協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的研究方法

王 智

(陜西學(xué)前師范學(xué)院生物科學(xué)與技術(shù)系，陜西西安710100)

1 協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的概念

協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生(Cophylogeny，orparallel cladogenesis or co-cladogenesis)是研究生態(tài)上相關(guān)群體(如類群、地理區(qū)域，基因等)系統(tǒng)發(fā)生間的關(guān)系，在此，“主”(如有機體、寄生物的宿主或一個地區(qū))系統(tǒng)發(fā)生是獨立的，而“輔”(如基因、寄生物或有機體)系統(tǒng)發(fā)生在某種程度依賴于“主”系統(tǒng)發(fā)生［1］。兩個物種的協(xié)同進化是協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生研究的主要領(lǐng)域之一。使用協(xié)同進化這個術(shù)語時要區(qū)別協(xié)同趨異(Codivergence)和協(xié)同成種(Cospeciation)。協(xié)同進化(Coevolution)指的是兩個物種內(nèi)或相互作用的種群內(nèi)彼此進化變化的一般過程。協(xié)同趨異指平行分支的進化過程(當(dāng)一個物種分支為兩個或多個物種時)或者說一個生物體實體的成種導(dǎo)致與此相關(guān)的其它生物體實體的成種［2］。協(xié)同趨異與協(xié)同成種常常交替使用，一些學(xué)者認為協(xié)同趨異是相關(guān)類群分成截然不同的群體的過程，注重過程;而協(xié)同成種指的是它們已經(jīng)獨立進化為不同的物種，注重結(jié)果［3］。協(xié)同趨異或協(xié)同成種可以說是協(xié)同進化的一部分。以宿主——寄生物這種串聯(lián)模式為例，寄生物和宿主能彼此協(xié)同進化，相互作用產(chǎn)生新的特征和性狀，如果這些新性狀的差異足夠大，可以形成新種，那么協(xié)同趨異(協(xié)同成種)就會發(fā)生。協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的研究內(nèi)容就包括分析和比對生物的系統(tǒng)發(fā)生以揭示協(xié)同趨異的模式［2］。

在對宿主——寄生物關(guān)系的早期研究中產(chǎn)生了一些主流的關(guān)系規(guī)則，如Farenholz規(guī)則(Farenholz＇s Rule，1913)、Szidat 規(guī) 則 (Szidat＇s Rule，1940) 等，F(xiàn)arenholz規(guī)則宣稱寄生物的系統(tǒng)發(fā)生反映了宿主的系統(tǒng)發(fā)生［4］。實際上，幾乎所有協(xié)同成種的實例中，除了宿主反常地依靠其協(xié)作者的例子外，很少有遵循Farenholz規(guī)則的。因為此規(guī)則將協(xié)同進化的可能性狹窄到只有協(xié)同趨異，而協(xié)同趨異僅僅是協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生產(chǎn)生的眾多事件中的一種可能。協(xié)同趨異的模式?jīng)]有絕對的規(guī)則，因為兩個物種不必遵循相同的進化路徑。其它四種可能的進化情境(Evolution scenario)(見圖1)增加了協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生研究模式的復(fù)雜性［5-7］。

第一種情境稱為分類事件(Sorting events)，表明似乎是宿主分類時寄生物不跟隨。這有三種生物學(xué)可能，一是寄生物出現(xiàn)但未被探測到(稱為x事件);二是被認為失掉載體(Missing the boat，MTB)，宿主形成新物種而寄生物只跟隨趨異的宿主，從而丟掉了其它的宿主種類。當(dāng)宿主遷移到一新的沒有寄生物的棲息地形成新物種就會發(fā)生這種情況;三是寄生物在宿主譜系上滅絕(Drowning on arrival，DOA)，宿主與寄生物不再發(fā)生關(guān)聯(lián)。第二種情境稱為宿主轉(zhuǎn)換事件(Host switching events)，寄生物寄生于不同于原先宿主譜系的宿主上，繼而開拓新宿主的近親為宿主。第三種情境稱為復(fù)制(Duplication)或宿主內(nèi)成種(Intrahost speciation)。寄生物不刺激宿主形成新種，而在進化上發(fā)生分歧，兩個寄生種群分隔進入不同的生態(tài)位——可能為避免競爭，以形成新種而結(jié)束，但仍具相同的宿主。第四種情境稱為惰性(Inertia)，即寄生物對宿主趨異不發(fā)生任何反應(yīng)，這種“惰性”導(dǎo)致寄生物具有多個宿主，從而使得一種寄生物能在不同宿主上存活。不同于“丟失載體”的情形，此種寄生物遵循兩個以上的趨異宿主，雖然本身并不發(fā)生趨異。

