且荚莲属植物在过去15密尔从亚洲到北美的一些转移（例如，在Pseudotinus和Opulus中）可能是最好的解释。然而，就V.acerifolium而言，我们不能排除在同一时间范围内跨越北大西洋的运动（Tiffney，1985；Denk，2011）。最重要的是，在这里我们能够区分最近发生的四次亚洲-北美断层，以及更早发生的两次（Porphyrotinus和Valvatotinus），并且可以通过穿越北大西洋来更好地解释（一个案例）伪同余；Donoghue和Moore，2003）。这种时间上的差异也与多元化相关。较早进入的两个分支在新世界中多样化，而较晚到来的则仅由单一物种代表。这似乎支持这样的论点：可用于多样化的时间是解释多样性模式的关键因素（例如，Wiens等，2011）。尽管早期新大陆分支之一的Lentago仅包含8个物种，但另一个分支Oreinotinus在短时间内迅速多样化（Spriggs等，2015）。这个进化枝向南传播，最终进入南美洲，由于新热带山区的隔离，物种形成似乎有所增加。相比之下，Succotinus分支在亚洲的快速辐射（Spriggsetal.,2015）似乎是由于中国、韩国、日本和台湾的分裂以及从温暖森林向寒冷森林的多次转变而促进的。

祖先生物群落和生物群落转变

先前的分析对于荚莲属植物最初多样化的生物群系得出了相反的结论。斯普里格斯等人。(2015)支持荚莲属植物起源于热带森林的观点，而Lens等（2016）得出的结论是，它是在寒温带森林中进化的。我们的分析强烈支持第三种解释，即荚蒾属植物起源于暖温带（露叶）森林，随后适应了寒冷和热带气候（图4）。

当我们将经历很少结冰的温暖森林与长期结冰的寒冷森林进行比较时，我们非常自信地倾向于起源于温暖的森林，并果断排除了冷温带森林作为原始生物群落的可能性（图S5）。然而，在区分暖温带森林和热带森林方面，我们的分析并未解决不同生物群落灭绝率存在差异的可能性。具体来说，他们没有检验Spriggs等人提出的假设。（2015）自渐新世以来，热带森林中荚蒾属植物的灭绝率更高。如果情况确实如此，我们的现代样本就会偏向于获得热带谱系。

对祖先生物群落的令人信服的估计很棘手，特别是考虑到灭绝，但它受益于此处实现的全面采样以及所有相关数据源提供的见解。具体来说，我们强调化石生物群落分配的纳入具有重大影响。无论是否包含化石（图4）（图S4），暖温带森林都被视为祖先森林，但它们的包含确实极大地增加了我们对这一结果的信心。事实上，正如我们的敏感性分析所示（见上文），需要大幅增加偏向冰冻的“缺失证据”，以消除已知化石生物群落状态的影响，甚至需要更多的证据来获得对寒冷森林祖先的重要支持。

关于随后的生物群落转变，似乎存在从暖温带地区向热带气候的多次转变，其中一些可能在荚莲属植物进化的早期（V.clemensiae、V.ampificatum、Punctataclade、Sambucina+Coriaceaclade和一些Lutescentia）物种）。其中，我们注意到新认识的Sambucina+Coriacea分支的热带辐射，其中有最近发生的一些物种形成事件涉及菲律宾（V.glaberrimum）、婆罗洲（V.vernicosum和V.hispidulum）和马来西亚半岛（V.beccarii）之间的分离。

同样，从暖温带森林到冷温带森林也发生了多次转变，分散在整个树木中：例如Opulus和Pseudotinus分支、Lutescentia内的V.plicatum、Solenotinus内的V.grandiflorum及其近亲，以及Succotinus内的多个实例（图4）。冷温带森林中最大的单一辐射是Euviburnum，有16种，主要分布在中国中部，但沿着喜马拉雅山（V.cotinifolium）延伸到欧洲（V.lantana和V.maculatum）。重要的是，我们没有推断出从寒冷森林到温暖或热带森林的明显逆转。

