První strana úvodníku v žurnálu Science, shrnujícího výsledky APP. (Zdroj: Zhang et al. 2014: 1308)

    Před několika hodinami byly napříč 8 různými žurnály prakticky současně publikovány výsledky Avian Phylogenomics Project (APP), výzkumného programu, na kterém se v předchozích čtyřech letech podílelo 80 institucí z celého světa. Výsledkem stovek let procesorového času a nákladů v hodnotě milionů dolarů je 45 nových anotovaných jaderných genomů, tj. plný 15-násobek počtu, který byl k dispozici před rokem, a – ačkoli některé genomy se v literatuře objevily už loni – zhruba 7-násobek toho, co jsme měli ještě včera. Celkem vzato jde dost možná o největší pokrok v ptačí genetice od vynálezu PCR.

    Na APP není zajímavý ani tak objem nashromážděných dat jako spíš praktická ukázka, co vše se s těmito daty dá dělat. Na včerejšek načasovaná lavina studií aplikuje získaná data napříč všemi obory biologie. Kromě bezprecedentně robustního odhadu fylogeneze, tvořícího východisko pro všechny další analýzy, APP odhaluje molekulární základy nejzajímavějších fenotypických novinek jak ptáků coby celku (peří, ztráta zubů, unikátní průtokový dýchací systém s rigidními plícemi), tak i jejich podskupin (tučňáčí adaptace na chlad, vokální učení psittakopasseranů). Genomová evoluce je analyzována na mnoha různých úrovních (od relativního zastoupení GC a poměru synonymních a non-synonymních substitucí přes karyotypovou evoluci až po paleoviry a vznik pohlavních chromozomů) a řada studií vykazuje přesahy do ekologie, diverzifikační dynamiky a ekologie.
    Avian Phylogenomics Project je vnímán jen jako začátek daleko rozsáhlejšího programu, jehož cílem je osekvenovat 10 000 ptačích genomů. Toho by mělo být dosaženo někdy po roce 2020.

Přehled studií (zahrnuje i několik neptačích prací a prací, které byly publikovány již dříve):

http://avian.genomics.cn/en/

http://www.sciencemag.org/content/346/6215/1308/suppl/DC1
http://www.sci-news.com/genetics/...48-bird-species-avian-family-tree-02340.html

Science:

Zhang G, Li C, Li Q, Li B, Larkin DM, Lee C, Storz JF, Antunes A, Greenwold MJ, Meredith RW, Ödeen A, Cui J, Zhou Q, Xu L, Pan H, Wang Z, Jin L, Zhang P, Hu H, Yang W, Hu J, Xiao J, Yang Z, Liu Y, Xie Q, Yu H, Lian J, Wen P, Zhang F, Li H, Zeng Y, Xiong Z, Liu S, Zhou L, Huang Z, An N, Wang J, Zheng Q, Xiong Y, Wang G, Wang B, Wang J, Fan Y, da Fonseca RR, Alfaro-Núñez A, Campos P, Schubert M, Orlando L, Mourier T, Howard J, Ganapathy G, Pfenning A, Whitney O, Rivas MV, Hara E, Smith J, Farre M, Narayan J, Slavov G, Romanov MN, Borges R, Machado JP, Khan I, Springer MS, Gatesy J, Hoffmann FG, Opazo JC, Håstad O, Sawyer RH, Kim H, Kim K, Kim HJ, Cho S, Li N, Huang Y, Bruford MW, Zhan X, Dixon A, Bertelsen MF, Derryberry E, Warren W, Wilson RK, Li S, Ray DA, Green RE, O'Brien SJ, Griffin D, Johnson WE, Haussler D, Ryder OA, Willerslev E, Graves GR, Alström P, Fjeldså J, Mindell DP, Edwards SV, Braun EL, Rahbek C, Burt DW, Houde P, Zhang Y, Yang H, Wang J, Jarvis ED, Gilbert MTP, Wang J 2014 Comparative genomics across modern bird species reveals insights into avian genome evolution and adaptation. Science 346(6215): 1311–20

Birds are the most species-rich class of tetrapod vertebrates and have wide relevance across many research fields. We explored bird macroevolution using full genomes from 48 avian species representing all major extant clades. The avian genome is principally characterized by its constrained size, which predominantly arose because of lineage-specific erosion of repetitive elements, large segmental deletions, and gene loss. Avian genomes furthermore show a remarkably high degree of evolutionary stasis at the levels of nucleotide sequence, gene synteny, and chromosomal structure. Despite this pattern of conservation, we detected many non-neutral evolutionary changes in protein-coding genes and noncoding regions. These analyses reveal that pan-avian genomic diversity covaries with adaptations to different lifestyles and convergent evolution of traits.

Jarvis ED, Mirarab S, Aberer AJ, Li B, Houde P, Li C, Ho SYW, Faircloth BC, Nabholz B, Howard JT, Suh A, Weber CC, Fonseca RRd, Li J, Zhang F, Li H, Zhou L, Narula N, Liu L, Ganapathy G, Boussau B, Bayzid MdS, Zavidovych V, Subramanian S, Gabaldón T, Capella-Gutiérrez S, Huerta-Cepas J, Rekepalli B, Munch K, Schierup M, Lindow B, Warren WC, Ray D, Green RE, Bruford M, Zhan X, Dixon A, Li S, Li N, Huang Y, Derryberry EP, Bertelsen MF, Sheldon FH, Brumfield RT, Mello CV, Lovell PV, Wirthlin M, Schneider MPC, Prosdocimi F, Samaniego JA, Velazquez AMV, Alfaro-Núñez A, Campos PF, Petersen B, Sicheritz-Ponten T, Pas A, Bailey T, Scofield P, Bunce M, Lambert DM, Zhou Q, Perelman R, Driskell AC, Shapiro B, Xiong Z, Zeng Y, Liu S, Li Z, Liu B, Wu K, Xiao J, Yinqi X, Zheng Q, Zhang Y, Yang H, Wang J, Smeds L, Rheindt FE, Braun M, Fjeldså J, Orlando L, Barker K, Jønsson KA, Johnson W, Koepfli KP, O'Brien S, Haussler D, Ryder OA, Rahbek C, Willerslev E, Graves GR, Glenn TC, McCormack J, Burt D, Ellegren H, Alström P, Edwards SW, Stamatakis A, Mindell DP, Cracraft J, Braun EL, Warnow T, Jun W, Gilbert MTP, Zhang G 2014 Whole genome analyses resolve the early branches in the tree of life of modern birds. Science 346(6215): 1320–31

To better determine the history of modern birds, we performed a genome-scale phylogenetic analysis of 48 species representing all orders of Neoaves using phylogenomic methods created to handle genome-scale data. We recovered a highly resolved tree that confirms previously controversial sister or close relationships. We identified the first divergence in Neoaves, two groups we named Passerea and Columbea, representing independent lineages of diverse and convergently evolved land and water bird species. Among Passerea, we infer the common ancestor of core landbirds to have been an apex predator and confirm independent gains of vocal learning. Among Columbea, we identify pigeons and flamingoes as belonging to sister clades. Even with whole genomes, some of the earliest branches in Neoaves proved challenging to resolve, which was best explained by massive protein-coding sequence convergence and high levels of incomplete lineage sorting that occurred during a rapid radiation after the Cretaceous-Paleogene mass extinction event about 66 million years ago.