這幾種生物學(xué)進化情境為研究宿主——寄生物的協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生提供了基礎(chǔ)，使用這些生物類別，通過對比系統(tǒng)發(fā)生就可以更好地理解協(xié)同進化事件，而這些事件導(dǎo)致了現(xiàn)存的物種分類結(jié)構(gòu)。將要討論的協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生方法就是使用這些類別來描述進化結(jié)果。關(guān)于協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生研究必須要提的一點是假定取樣充分和徹底，除此之外，分類系統(tǒng)的構(gòu)建和每個物種的系統(tǒng)發(fā)生也假定正確。這些假定是值得注意的，因為那可能會對分析協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生有潛在的影響。先前描述的場景是按自然和生物發(fā)生規(guī)律發(fā)生的，人類在取樣和系統(tǒng)發(fā)生上的誤差可能會增加其他的進化情境，從而導(dǎo)致對協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生解釋的不正確或不完全。比如，觀察到的一個寄生物種離開宿主而滅絕可能是生物進化的合法結(jié)果或僅僅是不完全取樣的結(jié)果。更重要的是，必須做到物種系統(tǒng)發(fā)生的準(zhǔn)確構(gòu)建以確保隨后對協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的準(zhǔn)確分析。物種系統(tǒng)發(fā)生的細小差別都可能產(chǎn)生對發(fā)生的協(xié)同進化情境不正確的描述。

圖1 五種可能的進化情境Fig.1 Five possible evolutionary scenarios

2 協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的研究方法

協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的研究方法大體分為兩類:“基于事件法”(Event-based methods)和“整體擬合法”(Global-fit methods)［9］。前者試圖結(jié)合四種進化情境將寄生物的系統(tǒng)發(fā)生圖做到宿主的系統(tǒng)發(fā)生作圖上。這種作圖可以通過“基于簡約特征”(Parsimony-based character)的最優(yōu)化(如布魯克斯簡約分析(Brooks parsimony analysis，BPA))或協(xié)調(diào)樹分析(Reconciled tree analysis)(如 TreeMap或TreeFitter)達到，在系統(tǒng)發(fā)生制圖的不一致可能要歸因于進化事件和進化情境，因為所提出的進化情境(通常是幾個)首先是以最優(yōu)性標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的。相對地，整體擬合法不提出進化情境，而是評估宿主和寄生物間的整體一致性，并識別有助于協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生構(gòu)建的個別的宿主——寄生物關(guān)聯(lián)。此種方法中，一致性越高，協(xié)同成種就越普遍。

2.1 基于事件法

2.1.1 BPA

BPA是歷史生物地理學(xué)的研究方法之一，最早由D.R.Brooks于1981年提出理論基礎(chǔ)，后在1986年被 E.O.Wiley正式命名為 BPA［10-12］。BPA 是一種直接應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)育學(xué)原理，結(jié)合生物地理學(xué)知識，探討“種歷史”的方法，它以“替代假說”為框架，采用簡約原則進行分析。BPA分析寄生物的系統(tǒng)發(fā)生時，把其轉(zhuǎn)化成一套累積的二進制字符，然后經(jīng)由簡約法繪制到宿主樹圖上。這些二進制碼通過代表各自身份的所有樹節(jié)點定義每個分類單元。使用這些二進制碼就可以構(gòu)建主系統(tǒng)發(fā)生圖，然后將宿主系統(tǒng)發(fā)生與獨立證據(jù)比對，如獨立識別的宿主關(guān)系或地理學(xué)和生物地理學(xué)證據(jù)。與基于事件法中的其他方法不同(如協(xié)調(diào)樹分析)不同，BPA不是基于模型的，因此不會產(chǎn)生系統(tǒng)發(fā)生像模型那樣的整齊的臆斷，而且它并不試圖將預(yù)先假設(shè)做最大化調(diào)整。但正如Page和其他學(xué)者所說［13］，BPA由于源于寄生物樹的字符的非獨立性，使得其過多估計了宿主轉(zhuǎn)化的數(shù)目。