地理运动和生物群落变化的相互作用

生物地理学、生物群落和化石的综合分析为我们提供了一些新的见解。最突出的案例涉及大型紫菜分支何时、在哪个生物群系进入新世界。我们的综合分析明确支持了卟啉属在始新世早期到达新大陆的观点。这反映了始新世中期新世界中存在荚莲属植物花粉化石，以及来自不列颠哥伦比亚省(BC)和科罗拉多州(CO)的谷物的放置，并沿着Porphyrotinus的茎(BC+CO+Porphyrotinus,pp=0.37；BC+卟啉，pp=0.15；CO+卟啉，pp=0.55)。它们的共同地理位置很可能将这些化石与Porphyrotinus联系在一起，因为当化石状态被掩盖时，对这些关系的支持就会直线下降（BC+CO+Porphyrotinus，pp=0.01；BC+Porphyrotinus，pp=0.06；CO+Porphyrotinus，pp=0.15）。这些花粉粒与东亚进化枝的替代放置将需要额外的（可能性较小的）传播事件。

最重要的是，我们的结果表明，Porphyrotinus谱系最初居住在暖温带森林。这很重要，原因有二。首先，这意味着北美境内后来发生了向寒温带森林的转变。也就是说，这些植物在原地适应了寒冷气候的蔓延，而不是从亚洲抵达时就已经适应了寒冷气候。其次，这意味着暖温带森林在始新世在北美洲广泛分布，而今天除了美国东南部以外，该地区几乎不存在这些森林。相反，综合分析较少表明，卟啉属进入新世界时已经适应了寒冷的森林。同样，我们的结果允许云林植物直接从暖温带植物进化而来，而不太完整的分析则有利于它们起源于冷温带植物。

对于最近到达新世界的谱系来说，我们的结果表明它们已经适应了旧世界的寒冷气候。例如，北美东部的V.lantanoides嵌套在亚洲分支（Pseudotinus）内，其直接祖先在传播时可能已经适应了寒冷（Park和Donoghue，2019）。同样的逻辑也适用于Lobata的V.acerifolium以及Opulus内两个分支的洲际运动。总体而言，正如预期的那样，考虑到自始新世以来的全球变冷，北美冷温带森林中荚蒾属植物的占有率随着时间的推移而增加，亚洲（由于从温暖森林到寒冷森林的多次进化转变）和欧洲（由于迁移；图5、6)。向热带森林的转变发生在亚洲，但在其他地方却从未发生过。我们特别注意到，新热带地区的云雾森林尚未转变为热带森林，尽管该地区这些生物群落直接相邻，有充足的机会（Donoghue和Edwards，2014）。

我们注意到，我们在本研究中用于重建生物群落变化的模型没有明确考虑生物群落不断演变的地理分布如何影响祖先生物群落的估计，而是依赖于从分配给化石类群的生物群落状态中提取的信息。然而，在允许谱系在时空动态古生物组结构内进化的系统发生模型下的相关分析中，我们从纯粹现存的荚蒾属植物类群中恢复了类似的祖先生物群落估计（Landis等人，2019）。

生物群落相关特征的演变

Lens等（2016）将荚蒾属植物与其相对的接骨木属植物进行了比较，以测试这一理论（参见Carlquist，1975，2012），即木材中容器元素中的简单穿孔是从阶梯状穿孔演变而来的，与向干燥和/或温暖地区的转变有关。将是更高水力效率的选择。他们记录了17种荚莲属植物中的阶梯状穿孔和17种接骨木属植物中的简单穿孔，并评估了这两个分支所占据的当代和推断的祖先气候空间。他们发现，一些荚蒾属植物和接骨木属物种所处的现代气候在很大程度上是重叠的，但他们认为，荚蒾属植物最初是在较寒冷的气候中进化的，而接骨木属则是在较温暖的气候中进化的。具体来说，他们认为荚莲属植物很可能在冷温带森林中进化，而这些森林中的冰冻温度解释了为什么保留了阶梯状穿孔（即，防止冰冻引起的空气栓塞）。