Nejlepší dostupný odhad ptačí fylogeneze, založený na věrohodnostní analýze 41,8 megabází jaderné DNA (dataset DNA) od 48 ptačích druhů v programu ExaML a následné bayesovské dataci s 39 fosilními kalibracemi v programu MCMCtree. Barvy větví slouží k rozlišení jednotlivých skupin (viz popisky po pravé straně stromu; "Aequornithia" = Aequornithes; "Caprimulgimorphae" = Strisores; "Phoenicopterimorphae" = Mirandornithes); barvy názvů jednotlivých druhů potom zachycují výskyt některých významných znaků: ptáci schopní vokálního učení jsou vyznačeni zeleně, dravci červeně a vodní ptáci modře.
Bootstrapová podpora je rovna 100% pro všechny uzly mimo těch, u kterých je vyznačena. Je vidět, že ne zcela jistými i v celogenomové analýze zůstávají: (1) sesterský vztah dropů a turak; (2) sesterský vztah Otidimorphae (kukačky, turaka, dropi) a Strisores ("lelci" včetně svišťounů); (3) monofylie Cursorimorphae (dlouhokřídlí plus jádro krátkokřídlých), která ale obdržela 100% podporu v některých jiných analýzách; (4) sesterský vztah Cursorimorphae a hoacina; (5) sesterský vztah Phaethontimorphae (kagu, slunatec, faetoni) a Aequornithes (potáplice, trubkonosí, tučňáci, pelikáni, čápi, kormoráni, volavky, ibisové), který ale obdržel 100% v jiných analýzách; (7) sesterský vztah sov a Coraciimorphae (myšáci, kurol, trogoni, "srostloprstí" včetně šplhavců); (8) monofylie Eucavitaves (trogoni, "srostloprstí" včetně šplhavců). Obrovským úspěchem je ale fakt, že nejvyšší možnou podporu obdržela první divergence v rámci Neoaves, nacházející se mezi klady Columbea (potápky, plameňáci, holubi, stepokuři, mesiti) na jedné straně a Passerea (všichni ostatní neoaviani) na straně druhé. Z výskytu jednotlivých ekologií napříč stromem je patrné, že nelze jednoznačně určit, zda byl poslední společný předek Neoaves pozemním nebo vodním ptákem. Šipka na časové ose v dolní části obrázku vyznačuje K/Pg rozhraní (66 Ma); období křídy je vyznačeno šedě. Je patrné, že analýza Jarvise a spol. do křídy klade jen několik málo bazálních divergencí, což je v rozporu s řadou předchozích molekulárních studií – otázkou je, do jaké míry za tímto výsledkem stojí relativně malý počet taxonů. Přerušovaná šedá čára reprezentuje časový horizont 50 Ma (raný eocén), na kterém už existovaly téměř všechny moderní ptačí "řády". Šedé proužky na jednotlivých uzlech vyznačují 95% intervaly kredibility pro příslušné datum divergence.
Ptačí druhy, odshora dolů: zebřička pestrá (Taeniopygia guttata), pěnkavka prostřední (Geospiza fortis), vrána americká (Corvus brachyrhynchos), pipulka zlatokrká (Manacus vitellinus), pokřovník zelený (Acanthisitta chloris), andulka vlnkovaná (Melopsittacus undulatus), nestor kea (Nestor notabilis), sokol stěhovavý (Falco peregrinus), seriema rudozobá (Cariama cristata), vlha núbijská (Merops nubicus), strakapoud osikový (Picoides pubescens), dvojzoborožec nosorožčí (Buceros rhinoceros), trogon horský (Apaloderma vittatum), kurol madagaskarský (Leptosomus discolor), myšák hnědokřídlý (Colius striatus), sova pálená (Tyto alba), orel bělohlavý (Haliaeetus leucocephalus), orel mořský (Haliaeetus albicilla), kondor krocanovitý (Cathartes aura), pelikán kadeřavý (Pelecanus crispus), volavka stříbřitá (Egretta garzetta), ibis čínský (Nipponia nippon), kormorán velký (Phalacrocorax carbo), buřňák lední (Fulmarus glacialis), tučňák kroužkový (Pygoscelia adeliae), tučňák císařský (Aptenodytes forsteri), potáplice malá (Gavia stellata), faeton žlutozobý (Phaethon lepturus), slunatec nádherný (Eurypyga helias), kulík zrzoocasý (Charadrius vociferus), jeřáb královský (Balearica regulorum), hoacin chocholatý (Opisthocomus hoazin), kalypta růžovohlavá (Calypte anna), rorýs ostnitý (Chaetura pelagica), lelek karolinský (Antrostomus carolinensis), drop hřívnatý (Chlamydotis macqueenii), turako červenokorunkatý (Tauraco erythrolophus), kukačka obecná (Cuculus canorus), mesit hnědý (Mesitornis unicolor), stepokur žlutohrdlý (Pterocles gutturalis), holub skalní (Columba livia), plameňák karibský (Phoenicopterus ruber), potápka roháč (Podiceps cristatus), kur domácí (Gallus gallus), krocan domácí (Meleagris gallopavo), kachna divoká (Anas platyrhynchos), tinama tečkovaná (Tinamus guttatus), pštros dvouprstý (Struthio camelus).
(Zdroj: Jarvis et al. 2014: Supplementary Materials: Figure S1)

Xu X, Zhou Z-H, Dudley R, Mackem S, Chuong C-M, Erickson GM, Varricchio DJ 2014 An integrative approach to understanding bird origins. Science 346 (6215): 1341 (Summary) + 1253293

Background:

The origin of birds is one of the most enduring and dramatic evolutionary debates. The hypothesis that the primarily small-sized birds are nested within a theropod dinosaur group that includes the gigantic Tyrannosaurus rex has been supported by strong fossil evidence, but until recently, several important issues remained unresolved, including the origins of feathers and flight, the “temporal paradox” (the coelurosaurian theropods occur too late in the fossil record to be ancestral to the Jurassic bird Archaeopteryx), and supposed homological incongruities (e.g., the suggested homologies of three fingers in tetanuran theropods are different from those of living birds). Recent discoveries of spectacular dinosaur fossils from China and elsewhere provide new information to address these issues.

Advances:

The discoveries of feathered dinosaur fossils from the Jurassic and Cretaceous sediments of China and elsewhere document a diverse range of feathers from monofilamentous feathers to highly complex flight feathers, which show a general evolutionary trend of increasing complexity leading to the cladogenesis of birds. The wide occurrence of foot feathers in Mesozoic theropods (i.e., short filamentous forms in relatively basal theropods and large vaned forms in derived theropods, including early birds) clarifies feather-scale relations and integumentary evolution pertinent to flight origins and also shows that bird flight likely evolved through a four-winged stage. With numerous discoveries of well-preserved dinosaur fossils over a wide range of geological periods, the morphological, functional, and temporal transition from ground-living to flight-capable theropod dinosaurs is now one of the best-documented major evolutionary transitions. Meanwhile, studies in disciplines other than paleontology provide new insights into how bird characteristics originated and evolved—such as feathers, flight, endothermic physiology, unique strategies for reproduction and growth, and an unusual pulmonary system. The iconic features of extant birds, for the most part, evolved in a gradual and stepwise fashion throughout theropod evolution. However, new data highlight occasional bursts of morphological novelty at certain stages close to the origin of birds and an unavoidable complex, mosaic evolutionary distribution of major bird characteristics on the theropod tree. Research into bird origins provides a model of how an integration of paleontological and neontological data can be used to gain a comprehensive understanding of the complexity surrounding major evolutionary transitions and to set new research directions.

Outlook:

 A refined, more robust phylogeny will be imperative to move our studies forward. A larger data set will help to increase the accuracy of phylogenetic reconstructions, but better character formulation and more accurate scorings are imperative at the current stage. In terms of character evolution, an integrative approach combining paleontological, neontological, developmental, temporal, and even paleoenvironmental data is particularly desirable. Greater examination of fossils pertaining to molecular information is also a potentially fruitful avenue for future investigation. Evolutionary scenarios for various aspects of the origin of birds have sometimes been constructed from neontological data, but any historical reconstruction must ultimately be tested using the fossil record. Consequently, dense fossil sampling along the line to modern birds and better understanding of transitional forms play key roles in such reconstructions.

Nejlepší shrnutí evoluce ptáků v jediném obrázku všech dob. Vybrané druhy archosauromorfů jsou zakresleny na časově kalibrované konsenzuální fylogenezi, jejíž topologie pro bazální teropody vychází z Rauhut et al. (2012) a topologie pro celurosaury z Turner et al. (2012). Výčty znaků u jednotlivých uzlů ukazují, v kterém místě ptačí kmenové linie (stem lineage) vznikly podle současných paleontologických poznatků klíčové evoluční novinky odlišující moderní ptáky od ostatních žijících zvířat. Stáří zobrazených taxonů ukazuje, že tzv. "temporal paradox", kterým v minulosti argumentovali odpůrci dinosauřího původu ptáků, neexistuje: známe řadu celurosaurů starších než Archaeopteryx (včetně zástupců ptačí sesterské skupiny) a stratigrafický výskyt obecně velmi dobře koresponduje s fylogenetickou pozicí (bazálnější taxony jsou starší než ty odvozené). Kosterní siluety po pravé straně ilustrují změny v celkové morfologii na vývojové linii vedoucí k ptákům. Odspoda nahoru: raný archosauriform Euparkeria, raný krokodylomorf Sphenosuchus, raný teropod Coelophysis, raný celurosaur (snad bazální tyrannosauroid) Proceratosaurus, raní paraviani Anchiornis (snad bazální avialan nebo troodontid) a Archaeopteryx (snad bazální avialan nebo bazální deinonychosaur), raný krátkoocasý pták Sapeornis, raný ornituromorf Yanornis, moderní pták Columba (holub).