2.1.2 Component

Component即以計算機程序Component用于研究系統(tǒng)發(fā)生、樹形分布、基因樹(物種樹)、宿主——寄生物的協(xié)同進化及生物地理學(xué)等，由 Page發(fā)起［14］。Component并非由數(shù)據(jù)推導(dǎo)得到樹，而是將已存在的樹導(dǎo)入程序中，通過幾種樹對比法，包括計算一致性樹、樹間的相似度及繪制一個樹圖到另一個上。也許對于用戶來說，組分分析最令人感興趣的是它的作樹圖能力，它可以將寄生物樹作圖到宿主樹上，物種樹作圖到區(qū)域樹上，基因樹作圖到物種樹上，使兩個不一致樹發(fā)生關(guān)聯(lián)。Component運行快，界面友好，缺點是不對由于協(xié)同進化事件引起的宿主轉(zhuǎn)換作解釋［15-16］。

2.1.3 協(xié)調(diào)樹分析(Reconciled tree analysis)

協(xié)調(diào)樹(Reconciled trees)的概念可追溯至Goodman等人試圖協(xié)調(diào)公認的哺乳動物進化關(guān)系與血紅蛋白基因進化關(guān)系的分歧［17］。協(xié)調(diào)樹分析通過對寄生物(或基因、有機體等“輔”)系統(tǒng)發(fā)生到宿主(或有機體、地區(qū)等“主”)系統(tǒng)發(fā)生作圖來推斷哪些進化關(guān)系是真實的，哪些是不適合的，任何不一致的結(jié)果都可以歸于協(xié)同進化事件來協(xié)調(diào)。

協(xié)調(diào)樹分析也是由Page開發(fā)，而由Component提供方法，它假定宿主的協(xié)同者有足夠多的復(fù)制和缺失(滅絕、非樣本類群)對于協(xié)同樹完全適合宿主樹的關(guān)系是必須的。宿主樹要和協(xié)調(diào)過的協(xié)同樹適合，可以通過三種不同方法達到:復(fù)制數(shù)目、增加的節(jié)點數(shù)目和獨立缺失的數(shù)目。宿主樹和其協(xié)同樹的相似度可以通過Component的隨機樹發(fā)生器產(chǎn)生大量的隨機樹而統(tǒng)計測定。最初的協(xié)同樹從而得以和每個隨機樹協(xié)調(diào)，對三種適合方法產(chǎn)生一個評估可能性分布［18-19］。但Page承認，協(xié)調(diào)樹分析經(jīng)常產(chǎn)生一些非現(xiàn)實的協(xié)調(diào)協(xié)同樹。

2.1.3.1 TreeFitter

對于宿主——寄生物系統(tǒng)圖的協(xié)調(diào)經(jīng)常產(chǎn)生多種可能的關(guān)系，這就使得很難確定哪種才代表真實的關(guān)系。TreeFitter是第一個把事件——代價(Events-cost)分析組合到基于簡約的程序。它采取隨意的代價分配使得復(fù)制、歸類和宿主轉(zhuǎn)換事件有零或正相關(guān)。協(xié)同趨異事件可能有正、負或零代價。這種事件——代價分配系統(tǒng)允許協(xié)調(diào)樹分析法首次回復(fù)到更可能的代表實際的系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系［20］。

2.1.3.2 TreeMap

協(xié)調(diào)樹分析中下一個主要的發(fā)展就是由Page開發(fā)的TreeMap，TreeMap是執(zhí)行系統(tǒng)發(fā)生作圖的一個Mac程序，由Component派生的，這個程序的主要更新是將宿主轉(zhuǎn)換事件作為宿主——寄生物系統(tǒng)發(fā)生不一致的可能解釋。當(dāng)前通用的TreeMap2.02在程序中增加了許多特征，其中一個重要的就是Jungle運算法則，以解釋以往程序分析時的中斷。另一重要特征是用戶可以為回歸可行的重建設(shè)置限制，比如可以指定宿主轉(zhuǎn)換事件的最大數(shù)目，以消除某些不可能發(fā)生的生物學(xué)重建情境［13，19］。

