近日，国际顶级刊物Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 在线刊登了南京农业大学植物保护学院昆虫系张峰教授团队和华南师范大学生命科学学院栾云霞研究员团队的研究论文，题目为“Revisiting the four Hexapoda classes: Protura as the sister group to all other hexapods”。该研究通过系统发育基因组学综合分析，聚焦了六足总纲（Hexapoda）4个纲（原尾纲Protura、弹尾纲Collembola、双尾纲Diplura和昆虫纲Insecta）之间的进化关系，为昆虫的起源和进化提供了新见解。
六足总纲（广义的昆虫）是动物界中生物多样性最高的类群。六足总纲目前分为4个纲，其中弹尾纲、原尾纲、双尾纲由于在形态特征上具有一些比较原始的特征，因此又被俗称是低等六足动物（或noninsect hexapods）。三类低等六足动物迄今为止已知大约10,800种，占动物多样性的1%左右。先前基于形态学和分子数据的系统发育分析未能就这三类低等六足动物和昆虫纲的进化关系达成一致，并且已经争论了一个多世纪。不同的进化关系也暗示了昆虫体型（body plan）和登陆（terrestrialization）的不同演化场景。
图1. 原尾虫Acerentomon microrhinus (A) 和Sinentomon erythranum(B) 形态图
利用系统发育基因组学（phylogenomics）解决动物的进化关系已成为主流，但之前由于数据的缺乏和难获取，并未有研究者深入探讨六足动物4纲之间的进化关系。本研究新增了两个双尾虫（Octostigma sinensis和Lepidocampa weberi）和一个原尾虫（Sinentomon erythranum）（图1）稀有物种的转录本，补充了原尾纲和双尾纲的组学数据的空缺。在利用“大数据”建树时，我们使用了一套严谨、合理的数据过滤方法，进行了数十种基因属性测试，尽可能消除可能的系统性误差，寻找导致拓扑结构不稳定的关键因素，并基于并联法（溯祖MSC模型）和串联法（从简单的位点同质性site-homogeneous模型到复杂的位点异质性site-heterogeneous模型）多种建树策略构建可靠的系统发育树。针对获得的不同的拓扑结构（图2），我们还通过多种验证方法，例如：AU test（AU拓扑结构检验）、Four-cluster likelihood mapping（四分法拓扑结构检验）、LOO-CV模型比较、site-wise & gene-wise分析等，最终确定了六足动物之间的系统发育关系为：原尾纲+（（弹尾纲+ 双尾纲）+ 昆虫纲），即原尾虫为最早分化出来的六足动物，弹尾虫和双尾虫构成了姊妹群的关系（图3）。
图2. 本研究涉及的多种拓扑结构关系
此外，我们还对三类低等六足动物相关形态学特征进行了重解释，明确了自有衍征和共衍征。通过胚胎后期变形发育、拥有独特的尾节、精子的鞭毛结构、简单的气管系统等特征，支持了原尾虫的“独特性”；通过精子移植方式、中心体微管数、染色体核型等的特征，支持了弹尾纲+ 双尾纲姊妹群的结论。而关于内颚类（Entognatha）最早的定义（1891年由Stummer-Traunfels提出）仅包括了弹尾虫和双尾虫，区别于现在关于内颚类的定义（包括三类低等六足动物）。因此我们建议，恢复内颚类最初的定义，原尾虫应置于六足动物的最基部，与其余所有六足动物构成姐妹群的关系。
图3. 低等六足动物系统发育树图
由于原尾虫生境和身体构造的特殊性，并没有报道关于原尾虫化石相关的证据来支持这个结论。目前，最早的六足动物化石发现于早泥盆世（Rhyniella praecursor），那时陆地生态系统已初步形成。原尾虫作为最早分化的六足动物，虽然保留了一些水生的特征，但早已经能够适应在陆地生活。可见，六足动物最近的共同祖先可能早已陆地化。
本研究得到了国家自然科学基金、国家科技基础资源调查计划等项目的资助。南京农业大学和南京地质古生物研究所联合培养在读博士生杜诗雨为论文第一作者，南京农业大学张峰教授、华南师范大学栾云霞研究员为论文通讯作者；南京地质古生物研究所蔡晨阳研究员和在读博士生Erik Tihelka，南京农业大学俞道远副教授，上海历史自然博物馆卜云研究员，美国自然历史博物馆Michael S. Engel教授，深圳猛犸教育（华大集团）陈万君博士也参与了该研究。