Zkratky (od spodních uzlů k horním): (UB) průtoková dýchací soustava, (BMR) bazální metabolický výdej, (GR) rychlost růstu, (FF) vláknité peří, (SP) pneumatizace kostí, (BL) pohyb po dvou nohou, (CASPE) krční vzdušné vaky rozšířené směrem dozadu, (TFH) tříprstá ruka, (LFC) schopnost složit přední končetinu přitažením záprstí k předloktí, (KBL) pohyb založený na ohýbání kolene místo kyčle, (CCIASE) diferenciace klíčkového vzdušného vaku a břišních vzdušných vaků, (ES) velikost vajec, (VF) obrysová pera, (CE) zvětšení mozku v poměru k tělu, (AFC) schopnost mávavého pohybu předními končetinami, (PPO) obrácení stydké kosti dozadu, (SBT) krátký kostěný ocas, (ACVP) pokročilá kostosternální pumpa – plicní ventilace zajišťována rozpínáním a stlačováním hrudi pomocí svalů upínajících se na hrudní kost a žebra, (SAE) lehce asymetrická vejce, (MO) monoautochronní ovulace – v každém ovulačním cyklu uvolněno z obou vaječníků synchronizovaně právě jedno vajíčko, (IL) vejce snášená v denních nebo několikadenních intervalech, (PC) samčí péče o mláďata, (AL) pohyb vzduchem, (EM) extrémní miniaturizace, (AET) prodloužení a zesílení přední končetiny, (VABRE) rozvoj částí mozků spojených se zrakem, (IA) zvýšená asymetrie, (US) povrch skořápky bez ornamentace, (LP) nízká porozita, (TL) třetí (vnější) vrstva, (ICI) sezení na vejcích, (FPB) srůst pánevních kostí, (RLP) tyčkovitý pygostyl, (AOO) aktivní vaječník a vejcovod, (KS) kinetická lebka, (PSP) radlicovitý pygostyl, (RMILTAY) rychlé dosažení dospělosti v prvním roce života, (ECFSC) snůška vajec nepřikrytá sedimentem, (ER) otáčení vajec

Znaky související s evolucí vzdušných vaků (CASPE, CCIASE, ACVP) se zdají být založeny na kontroverzní studii Serena a spol. (2008); viz proto kritické poznámky Matta Wedela. Nejisté jsou i fylogenetické vztahy na bázi Paraves – více v tomto článku.

(Zdroj: Xu et al. 2014: Figure 2)

Mirarab S, Bayzid MdS, Boussau B, Warnow T 2014 Statistical binning enables an accurate coalescent-based estimation of the avian tree. Science 346(6215): 1337 (Summary) + 1250463

http://www.sciencemag.org/content/346/6215/1250463.abstract

Introduction:

Reconstructing species trees for rapid radiations, as in the early diversification of birds, is complicated by biological processes such as incomplete lineage sorting (ILS) that can cause different parts of the genome to have different evolutionary histories. Statistical methods, based on the multispecies coalescent model and that combine gene trees, can be highly accurate even in the presence of massive ILS; however, these methods can produce species trees that are topologically far from the species tree when estimated gene trees have error. We have developed a statistical binning technique to address gene tree estimation error and have explored its use in genomescale species tree estimation with MP-EST, a popular coalescent-based species tree estimation method.

Rationale:

In statistical binning, phylogenetic trees on different genes are estimated and then placed into bins, so that the differences between trees in the same bin can be explained by estimation error (see the figure). A new tree is then estimated for each bin by applying maximum likelihood to a concatenated alignment of the multiple sequence alignments of its genes, and a species tree is estimated using a coalescent-based species tree method from these supergene trees.

Results:

Under realistic conditions in our simulation study, statistical binning reduced the topological error of species trees estimated using MP-EST and enabled a coalescent-based analysis that was more accurate than concatenation even when gene tree estimation error was relatively high. Statistical binning also reduced the error in gene tree topology and species tree branch length estimation, especially when the phylogenetic signal in gene sequence alignments was low. Species trees estimated using MP-EST with statistical binning on four biological data sets showed increased concordance with the biological literature. When MP-EST was used to analyze 14,446 gene trees in the avian phylogenomics project, it produced a species tree that was discordant with the concatenation analysis and conflicted with prior literature. However, the statistical binning analysis produced a tree that was highly congruent with the concatenation analysis and was consistent with the prior scientific literature.

Conclusions:

Statistical binning reduces the error in species tree topology and branch length estimation because it reduces gene tree estimation error. These improvements are greatest when gene trees have reduced bootstrap support, which was the case for the avian phylogenomics project. Because using unbinned gene trees can result in overestimation of ILS, statistical binning may be helpful in providing more accurate estimations of ILS levels in biological data sets. Thus, statistical binning enables highly accurate species tree estimations, even on genome-scale data sets. 

Meredith RW, Zhang G, Gilbert MTP, Jarvis ED, Springer MS 2014 Evidence for a single loss of mineralized teeth in the common avian ancestor. Science 346(6215): 1336 (Summary) + 1254390

Introduction:

The absence of teeth or edentulism has evolved on multiple occasions within vertebrates, including birds, turtles, and a few groups of mammals (anteaters, baleen whales, and pangolins). There are also mammals with enamelless teeth (aardvarks, sloths, and armadillos). All toothless/enamelless vertebrates are descended from ancestors with enamelcapped teeth. In the case of birds, it is theropod dinosaurs. Instead of teeth, modern birds use a horny beak (rhamphotheca) and part of their digestive tract (muscular gizzard) to grind up and process food. The fossil record of early birds is fragmentary, and it is unclear whether tooth loss evolved in the common ancestor of all modern birds or convergently in two or more independent lineages.

Rationale:

Tooth formation in vertebrates is a complicated process that involves many different genes. Of these genes, six are essential for the proper formation of dentin (DSPP) and enamel (AMTN, AMBN, ENAM, AMELX, and MMP20). We examined these six genes in the genomes of 48 bird species, which represent nearly all living bird orders, as well as the American alligator, a representative of Crocodylia (the closest living relatives of birds), for the presence of inactivating mutations that are shared by all 48 birds. The presence of such shared mutations in dentin and enamel-related genes would suggest a single loss of mineralized teeth in the common ancestor of all living birds. We also queried the genomes of additional toothless/enamelless vertebrates, including three turtles and four mammals, for inactivating mutations in these genes. For comparison, we looked at the genomes of mammalian taxa with enamel-capped teeth.

Results:

All edentulous vertebrate genomes that were examined are characterized by inactivating mutations in DSPP, AMBN, AMELX, AMTN, ENAM, and MMP20, rendering these genes nonfunctional. The dentin-related gene DSPP is functional in vertebrates with enamelless teeth (sloth, aardvark, and armadillo). All six genes are functional in the American alligator and mammalian taxa with enamelcapped teeth. More important, 48 bird species share inactivating mutations in both dentin-related (DSPP) and enamel-related genes (ENAM, AMELX, AMTN, and MMP20), indicating that the genetic machinery necessary for tooth formation was lost in the common ancestor of all modern birds. Furthermore, the frameshift mutation rate in birds suggests that the outer enamel covering of teeth was lost about 116 million years ago.

Conclusions:

We postulate, on the basis of fossil and molecular evidence, a two-step scenario whereby tooth loss and beak development evolved together in the common ancestor of all modern birds. In the first stage, tooth loss and partial beak development commenced on the anterior portion of both the upper and lower jaws. The second stage involved concurrent progression of tooth loss and beak development from the anterior portion of both jaws to the back of the rostrum. We propose that this progression ultimately resulted in a complete horny beak that effectively replaced the teeth and may have contributed to the diversification of living birds.

Green RE, Braun EL, Armstrong J, Earl D, Nguyen N, Hickey G, Vandewege MW, St. John JA, Capella-Gutiérrez S, Castoe TA, Kern C, Fujita MK, Opazo JC, Jurka J, Kojima KK, Caballero J, Hubley RM, Smit AF, Platt RN, Lavoie CA, Ramakodi MP, Finger Jr JW, Suh A, Isberg SR, Miles L, Chong AY, Jaratlerdsiri W, Gongora J, Moran C, Iriarte A, McCormack J, Burgess SC, Edwards SV, Lyons E, Williams C, Breen M, Howard JT, Gresham CR, Peterson DG, Schmitz J, Pollock DD, Haussler D, Triplett EW, Zhang G, Irie N, Jarvis ED, Brochu CA, Schmidt CJ, McCarthy FM, Faircloth BG, Hoffmann FG, Glenn TC, Gabaldón T, Paten B, Ray DA 2014 Three crocodilian genomes reveal ancestral patterns of evolution among archosaurs. Science 346(6215): 1335 (Summary) + 1254449

Introduction:

Crocodilians and birds are the two extant clades of archosaurs, a group that includes the extinct dinosaurs and pterosaurs. Fossils suggest that living crocodilians (alligators, crocodiles, and gharials) have a most recent common ancestor 80 to 100 million years ago. Extant crocodilians are notable for their distinct morphology, limited intraspecific variation, and slow karyotype evolution. Despite their unique biology and phylogenetic position, little is known about genome evolution within crocodilians.

Rationale:

Genome sequences for the American alligator, saltwater crocodile, and Indian gharial—representatives of all three extant crocodilian families—were obtained to facilitate better understanding of the unique biology of this group and provide a context for studying avian genome evolution. Sequence data from these three crocodilians and birds also allow reconstruction of the ancestral archosaurian genome.