与此形成鲜明对比的是，我们发现荚蒾属植物最初在几乎没有经历过冰冻的暖温带森林中辐射，并多次迁移到较冷的森林中。正如补充7中所详述的，我们两个结果的主要差异源于有限的物种采样和几个关键物种的不准确的气候评分。我们的研究结果表明，暴露于寒冷并不是有利于梯状穿孔保留的因素。然而，有可能的是，它们保留了祖先的运输元素，仅仅是因为它们继续占据中湿森林（尽管没有长期冻结），在那里它们没有经历蒸发需求的显着增加（Carlquist，1975，2012）。这并没有否定他们关于接骨木简单穿孔进化的论点（我们还没有重新分析该谱系是否转移到需要更高水力效率的温暖/干燥地区），但它确实改变了他们关于荚莲属植物进化和阶梯状穿孔的假定好处的结论。

关于其他生物群落相关性状的进化，我们注意到我们的结果广泛支持其他有关叶子性状的研究的结论。具体来说，我们的分析与这样的观点是一致的，即最初的荚蒾属植物或多或少具有完整的（光滑的）或不规则的齿状叶缘，并且多个谱系中向寒冷气候的转变伴随着规则齿状和/或浅裂的进化叶（Schmerler等人，2012；Spriggs等人，2018；Edwards等人，2016）。同样，我们的研究结果支持从常绿习性到落叶习性的多重转变，这与适应长期冬季冰冻气候有关（Edwardsetal.,2017）。我们注意到两个角色也都出现了逆转。例如，具有整个边缘的常绿叶子是在新热带地区的云雾森林中进化而来的。总体而言，生物群落变化与生物群落相关特征的一致性强化了荚蒾属植物起源于温暖森林的假设。

结论

我们从分析中得出了一些一般性的教训。作为全面采样的倡导者（Donoghue和Edwards，2019），我们已尽最大努力包括我们目前认可的所有荚蒾属植物物种。然而，重要的是要认识到我们仍然不足。首先，基本的分类学问题仍然存在，当我们在种群水平上应用分子方法时，我们预计会发现更多的荚蒾属植物物种。一个典型的例子是我们复活了隐藏在美国东南部沿海平原的V. nitidum（Spriggsetal.,2019）。其次，我们对灭绝的荚蒾属植物知之甚少。树本身的结构强烈表明我们缺少这样的物种。诸如V.clemensiae和V.amplificatum等热带depauperons意味着过去的灭绝（Donoghue和Sanderson，2015），并且，如Spriggs等人所述。（2015）认为，热带地区荚蒾属植物的灭绝率可能特别高。主要生物群落的突然转变（例如，Pseudotinus和Opulus直接从温暖的森林转变为北方森林）也表明我们缺少生态中间体。未能完全代表这些谱系肯定会给我们的研究带来偏差。第三，目前尚不清楚如何最好地整合在物种采样、特征完整性、数据质量、生物特性和建模简易性方面各不相同的不同数据集。例如，在我们的初步分析中，我们发现我们较新的RAD-seq数据集对于估计树拓扑是可靠的（Eaton等人，2017），但使用标准分歧时间估计方法不容易对大量短基因座进行建模。另一方面，我们物种丰富的cpDNA数据集中的较长基因座可用于估计节点年龄，即使cpDNA本身并不适合估计所有时间尺度的物种关系。这些数据对于估计荚莲属植物的进化具有互补的优势，因此没有丢弃来之不易的数据。此外，重用我们较旧的（但此处已扩展的）cpDNA数据集使我们能够就数据对推论的影响得出更有力的结论（补充7）。与分子数据集一样，整合化石、生物群落和生物地理学数据集各自提出了自己的挑战，我们下面讨论。

荚蒾属植物中，与大多数其他分支一样，经过严格鉴定的化石仍然很少。幸运的是，在这种情况下有一些化石，我们试图充分利用这些化石提供的有限证据。例如，我们制定了“非此即彼”的进化枝约束，以确保我们的冰岛化石与两个非姐妹现存进化枝中的任何一个形成一个进化枝。如果没有这个限制，我们就需要强行与Euviburnum或Lentago建立关系，或者放松限制，允许将化石毫无根据地放置在将Euviburnum与Lentago分开的谱系中，或者完全忽略化石。与这一发展相关，我们向RevBayes添加了功能，以将多个骨干约束应用于重叠的分类单元集，这对于推断仅形态物种的关系是必要的。