2.2 整體擬合法

如前所述，整體擬合法不像基于事件法那樣提出進化情境，實際上，它們使用統(tǒng)計方法評價宿主和寄生物間系統(tǒng)發(fā)生的一致性程度，確定有助于協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生的特定關(guān)聯(lián)。整體擬合法重要的一點是將最初系統(tǒng)發(fā)生重建時誤差率考慮得較為充分，使用一個分隔的一致性檢驗計算了有關(guān)的不正確的系統(tǒng)發(fā)生概率。而基于事件法的臆斷是建立在將要分析的系統(tǒng)發(fā)生樹是完全而準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上的。某些簡單的一致性檢驗包括K-H檢驗(Kishino-hasegawa test，KH test)和不一致性長度差異檢驗(Incongruence-length difference test，ILD test)。前者估算不同樹形圖概似值的方差，后者重點評價各種來源的DNA序列(所研究的宿主和寄生物)系統(tǒng)發(fā)生的一致性。

2.2.1 最大似然法(Maximum likelihood)

Huelsenbec等人［21］提出了兩種不同的零假說，以驗證檢查是否宿主和寄生物系統(tǒng)發(fā)生是同一的。第一種方法即最大似然法，使用概率比驗證，以評估同一和不同一的程度。第二種方法即最大事后概率法，使用貝葉斯推論(Bayesian inference)直接計算宿主和寄生物系統(tǒng)發(fā)生的事后概率。

2.2.2 ParaFit

ParaFit是最新的協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生數(shù)據(jù)檢驗，由Legendre開發(fā)［22］。ParaFit不是要將協(xié)同成種最大化，而是在觀察協(xié)同成種時相當(dāng)保守(第一類錯誤足夠，第二類錯誤相當(dāng)?shù)?，而且，它也不是要重建協(xié)同趨異情境。ParaFit用一個置換檢驗協(xié)同趨異評價宿主——寄生物協(xié)同進化的整體假說，它使用三種類型的信息來描述矩陣式情形:寄生物系統(tǒng)發(fā)生、宿主系統(tǒng)發(fā)生和一套可觀測到的宿主——寄生物關(guān)聯(lián)。除了評價宿主——寄生物協(xié)同進化的一致性水平，ParaFit還標(biāo)記每個宿主——寄生物關(guān)聯(lián)，可用于以后更多特定的研究。

3 結(jié)語與展望

協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生方法不僅影響研究宿主——寄生物關(guān)系，而且影響許多類似關(guān)系，如病毒與人類的協(xié)同進化關(guān)系，可能會對醫(yī)學(xué)研究提供某些思路，這些方法越過各物種對比基因的差異來理解蛋白質(zhì)組的進化，可以更好理解所有有機體功能。協(xié)同系統(tǒng)發(fā)生方法也和生物地理領(lǐng)域相關(guān)，可以更好理解生物到達的不同地理區(qū)域的物種進化。

總之，每種方法論都有其利弊，因此必須經(jīng)過權(quán)衡，選擇最優(yōu)方法?；诤喖s字符的最優(yōu)化方法對于分析來說好而簡單，雖然它忽視了某些協(xié)同進化場景情境;基于事件法似乎最具邏輯性，幾乎把所有可能的進化路徑都考慮了，但是在一個給定分析中，過多的結(jié)果很難篩選，也很難發(fā)現(xiàn)真正的關(guān)系。這兩種方法都沒有考慮潛在的系統(tǒng)發(fā)生取樣和重建誤差。整體擬合法統(tǒng)計不僅考慮系統(tǒng)發(fā)生的誤差，還提供較好的關(guān)系一致性，但缺乏聯(lián)系協(xié)同進化情境?？偟膩碚f，改善每種方法都還有較大空間，如果能組合其優(yōu)點，屏其弊端，那么研究協(xié)同系統(tǒng)發(fā)育關(guān)系將會受益更多。

References)

［1］ CHARLESTON M A.Principles of cophylogenetic maps［C］//L?ssig M，Valleriani A.Biological Evolution and Statistical Physics .Berlin:Springer-Verlag，2002:122-147.