Results:

We sequenced shotgun genomic libraries from each species and used a variety of assembly strategies to obtain draft genomes for these three crocodilians. The assembled scaffold N50 was highest for the alligator (508 kilobases). Using a panel of reptile genome sequences, we generated phylogenies that confirm the sister relationship between crocodiles and gharials, the relationship with birds as members of extant Archosauria, and the outgroup status of turtles relative to birds and crocodilians. We also estimated evolutionary rates along branches of the tetrapod phylogeny using two approaches: ultraconserved element–anchored sequences and fourfold degenerate sites within stringently filtered orthologous gene alignments. Both analyses indicate that the rates of base substitution along the crocodilian and turtle lineages are extremely low. Supporting observations were made for transposable element content and for gene family evolution. Analysis of whole-genome alignments across a panel of reptiles and mammals showed that the rate of accumulation of microinsertions and microdeletions is proportionally lower in crocodilians, consistent with a single underlying cause of a reduced rate of evolutionary change rather than intrinsic differences in base-repair machinery. We hypothesize that this single cause may be a consistently longer generation time over the evolutionary history of Crocodylia. Low heterozygosity was observed in each genome, consistent with previous analyses, including the Chinese alligator. Pairwise sequential Markov chain analysis of regional heterozygosity indicates that during glacial cycles of the Pleistocene, each species suffered reductions in effective population size. The reduction was especially strong for the American alligator, whose current range extends farthest into regions of temperate climates.

Conclusion:

We used crocodilian, avian, and outgroup genomes to reconstruct 584 megabases of the archosaurian common ancestor genome and the genomes of key ancestral nodes. The estimated accuracy of the archosaurian genome reconstruction is 91% and is higher for conserved regions such as genes. The reconstructed genome can be improved by adding more crocodilian and avian genome assemblies and may provide a unique window to the genomes of extinct organisms such as dinosaurs and pterosaurs. 

Whitney O, Pfenning AR, Howard JT, Blatti CA, Liu F,  Ward JM, Wang R, Audet J-N, Kellis M, Mukherjee S, Sinha S, Hartemink AJ, West AE, Jarvis ED 2014 Core and region-enriched networks of behaviorally regulated genes and the singing genome. Science 346(6215): 1334 (Summary) + 1256780

Introduction:

Brain activity drives both behavior and regulated gene expression in neurons. Although past studies have identified activity-induced signaling and gene regulation cascades in cultured neurons, much less is known about how activity-dependent transcriptional networks are affected by the variations in cell-type composition, network interconnections, and firing patterns that comprise behaviorally active brain circuits in vivo.

Rationale:

We tested the hypothesis that behaviorally regulated gene expression is anatomically and temporally diverse and that the key determinants of this diversity are networks of transcription factors, their genomic binding sites, and epigenetic chromatin states. We analyzed genome-wide, singingregulated gene expression across time in the four major forebrain regions of the song control system in songbirds, a model of speech production in humans. We then performed a transcription factor motif analysis to identify gene regulatory networks enriched in each song nucleus and measured acetylation of histone 3 at lysine 27 (H3K27ac) to identify chromatin regions that were transcriptionally active in the genomes of song nuclei before and after singing.

Results:

We found that singing was associated with differential regulation of about 10% of all genes in the avian genome that came in several waves across time. Less than 1% of these genes were comparably regulated in all song nuclei tested, and these comprised a core set dominated by immediate-early gene (IEG) transcription factors. By contrast, the vast majority of singing-regulated genes were regulated in only one or a subset of song nuclei, such that each song nucleus had its own dominant subset of genes regulated with defined temporal profiles, controlling a variety of functions. The promoters of many of the singing-regulated genes contained binding motifs for known early-activated transcription factors (EATFs) that become active in response to neural firing, some of which were expressed differentially between song nuclei at baseline. One EATF, calciumresponse factor (CaRF), was tested with RNA interference knockdown in cultured neurons and found to regulate the predicted genes in response to neural activity, but was also found to modulate their expression even at baseline. More strikingly, we found with H3K27ac analysis that many song nucleus–specific singing-regulated genes did not show increased chromatin regulatory element activity after singing but rather already had primed region-specific regulatory activity before singing began.

Conclusions:

We propose a dual mechanism for the diversity of behaviorally regulated genes across different brain regions in vivo (see the figure). First, the neural activity associated with singing activates EATFs, and some TFs differentially expressed in brain regions at baseline, to trigger region-specific expression of their target genes. Second, brain region–specific enhancers near activity-regulated genes are waiting in an epigenetically primed state, ready to modulate transcription of general and song nucleus– specific genes at a moment’s notice when the neurons fire. The combination of these two mechanisms underlies a great diversity of behaviorally regulated gene expression, permitting each nucleus to perform its particular function in this complex behavior.

Pfenning AR, Hara E, Whitney O, Rivas MV, Wang R, Roulhac PL, Howard JT, Wirthlin M, Lovell PV, Ganapathy G, Mouncastle J, Moseley MA, Thompson JW, Soderblom EJ, Iriki A, Kato M, Gilbert MTP, Zhang G, Bakken T, Bongaarts A, Bernard A, Lein E, Mello CV, Hartemink AJ, Jarvis ED 2014 Convergent transcriptional specializations in the brains of humans and song-learning birds. Science 346(6215): 1333 (Summary) + 1256846

Introduction:

Vocal learning, the ability to imitate sounds, is a trait that has undergone convergent evolution in several lineages of birds and mammals, including song-learning birds and humans. This behavior requires cortical and striatal vocal brain regions, which form unique connections in vocal-learning species. These regions have been found to have specialized gene expression within some species, but the patterns of specialization across vocallearning bird and mammal species have not been systematically explored.

Rationale:

The sequencing of genomes representing all major vocal-learning and vocal-nonlearning avian lineages has allowed us to develop the genomic tools to measure anatomical gene expression across species. Here, we asked whether behavioral and anatomical convergence is associated with gene expression convergence in the brains of vocal-learning birds and humans.

Results:

We developed a computational approach that discovers homologous and convergent specialized anatomical gene expression profiles. This includes generating hierarchically organized gene expression specialization trees for each species and a dynamic programming algorithm that finds the optimal alignment between species brain trees. We applied this approach to brain region gene expression databases of thousands of samples and genes that we and others generated from multiple species, including humans and song-learning birds (songbird, parrot, and hummingbird) as well as vocalnonlearning nonhuman primates (macaque) and birds (dove and quail). Our results confirmed the recently revised understanding of the relationships between avian and mammalian brains. We further found that songbird Area X, a striatal region necessary for vocal learning, was most similar to a part of the human striatum activated during speech production. The RA (robust nucleus of the arcopallium) analog of song-learning birds, necessary for song production, was most similar to laryngeal motor cortex regions in humans that control speech production. More than 50 genes contributed to their convergent specialization and were enriched in motor control and neural connectivity functions. These patterns were not found in vocal nonlearners, but songbird RA was similar to layer 5 of primate motor cortex for another set of genes, supporting previous hypotheses about the similarity of these cell types between bird and mammal brains.

Conclusion:

Our approach can accurately and quantitatively identify functionally and molecularly analogous brain regions between species separated by as much as 310 million years from a common ancestor. We were able to identify analogous brain regions for song and speech between birds and humans, and broader homologous brain regions in which these specialized song and speech regions are located, for tens to hundreds of genes. These genes now serve as candidates involved in developing and maintaining the unique connectivity and functional properties of vocal-learning brain circuits shared across species. The finding that convergent neural circuits for vocal learning are accompanied by convergent molecular changes of multiple genes in species separated by millions of years from a common ancestor indicates that brain circuits for complex traits may have limited ways in which they could have evolved from that ancestor.

Zhou Q, Zhang J, Bachtrog D, An N, Huang Q, Jarvis ED, Gilbert MTP, Zhang G 2014 Complex evolutionary trajectories of sex chromosomes across bird taxa. Science 346(6215): 1332 (Summary) + 1246338

Introduction:

Sex chromosomes originate from ordinary autosomes. Ancient sexspecific W or Y chromosomes, like that of female chicken or those of male mammals, usually have lost most functional genes, owing to a loss of recombination with their former homologs, the Z or X chromosomes. Such a recombination restriction occurred in a stepwise manner along most of the sex chromosomes in parallel in birds and mammals (creating so-called “evolutionary strata”), apart from small pseudoautosomal regions (PARs) that maintain recombination. Sex chromosomes of some basal birds like ostrich and emu have exceptionally large recombining PARs, but little is known about the genomic composition of most bird species’ sex chromosomes.

Rationale:

Here we use the newly available genomes of 17 species spanning the entire avian phylogeny to decipher the genomic architecture and evolutionary history of bird sex chromosomes. We demarcate the PAR and the nonrecombining differentiated region between Z/W of each species by their different read depths relative to autosomes. We further assemble numerous W-linked genomic regions, whose abundance and sequence divergence level with Z chromosome reflect their ages of recombination loss.

Results:

Surprisingly, we find that more than half of the studied species have a W chromosome that is not completely degenerated. Besides ostrich and emu, some Neognathae species like tropicbird and killdeer also have long PARs. The nonrecombining regions between Z/W of many species exhibit a complex pattern of “evolutionary strata,” resulting from the suppression of recombination in a stepwise and independent manner among some lineages. We conclude that the first evolutionary stratum that contains the putative male-determining gene DMRT1 formed through a Z-linked chromosome inversion in an ancestor of all birds. This was followed by one stratum formed in the ancestor of Neognathae, one stratum in the ancestor of Neoaves, and independent emergence of more recent strata in most species. Many W-linked genes have disrupted protein function or reduced gene expression, and the rate of functional decay significantly slows down in older strata.