将化石类群及其地理和生物群落状态包括在内有两个作用：它有助于将化石类群与特定的现存进化枝联系起来，并通过这些联系将这些进化枝的祖先状况联系起来。如上所述，我们尤其在Porphyrotinus分支的情况下看到了这一点。相反，如果我们采用顺序推理策略，首先估计树木分布，然后估计整个分布的祖先状态，我们可能会将不列颠哥伦比亚省和科罗拉多州的化石与Porphyrotinus分开，放在超过75%的采样系统发育中，这将成比例地减少对始新世期间进入北美的卟啉属的支持。这些化石反过来会广泛地扩大对整个树的北美和暖温带谱系的支持。我们的联合推理框架避免了这个问题，说明生物地理学在系统发育推理中具有另一个有前景的作用（Landis，2017；Landis等人，2018）。

另一方面，我们认识到化石采样存在潜在偏差。我们的化石花粉主要是从北美和欧洲地区的暖温带植物组合中获得的，没有一个样本来自东亚，而东亚可能是荚蒾属植物的起源地。通过将先前的根状态频率视为支持特定根状态的缺失数据的替代，我们开发了一个简单的贝叶斯敏感性测试来测量需要多少新发现的证据来恢复冷温带祖先状态估计（图1）。S6）。这表明，我们需要新的证据，相当于将冻结森林的先前权重增加3倍，才能获得对冻结根状态的多数支持(pp>0.5)。解释这一结果的一种方法是，需要在古新世或始新世发现12个新的冷温带化石（即，我们在新生代早期发现的四个暖温带化石花粉样本的三倍），同时排除任何新发现来自非冰冻生物群落的化石。总体而言，我们的敏感性测试呼应了早期的发现，即分类单元采样确实很重要（Heathetal.,2008,Wrightetal.2015,Woodetal.2012,Betancuretal.2015）。未来的敏感性研究可能会研究方法行为，同时在一组依赖于地理和生物群落的偏差下用模拟化石类群扩展现有的现存和化石类群。

我们还敏锐地意识到需要在进化历史的联合贝叶斯推理中传播不确定性。除此之外，这给可视化带来了新的挑战。祖先状态树通常是根据单一（共识）系统发育来绘制的（图3A和4A），它没有捕获可能的进化历史的广阔空间（图3B和4B）。我们通过随时间变化的状态频率图来补充我们基于系统发育的范围和生物群落进化观点，这些图边缘化了各种不确定性来源，包括化石和现存类群之间的拓扑结构、分歧时间、随机映射和进化参数（如图1和2所示）。3B和4b)。我们没有为所有对M=4生物群落和N=6区域生成MxN=24个图，而是开发了M+N=10条条件图，以强调荚莲属植物中生物群落和区域的占用如何共同进化。通过以这种方式对不确定性进行平均，我们获得了对进化趋势的更清晰的总结，而独立于任何特定的系统发育假设。例如，我们可以得出结论，从中新世开始，东亚、欧洲和北美的冷温带荚蒾属植物的比例超过了25%（图5）。

这里开发的综合证据方法使我们能够整合分子数据、化石、生物地理范围和生物群落亲缘关系，这为整个新生代植物进化枝的地理和生态辐射提供了新的、大大改进的理解。但是，显然还有其他相关证据，我们也期待着将它们纳入其中。例如，除了上述叶子和木材特征外，我们对更全面、更直接地纳入与生物群落占用有关的荚莲属植物的生理和物候数据持乐观态度（例如，Chatelet等人，2013年；Edwards等人，2014年）斯卡夫尼等人，2016）。最近估计生物群落空间分布随时间演变的祖先生物群落亲和力的工作也说明了荚蒾属植物的温暖或寒冷起源（Landis等人，2019）。使用联合推理框架（如我们在这里开发的框架）统一这些见解对于未来的研究将非常重要。最后，正是这些不断积累的证据线的整合让我们相信我们走在正确的轨道上。

期刊：Systematic Biology

文章标题：

Joint phylogenetic estimation of geographic movements and biome shifts during the global diversification of Viburnum

作者信息：

Michael J Landis , Deren A R Eaton, Wendy L Clement, Brian Park , Elizabeth L Spriggs, Patrick W Sweeney, Erika J Edwards , Michael J Donoghue

原文链接：https://doi.org/10.1093/sysbio/syaa027

文内图片及封面图片来源原文