［2］ CHARLESTON M A，PERKINS S L.Traversing the Tangle:Algorithms and Applications for Cophylogenetic Studies［J］.Journal of Biomedical Informatics，2006，39(1):62-71.

［3］ LIGHT J E，HAFNER M S.Codivergence in heteromyid rodents(Rodentia:heteromyidae)and their sucking lice of the genus Fahrenholzia(Phthiraptera:anoplura) ［J］.Systematic Biology，2008，57(3):449-465.

［4］ FAHRENHOLZ H.Ectoparasiten und Abstammungslehre［J］.Zoologischer Anzeiger，1913(41):371-374.

［5］ PAGE R D M.Parallel phylogenies:reconstructing the history of host-parasite assemblages ［J］. Cladistics，1994，10(2):155-173.

［6］ PATERSON A M，PALMA R L，GRAY R D.How frequently do avian Lice miss the boat Implacations for coevolutionary studies ［J］.Systematic Biology，1999，48(1):214-233.

［7］ PATERSON A M，GRAY R D. Host-parasitecospeciation，host switching and missing the boat［C］//Clayton-DH，Moore J.Host-Parasite Evolution:General Principles and Avian Models.Oxford:Oxford University Press，1997:236-50.

［8］ PATERSON A M，BANKS J.Analytical approaches to measuring cospeciation of host and parasites:through a glass，darkly ［J］.International Journal for Parasitology，2001，31(9):1012-1022.

［9］ DESDEVISES Y.Cophylogeny:insights from fish-parasite systems［J］.Parassitologia，2007，49(3):125-128.

［10］ BROOKS D R.Hennig＇s Parasitological Method:A Proposed Solution.［J］.Systematics Biology ，1981，30(3):229-249.

［11］ BROOKS D R.Historical ecology:a new approach to studying the evolution of ecological associations ［J］.Annals of the Missouri Botanical Garden，1985，72(4):660-680.

［12］ WILEY E O.Methods in vicariance biogeography［C］//Hovenkamp PH，et al.Systematics and Evolution:A Matter ofDiversity.Utrecht:Institute ofSystematic Botany，Utrecht University，1986:83-306.

［13］ PAGE R D M.Parallel phylogenies:reconstructing the history of host-parasite assemblages ［J］. Cladistics，1994，10(2):155-173.

［14］ PAGE R D M.Component:Tree comparison software for Microsoft Windows，version 2.0.London:The Natural History Museum，1993.

［15］ SLOWINSKI J B. Review of the computer program Component［J］.Cladistics，1993，9(3):351-353.

［16］ CHARLESTON M A.Jungles:A new solution to the host/parasite phylogeny reconciliation Problem ［J］.Mathematical Biosciences，1998，149(2):191-223.

［17］ GOODMAN M，CZELUSNIAK J，MOORE G W，et al.Fitting the gene lineage into its species lineage: a parsimony strategy illustrated by cladograms constructed from globin sequences［J］.Systematic Biology，1979，28(2):132-168.

［18］ PAGE R D M，CHARLESTON M A.From Gene to Organismal Phylogeny:Reconciled Trees and the Gene Tree/Species Tree Problem ［J］.Molecular Phylogenetic Evolution，1997，7(2):231-240.

［19］PAGE R D M.Maps between trees and cladistic analysis of historical associations among genes，organisms，and areas［J］.Systematic Biology，1994，43(1):58-77.

［20］ RONQUIST F.Reconstructing the history of host-parasite associations using generalised parsimony［J］.Cladistics，1995，11(1):73-89.

［21］ HUELSENBECK J P，CRANDALL K A.Phylogeny Estimation and Hypothesis Testing Using Maximum Likelihood［J］.Annual Review of Ecology and Systematics，1997 ，28:437-466.

［22］ LEGENDRE P，DESDEVISES Y，BAZIN E.A statistical Testfor Host-Parasite Coevolution ［J］.Systematic Biology，2002，51(2):217-234.