Conclusion:

Our study uncovered an unexpected complexity of avian sex chromosomes, due to the lineage-specific recombination suppressions and different tempo of W degeneration. In contrast to mammals, some birds never experienced global recombination arrest, or differentiate at a very low rate between Z/W even after the recombination loss. This may relate to different intensities of sexual selection across bird species and explain their lack of a general chromosome-wide dosage compensation mechanism.

Úvodníky, populárně-naučné shrnutí:

Zhang G, Jarvis ED, Gilbert MTP A flock of genomes. Science 346(6215): 1308–9

Kress WJ 2014 Valuing collections. Science 346(6215): 1310

http://www.sciencemag.org/content/346/6215/1310

This year brought dismal news about the world's birds: They are vanishing at an alarming rate. Across 25 European countries, about 420 million fewer birds are present today than in 1980, a 20% decrease, especially in the 36 most common species. In North America, The State of the Birds Report 2014 indicates that over the past 40 years, the numbers of individuals across 33 species are also down by hundreds of millions. Such assessments highlight the urgency of determining the precise causes of these declines. The knowledge gleaned from the Avian Phylogenomics Project, coupled with ecological and population analyses, should provide new insights into the factors that influence bird declines and extinctions. As the project progresses over the next few years, over 60% of tissue samples for the avian analyses will be derived from archived museum collections. In this era of deteriorating natural environments, a pressing challenge is to continue to build scientific collections for future needs.

Pennisi E 2014 Bird genomes give new perches to old friends. Science 346(6215): 1275–6

The placement of a strange South American bird called the hoatzin in the avian family tree is one of the many findings revealed this week from a massive international project analyzing the sequenced genomes of 48 bird species representing nearly every order of bird. The effort, involving 200 people from 80 labs and weeks of supercomputer time, has yielded the most definitive avian family tree yet. It has also pinpointed gene networks underlying the traits that make birds birds, such as feathers and beaks instead of teeth. In one provocative finding, a team has identified the gene network that underlies complex singing in birds—and found that the same network operates in humans, where it is presumably crucial to language. Already, 200 more bird genomes have been sequenced, with more waiting in the wings.

Genome Biology:

Cui J, Zhao W, Huang Z, Jarvis ED, Gilbert MTP, Walker PJ, Holmes EC, Zhang G 2014 Low frequency of paleoviral infiltration across the avian phylogeny. Genome Biol 15: 539

Background:

Mammalian genomes commonly harbor endogenous viral elements. Due to a lack of comparable genome-scale sequence data, far less is known about endogenous viral elements in avian species, even though their small genomes may enable important insights into the patterns and processes of endogenous viral element evolution.

Results:

Through a systematic screening of the genomes of 48 species sampled across the avian phylogeny we reveal that birds harbor a limited number of endogenous viral elements compared to mammals, with only five viral families observed: Retroviridae, Hepadnaviridae, Bornaviridae, Circoviridae, and Parvoviridae. All nonretroviral endogenous viral elements are present at low copy numbers and in few species, with only endogenous hepadnaviruses widely distributed, although these have been purged in some cases. We also provide the first evidence for endogenous bornaviruses and circoviruses in avian genomes, although at very low copy numbers. A comparative analysis of vertebrate genomes revealed a simple linear relationship between endogenous viral element abundance and host genome size, such that the occurrence of endogenous viral elements in bird genomes is 6- to 13-fold less frequent than in mammals.

Conclusions:

These results reveal that avian genomes harbor relatively small numbers of endogenous viruses, particularly those derived from RNA viruses, and hence are either less susceptible to viral invasions or purge them more effectively.

Weber CC, Nabholz B, Romiguier J, Ellegren H 2014 K_r/K_c but not d_N/d_S correlates positively with body mass in birds, raising implications for inferring lineage-specific selection. Genome Biol 15: 542

Background:

The ratio of the rates of non-synonymous and synonymous substitution (d_N/d_S) is commonly used to estimate selection in coding sequences. It is often suggested that, all else being equal, d_N/d_S should be lower in populations with large effective size (N_e) due to increased efficacy of purifying selection. As N_e is difficult to measure directly, life history traits such as body mass, which is typically negatively associated with population size, have commonly been used as proxies in empirical tests of this hypothesis. However, evidence of whether the expected positive correlation between body mass and d_N/d_S is consistently observed is conflicting.

Results:

Employing whole genome sequence data from 48 avian species, we assess the relationship between rates of molecular evolution and life history in birds. We find a negative correlation between d_N/d_S and body mass, contrary to nearly neutral expectation. This raises the question whether the correlation might be a method artefact. We therefore in turn consider non-stationary base composition, divergence time and saturation as possible explanations, but find no clear patterns. However, in striking contrast to d_N/d_S, the ratio of radical to conservative amino acid substitutions (K_r/K_c) correlates positively with body mass.

Conclusions:

Our results in principle accord with the notion that non-synonymous substitutions causing radical amino acid changes are more efficiently removed by selection in large populations, consistent with nearly neutral theory. These findings have implications for the use of d_N/d_S and suggest that caution is warranted when drawing conclusions about lineage-specific modes of protein evolution using this metric.

Weber CC, Boussau B, Romiguier J, Jarvis ED, Ellegren H 2014 Evidence for GC-biased gene conversion as a driver of between-lineage differences in avian base composition. Genome Biol 15: 549

Background:

While effective population size (N_e) and life history traits such as generation time are known to impact substitution rates, their potential effects on base composition evolution are less well understood. GC content increases with decreasing body mass in mammals, consistent with recombination-associated GC biased gene conversion (gBGC) more strongly impacting these lineages. However, shifts in chromosomal architecture and recombination landscapes between species may complicate the interpretation of these results. In birds, interchromosomal rearrangements are rare and the recombination landscape is conserved, suggesting that this group is well suited to assess the impact of life history on base composition.

Results:

Employing data from 45 newly and 3 previously sequenced avian genomes covering a broad range of taxa, we found that lineages with large populations and short generations exhibit higher GC content. The effect extends to both coding and non-coding sites, indicating that it is not due to selection on codon usage. Consistent with recombination driving base composition, GC content and heterogeneity were positively correlated with the rate of recombination. Moreover, we observed ongoing increases in GC in the majority of lineages.

Conclusions:

Our results provide evidence that gBGC may drive patterns of nucleotide composition in avian genomes and are consistent with more effective gBGC in large populations and a greater number of meioses per unit time; that is, a shorter generation time. Thus, in accord with theoretical predictions, base composition evolution is substantially modulated by species life history.

Li S, Li B, Cheng C, Xiong Z, Liu Q, Lai J, Carey HV, Zhang Q, Zheng H, Wei S, Zhang H, Chang L, Liu S, Zhang S, Yu B, Zeng X, Hou Y, Nie W, Guo Y, Chen T, Han J, Wang J, Wang J, Chen C, Liu J, Stambrook PJ, Xu M, Zhang G, Gilbert MTP, Yang H, Jarvis ED, Yu J, Yan J 2014 Genomic signatures of near-extinction and rebirth of the crested ibis and other endangered bird species. Genome Biol 15: 557

Background:

Nearly a quarter of all avian species is either threatened or nearly threatened. Of these, 73 species are currently being rescued from going extinct in wildlife sanctuaries. One of the previously most critically-endangered is the crested ibis, Nipponia nippon. Once widespread across North-East Asia, by 1981 only seven individuals from two breeding pairs remained in the wild. The recovering crested ibis populations thus provide an excellent example for conservation genomics since every individual bird has been recruited for genomic and demographic studies.

Results:

Using high-quality genome sequences of multiple crested ibis individuals, its thriving co-habitant, the little egret, Egretta garzetta, and the recently sequenced genomes of 41 other avian species that are under various degrees of survival threats, including the bald eagle, we carry out comparative analyses for genomic signatures of near extinction events in association with environmental and behavioral attributes of species. We confirm that both loss of genetic diversity and enrichment of deleterious mutations of protein-coding genes contribute to the major genetic defects of the endangered species. We further identify that genetic inbreeding and loss-of-function genes in the crested ibis may all constitute genetic susceptibility to other factors including long-term climate change, over-hunting, and agrochemical overuse. We also establish a genome-wide DNA identification platform for molecular breeding and conservation practices, to facilitate sustainable recovery of endangered species.

Conclusions:

These findings demonstrate common genomic signatures of population decline across avian species and pave a way for further effort in saving endangered species and enhancing conservation genomic efforts.

Lovell PV, Wirthlin M, Wilhelm L, Minx P, Lazar NH, Carbone L, Warren WC, Mello CV 2014 Conserved syntenic clusters of protein coding genes are missing in birds. Genome Biol 15: 565 

Background:

Birds are one of the most highly successful and diverse groups of vertebrates, having evolved a number of distinct characteristics, including feathers and wings, a sturdy lightweight skeleton and unique respiratory and urinary/excretion systems. However, the genetic basis of these traits is poorly understood.

Results:

Using comparative genomics based on extensive searches of 60 avian genomes, we have found that birds lack approximately 274 protein coding genes that are present in the genomes of most vertebrate lineages and are for the most part organized in conserved syntenic clusters in non-avian sauropsids and in humans. These genes are located in regions associated with chromosomal rearrangements, and are largely present in crocodiles, suggesting that their loss occurred subsequent to the split of dinosaurs/birds from crocodilians. Many of these genes are associated with lethality in rodents, human genetic disorders, or biological functions targeting various tissues. Functional enrichment analysis combined with orthogroup analysis and paralog searches revealed enrichments that were shared by non-avian species, present only in birds, or shared between all species.

Conclusions:

Together these results provide a clearer definition of the genetic background of extant birds, extend the findings of previous studies on missing avian genes, and provide clues about molecular events that shaped avian evolution. They also have implications for fields that largely benefit from avian studies, including development, immune system, oncogenesis, and brain function and cognition. With regards to the missing genes, birds can be considered ‘natural knockouts’ that may become invaluable model organisms for several human diseases.

GigaScience:

Zhang G, Li B, Li C, Gilbert MTP, Jarvis ED, Wang J, The Avian Genome Consortium 2014 Comparative genomic data of the Avian Phylogenomics Project. GigaScience 3: 26

Background:

The evolutionary relationships of modern birds are among the most challenging to understand in systematic biology and have been debated for centuries. To address this challenge, we assembled or collected the genomes of 48 avian species spanning most orders of birds, including all Neognathae and two of the five Palaeognathae orders, and used the genomes to construct a genome-scale avian phylogenetic tree and perform comparative genomics analyses (Jarvis et al. in press; Zhang et al. in press). Here we release assemblies and datasets associated with the comparative genome analyses, which include 38 newly sequenced avian genomes plus previously released or simultaneously released genomes of Chicken, Zebra finch, Turkey, Pigeon, Peregrine falcon, Duck, Budgerigar, Adelie penguin, Emperor penguin and the Medium Ground Finch. We hope that this resource will serve future efforts in phylogenomics and comparative genomics.

Findings:

The 38 bird genomes were sequenced using the Illumina HiSeq 2000 platform and assembled using a whole genome shotgun strategy. The 48 genomes were categorized into two groups according to the N50 scaffold size of the assemblies: a high depth group comprising 23 species sequenced at high coverage (>50X) with multiple insert size libraries resulting in N50 scaffold sizes greater than 1 Mb (except the White-throated Tinamou and Bald Eagle); and a low depth group comprising 25 species sequenced at a low coverage (~30X) with two insert size libraries resulting in an average N50 scaffold size of about 50 kb. Repetitive elements comprised 4%-22% of the bird genomes. The assembled scaffolds allowed the homology-based annotation of 13,000 ~ 17000 protein coding genes in each avian genome relative to chicken, zebra finch and human, as well as comparative and sequence conservation analyses.

Conclusions:

Here we release full genome assemblies of 38 newly sequenced avian species, link genome assembly downloads for the 7 of the remaining 10 species, and provide a guideline of genomic data that has been generated and used in our Avian Phylogenomics Project. To the best of our knowledge, the Avian Phylogenomics Project is the biggest vertebrate comparative genomics project to date. The genomic data presented here is expected to accelerate further analyses in many fields, including phylogenetics, comparative genomics, evolution, neurobiology, development biology, and other related areas.

Viz také:

http://gigadb.org/dataset/101000

http://gigadb.org/dataset/101041

Li C, Zhang Y, Li J, Kong L, Hu H, Pan H, Xu L, Deng Y, Li Q, Jin L, Yu H, Chen Y, Liu B, Yang L, Liu S, Zhang Y, Lang Y, Xia J, He W, Shi Q, Subramanian S, Millar CD, Meader S, Rands CM, Fujita MK, Greenwold MJ, Castoe TA, Pollock DD, Gu W, Nam K, Ellegren H, Ho SYW, Burt DW, Ponting CP, Jarvis ED, Gilbert TMP, Yang H, Wang J, Lambert DM, Wang J, Zhang G 2014 Two Antarctic penguin genomes reveal insights into their evolutionary history and molecular changes related to the cold Antartic environment. GigaScience 3: 27

Background:

Penguins are flightless aquatic birds widely distributed in the Southern Hemisphere. The distinctive morphological and physiological features of penguins allow them to live an aquatic life, and some of them have successfully adapted to the hostile environments in Antarctica. To study the phylogenetic and population history of penguins and the molecular basis of their adaptations to Antarctica, we sequenced the genomes of the two Antarctic dwelling penguin species, the Adélie penguin [Pygoscelis adeliae] and emperor penguin [Aptenodytes forsteri].

Results:

Phylogenetic dating suggests that early penguins arose ~60 million years ago, coinciding with a period of global warming. Analysis of effective population sizes reveals that the two penguin species experienced population expansions from ~1 million years ago to ~100 thousand years ago, but responded differently to the climatic cooling of the last glacial period. Comparative genomic analyses with other available avian genomes identified molecular changes in genes related to epidermal structure, phototransduction, lipid metabolism, and forelimb morphology.

Conclusions:

Our sequencing and initial analyses of the first two penguin genomes provide insights into the timing of penguin origin, fluctuations in effective population sizes of the two penguin species over the past 10 million years, and the potential associations between these biological patterns and global climate change. The molecular changes compared with other avian genomes reflect both shared and diverse adaptations of the two penguin species to the Antarctic environment.

O'Brien SJ, Haussler D, Ryder O 2014 The birds of Genome10K. GigaScience 3: 32

Everyone loves the birds of the world. From their haunting songs and majesty of flight to dazzling plumage and mating rituals, bird watchers - both amateurs and professionals - have marveled for centuries at their considerable adaptations. Now, we are offered a special treat with the publication of a series of papers in dedicated issues of Science, Genome Biology and GigaScience (which also included pre-publication data release). These present the successful beginnings of an international interdisciplinary venture, the Avian Phylogenomics Project that lets us view, through a genomics lens, modern bird species and the evolutionary events that produced them.

BMC Genomics:

Romanov MN, Farré M, Lithgow PE, Fowler KE, Skinner BM, O'Connor R, Fonseka G, Backström N, Matsuda Y, Nishida C, Houde P, Jarvis ED, Ellegren H, Burt DW, Larkin DM, Griffin DK 2014 Reconstruction of gross avian genome structure, organization and evolution suggests that the chicken lineage most closely resembles the dinosaur avian ancestor. BMC Genom 15: 1060

Background:

The availability of multiple avian genome sequence assemblies greatly improves our ability to define overall genome organization and reconstruct evolutionary changes. In birds, this has previously been impeded by a near intractable karyotype and relied almost exclusively on comparative molecular cytogenetics of only the largest chromosomes. Here, novel whole genome sequence information from 21 avian genome sequences (most newly assembled) made available on an interactive browser (Evolution Highway) was analyzed.

Results:

Focusing on the six best-assembled genomes allowed us to assemble a putative karyotype of the dinosaur ancestor for each chromosome. Reconstructing evolutionary events that led to each species' genome organization, we determined that the fastest rate of change occurred in the zebra finch and budgerigar, consistent with rapid speciation events in the Passeriformes and Psittaciformes. Intra- and interchromosomal changes were explained most parsimoniously by a series of inversions and translocations respectively, with breakpoint reuse being commonplace. Analyzing chicken and zebra finch, we found little evidence to support the hypothesis of an association of evolutionary breakpoint regions with recombination hotspots but some evidence to support the hypothesis that microchromosomes largely represent conserved blocks of synteny in the majority of the 21 species analyzed. All but one species showed the expected number of microchromosomal rearrangements predicted by the haploid chromosome count. Ostrich, however, appeared to retain an overall karyotype structure of 2n = 80 despite undergoing a large number (26) of hitherto un-described interchromosomal changes.

Conclusions:

Results suggest that mechanisms exist to preserve a static overall avian karyotype/genomic structure, including the microchromosomes, with widespread interchromosomal change occurring rarely (e.g., in ostrich and budgerigar lineages). Of the species analyzed, the chicken lineage appeared to have undergone the fewest changes compared to the dinosaur ancestor.

Wirthlin M, Lovell PV, Jarvis ED, Mello CV 2014 Comparative genomics reveals molecular features unique to the songbird lineage. BMC Genom 15: 1082

Background 

Songbirds (oscine Passeriformes) are among the most diverse and successful vertebrate groups, comprising almost half of all known bird species. Identifying the genomic innovations that might be associated with this success, as well as with characteristic songbird traits such as vocal learning and the brain circuits that underlie this behavior, has proven difficult, in part due to the small number of avian genomes available until recently. Here we performed a comparative analysis of 48 avian genomes to identify genomic features that are unique to songbirds, as well as an initial assessment of function by investigating their tissue distribution and predicted protein domain structure.

Results

Using BLAT alignments and gene synteny analysis, we curated a large set of Ensembl gene models that were annotated as novel or duplicated in the most commonly studied songbird, the Zebra finch (Taeniopygia guttata), and then extended this analysis to 47 additional avian and 4 non-avian genomes. We identified 10 novel genes uniquely present in songbird genomes. A refined map of chromosomal synteny disruptions in the Zebra finch genome revealed that the majority of these novel genes localized to regions of genomic instability associated with apparent chromosomal breakpoints. Analyses of in situ hybridization and RNA-seq data revealed that a subset of songbird-unique genes is expressed in the brain and/or other tissues, and that 2 of these (YTHDC2L1 and TMRA) are highly differentially expressed in vocal learning-associated nuclei relative to the rest of the brain.

Conclusions 

Our study reveals novel genes unique to songbirds, including some that may subserve their unique vocal control system, substantially improves the quality of Zebra finch genome annotations, and contributes to a better understanding of how genomic features may have evolved in conjunction with the emergence of the songbird lineage.

BMC Evolutionary Biology:

Greenwold MJ, Bao W, Jarvis ED, Hu H, Li C, Gilbert MTP, Zhang G, Sawyer RH 2014 Dynamic evolution of the alpha (α) and beta (β) keratins has accompanied integument diversification and the adaptation of birds into novel lifestyles. BMC Evol Biol 14: 249

Background:

Vertebrate skin appendages are constructed of keratins produced by multigene families. Alpha (α) keratins are found in all vertebrates, while beta (β) keratins are found exclusively in reptiles and birds. We have studied the molecular evolution of these gene families in the genomes of 48 phylogenetically diverse birds and their expression in the scales and feathers of the chicken.

Results:

We found that the total number of α-keratins is lower in birds than mammals and non-avian reptiles, yet two α-keratin genes (KRT42 and KRT75) have expanded in birds. The β-keratins, however, demonstrate a dynamic evolution associated with avian lifestyle. The avian specific feather β-keratins comprise a large majority of the total number of β-keratins, but independently derived lineages of aquatic and predatory birds have smaller proportions of feather β-keratin genes and larger proportions of keratinocyte β-keratin genes. Additionally, birds of prey have a larger proportion of claw β-keratins. Analysis of α- and β-keratin expression during development of chicken scales and feathers demonstrates that while α-keratins are expressed in these tissues, the number and magnitude of expressed β-keratin genes far exceeds that of α-keratins.

Conclusions:

These results support the view that the number of α- and β-keratin genes expressed, the proportion of the β-keratin subfamily genes expressed and the diversification of the β-keratin genes have been important for the evolution of the feather and the adaptation of birds into multiple ecological niches.

Wang Z, Zhang J, Yang W, An N, Zhang P, Zhang G, Zhou Q 2014 Temporal genomic evolution of bird sex chromosomes. BMC Evol Biol 14: 250

Background:

Sex chromosomes exhibit many unusual patterns in sequence and gene expression relative to autosomes. Birds have evolved a female heterogametic sex system (male ZZ, female ZW), through stepwise suppression of recombination between chrZ and chrW. To address the broad patterns and complex driving forces of Z chromosome evolution, we analyze here 45 newly available bird genomes and four species’ transcriptomes, over their course of recombination loss between the sex chromosomes.

Results:

We show Z chromosomes in general have a significantly higher substitution rate in introns and synonymous protein-coding sites than autosomes, driven by the male-to-female mutation bias (‘male-driven evolution’ effect). Our genome-wide estimate reveals that the degree of such a bias ranges from 1.6 to 3.8 among different species. G + C content of third codon positions exhibits the same trend of gradual changes with that of introns, between chrZ and autosomes or regions with increasing ages of becoming Z-linked, therefore codon usage bias in birds is probably driven by the mutational bias. On the other hand, Z chromosomes also evolve significantly faster at nonsynonymous sites relative to autosomes (‘fast-Z’ evolution). And species with a lower level of intronic heterozygosities tend to evolve even faster on the Z chromosome. Further analysis of fast-evolving genes’ enriched functional categories and sex-biased expression patterns support that, fast-Z evolution in birds is mainly driven by genetic drift. Finally, we show in species except for chicken, gene expression becomes more male-biased within Z-linked regions that have became hemizygous in females for a longer time, suggesting a lack of global dosage compensation in birds, and the reported regional dosage compensation in chicken has only evolved very recently.

Conclusions:

In conclusion, we uncover that the sequence and expression patterns of Z chromosome genes covary with their ages of becoming Z-linked. In contrast to the mammalian X chromosomes, such patterns are mainly driven by mutational bias and genetic drift in birds, due to the opposite sex-biased inheritance of Z vs. X.

PLOS ONE:

Pereira J, Johnson WE, O’Brien SJ, Jarvis ED, Zhang G, Gilbert MTP, Vasconcelos V, Antunes A 2014 Evolutionary genomics and adaptive evolution of the hedgehog gene family (Shh, Ihh, and Dhh) in vertebrates. PLOS ONE 9(12): e74132

The Hedgehog (Hh) gene family codes for a class of secreted proteins composed of two active domains that act as signalling molecules during embryo development, namely for the development of the nervous and skeletal systems and the formation of the testis cord. While only one Hh gene is found typically in invertebrate genomes, most vertebrates species have three (Sonic hedgehog – Shh; Indian hedgehog – Ihh; and Desert hedgehog – Dhh), each with different expression patterns and functions, which likely helped promote the increasing complexity of vertebrates and their successful diversification. In this study, we used comparative genomic and adaptive evolutionary analyses to characterize the evolution of the Hh genes in vertebrates following the two major whole genome duplication (WGD) events. To overcome the lack of Hh-coding sequences on avian publicly available databases, we used an extensive dataset of 45 avian and three non-avian reptilian genomes to show that birds have all three Hh paralogs. We find suggestions that following the WGD events, vertebrate Hh paralogous genes evolved independently within similar linkage groups and under different evolutionary rates, especially within the catalytic domain. The structural regions around the ion-binding site were identified to be under positive selection in the signaling domain. These findings contrast with those observed in invertebrates, where different lineages that experienced gene duplication retained similar selective constraints in the Hh orthologs. Our results provide new insights on the evolutionary history of the Hh gene family, the functional roles of these paralogs in vertebrate species, and on the location of mutational hotspots.

Genome Biology and Evolution:

Suh A, Churakov G, Ramakodi MP, Platt II RN, Jurka J, Kojima KK, Caballero J, Smit AF, Vliet KA, Hoffmann FG, Brosius J, Green RE, Braun EL, Ray DA, Schmitz J 2014 Multiple lineages of ancient CR1 retroposons shaped the early genome evolution of amniotes. Genome Biol Evol 7(1): 205–17

Chicken repeat 1 (CR1) retroposons are Long INterspersed Elements (LINEs) that are ubiquitous within amniote genomes and constitute the most abundant family of transposed elements in birds, crocodilians, turtles, and snakes. They are also present in mammalian genomes, where they reside as numerous relics of ancient retroposition events. Yet, despite their relevance for understanding amniote genome evolution, the diversity and evolution of CR1 elements has never been studied on an amniote-wide level. We reconstruct the temporal and quantitative activity of CR1 subfamilies via presence/absence analyses across crocodilian phylogeny and comparative analyses of twelve crocodilian genomes, revealing relative genomic stasis of retroposition during genome evolution of extant Crocodylia. Our large-scale phylogenetic analysis of amniote CR1 subfamilies suggest the presence of at least seven ancient CR1 lineages in the amniote ancestor; and amniote-wide analyses of CR1 successions and quantities reveal differential retention (presence of ancient relics or recent activity) of these CR1 lineages across amniote genome evolution. Interestingly, birds and lepidosaurs retained the fewest ancient CR1 lineages among amniotes and also exhibit smaller genome sizes. Our study is the first to analyze CR1 evolution in a genome-wide and amniote-wide context and the data strongly suggest that the ancestral amniote genome contained myriad CR1 elements from multiple ancient lineages, and remnants of these are still detectable in the relatively stable genomes of crocodilians and turtles. Early mammalian genome evolution was thus characterized by a drastic shift from CR1 prevalence to dominance and hyperactivity of L2 LINEs in monotremes and L1 LINEs in therians.

Journal of Comparative Neurology:

Wang R, Chen C-C, Hara E, Rivas MV, Roulhac PL, Howard JT, Chakraborty M, Audet J-N, Jarvis ED 2014 Convergent differential regulation of SLIT-ROBO axon guidance genes in the brains of vocal learners. 523(6): 892–906

Only a few distantly related mammals and birds have the trait of complex vocal learning, which is the ability to imitate novel sounds. This ability is critical for speech acquisition and production in humans, and is attributed to specialized forebrain vocal control circuits that have several unique connections relative to adjacent brain circuits. As a result, it has been hypothesized that there could exist convergent changes in genes involved in neural connectivity of vocal learning circuits. In support of this hypothesis, expanding on our related study (Pfenning et al. [2014] Science 346: 1256846), here we show that the forebrain part of this circuit that makes a relatively rare direct connection to brainstem vocal motor neurons in independent lineages of vocal learning birds (songbird, parrot, and hummingbird) has specialized regulation of axon guidance genes from the SLIT-ROBO molecular pathway. The SLIT1 ligand was differentially downregulated in the motor song output nucleus that makes the direct projection, whereas its receptor ROBO1 was developmentally upregulated during critical periods for vocal learning. Vocal non-learning bird species and male mice, which have much more limited vocal plasticity and associated circuits, did not show comparable specialized regulation of SLIT-ROBO genes in their non-vocal motor cortical regions. These findings are consistent with SLIT and ROBO gene dysfunctions associated with autism, dyslexia, and speech sound language disorders and suggest that convergent evolution of vocal learning was associated with convergent changes in the SLIT-ROBO axon guidance pathway.

Zdroje:

• Rauhut OWM, Foth C, Tischlinger H, Norell MA 2012 Exceptionally preserved juvenile megalosauroid theropod dinosaur with filamentous integument from the Late Jurassic of Germany. Proc Natl Acad Sci USA 109(29): 11746–51
• Sereno PC, Martinez RN, Wilson JA, Varricchio DJ, Alcober OA, Larsson HCE 2008 Evidence for avian intrathoracic air sacs in a new predatory dinosaur from Argentina. PLoS ONE 3(9): e3303
• Turner AH, Makovicky PJ, Norell MA 2012 A review of dromaeosaurid systematics and paravian phylogeny. Bull Am Mus Nat Hist 371: 1–206

    Brusatte a spol. analyzují rychlost morfologické evoluce na přechodu od neptačích dinosaurů k ptákům. Autoři se tak snaží otestovat hypotézu G. G. Simpsona, podle které je vznik nového tělního plánu doprovázen "vlnami" zrychlené morfologické evoluce.

Slepice (Gallus gallus f. domestica), konfuciusornitid Zhongornis (považovaný ovšem i za "přechodný článek" mezi dlouho- a krátkoocasými ptáky nebo dokonce skanzoriopterygidního oviraptorosaura – viz níže) a bazální eudromeosaur Bambiraptor. Tři zástupci extrémně úspěšného kladu Paraves, který se zdá v teropodní evoluci zaujímat zvláštní místo a blízko jehož báze došlo k převratným změnám v dinosauřím tělním plánu a tempu morfologické evoluce. (Zdroj: Ksepka 2014: Figure 1, kredit: Jason Brougham)

1. Fylogenetická analýza – matice a metodologie

    Základ jejich studie tvoří značně rozšířená verze datové matice TWG (Theropod Working Group). Ta je dlouhodobým – nyní již zhruba 20-letým – projektem skupiny výzkumníků soustředěné okolo American Museum of Natural History. Během těchto dvaceti let se matice postupně rozrůstala, až donedávna se ale stále potácela okolo 350 znaků. S prvním velkým rozšířením přišli Turner et al. (2012), kteří TWG zkombinovali s ptačí datovou maticí Clarke et al. (2006) a dostali se tak na celkových 474 znaků. (Viz ale recenzi této studie od Mickey Mortimerové, podle které se spojení obou matic autorům úplně nepovedlo a mnohá chybějící data ve výsledné supermatici chyběla zcela zbytečně.) Brusatte a spol. ale zacházejí ještě daleko dále: nejenže rozšířili matici na celkových 853 znaků, se kterými už konkuruje Megamatrici Andrey Cau'a, ale také významně zvýšili její taxon sampling. Ke vzorku Turnera a spol. Brusatte et al. (2014) přidávají hned 41 nových taxonů a jejich celkový počet tak zvyšují na 152. Zde dokonce Brusatte a spol. Megamatrici výrazně překonávají – ta ve své poslední publikované verzi (Lee et al. 2014) zahrnovala "jen" 120 taxonů z celého kladu Theropoda, zatímco nová studie se omezuje na celurosaury. S výjimkou dvou loni popsaných paravianů – eosinopteryga a aurornise (Godefroit et al. 2013a,b) – se na tomto přírůstku podílejí čistě bazální zástupci celurosaurů, jako jsou tyrannosauroidi nebo ornitomimosauři. Zatímco předchozí verze TWG matice se zaměřovaly na příbuzenství v rámci paravianů (tj. mezi dromeosauridy, troodontidy a avialami), Brusatte a spol. pokrývají celurosaury daleko uniformněji. Zatímco kódování paravianů nebylo změněno téměř vůbec a kódování non-paravianních maniraptorů jen málo, na kódování bazálních celurosaurů si autoři dali záležet – důkladně jej překontrolovali a v případě potřeby změnili. Konečně 5 taxonů žijících ptáků bylo kódováno "konzervativně", což znamená, že všechny znaky, kde jsou přesné homologie s bazálními celurosaury nejisté (jako je tomu např. u kůstek v ptačím zápěstí), byly kódovány jako neznámé.
    Brusatte a spol. pro svou analýzu používají metodu maximální parsimonie, která podle očekávání odkryla velké množství optimálních (nejkratších) stromů. Svou analýzu znakové evoluce autoři zakládají na jediném náhodně vybraném stromu z tohoto vzorku, a její robustnost vůči fylogenetické nejistotě ověřují tím, že jí zopakují pro 9 dalších náhodně vybraných stromů. Bayesovská analýza, která poskytuje vzorek aposteriorního rozdělení (tj. tisícovky stromů, které sice nejsou optimální, ale mají k optimu blízko), by byla pro tyto účely zřejmě vhodnější. Bayes by navíc umožnil odhadnout fylogenezi a její dataci současně (a to tak, že nejistota ve fylogenezi by byla vyintegrována při odhadu datace, a nejistota v dataci vyintegrována při odhadu fylogeneze), zatímco strom vzešlý z analýzy metodou nejvyšší parsimonie je třeba datovat v odděleném kroku pomocí jedné ze specializovaných škálovacích (time-scaling) metod (viz např. Bapst 2014 nebo nedávný článek o tip-dating metodách zde na blogu). Tuto výhodu bayesovského přístupu nedávno demonstrovali Lee et al. (2014) ve studii, o které budu ještě muset napsat více.

1.1 Fylogenetické výsledky

    V hlavních rysech je kladogram Brusatteho a spol. konzervativní. Nejbazálnějším celurosaurem (a jediným zástupcem této skupiny, který stojí mimo Tyrannoraptora) je Bicentenaria (na blogu viz zde), která si zde ve srovnání s původní analýzou Novase a spol. (2012) prohodila místo s tugulusaurem. V pěkné ukázce toho, jak vzácné jsou robustní výsledky v analýzách s velkým objemem chybějících dat, označují autoři bazální pozici bisentenárie za "well-supported" (Brusatte et al. 2014: S13), přestože její jackknife* je roven 65% a rozkladový index 2 – na stromě s celkovou délkou 3360 kroků! Tugulusaurus a Zuolong spolu s tyrannosauroidy a maniraptoriformy tvoří polytomii u báze Tyrannoraptora. Nerozřešené zůstávají příbuzenské vztahy na bázi maniraptoriformů (mezi kompsognátidy, ornitolestem, maniraptory a ornitomimosaury), maniraptorů (mezi terizinosaury, alvarezsauroidy a pennaraptory) a eumaniraptorů (mezi dromeosauridy, troodontidy a avialami). Stejně jako Megamatrice a na rozdíl od analýzy Turnera a spol. (2012) nová fylogeneze podporuje velmi široký rozsah tyrannosauroidů, do kterých spadají klady Coeluridae (Coelurus, Tanycolagreus) i Proceratosauridae (Guanlong a příbuzní, více zde) stejně jako opeřený Dilong. Podpora pro tyrannosauroidní příslušnost dilonga a proceratosauridů už je přitom skutečně slušná; jackknife zde činí 82%. Nqwebasaurus vyšel stejně jako v Choiniere et al. (2012) na pozici nejbazálnějšího ornitomimosaura.

Striktní konsenzus 99999 nejúspornějších stromů, vzešlých z analýzy 853 znaků a 146 ingroup taxonů (z nichž Unenlagia a Neuquenraptor jsou spojeni do jediného OTU), a posteriori ořezané o 5 "wildcard" taxonů. Čísla pod větvemi udávají podporu jednotlivých uzlů ve tvaru "rozkladový index/jackknife". Uzly bez čísel mají rozkladový index rovný 1 a jackknife pod 60%. (Modifikováno z Brusatte et al. 2014: Figures S1 a S2)

*Jackknife je metoda, která pomáhá odhadnout nejistotu v situaci, kdy analýzu nelze jednoduše zopakovat nad jinými vzorky stejné velikosti. Do úspornostní fylogenetiky ji zavedl Farris jako konkurenci pro bootstrap svého nesmiřitelného rivala, Joe'a Felsensteina. Stejně jako bootstrap i jackknife patří do širší rodiny neparametrických metod založených na resamplingu. Bootstrap z datové matice tahá s opakováním, dokud nevytvoří nový, fiktivní dataset – "pseudoreplikát" – o stejném počtu znaků. Jackknife místo toho určité procento náhodně vybraných znaků vyřadí z analýzy, takže pseudoreplikát je menší než původní matice. Z obou metod je jackknife používán méně; jeho statistické vlastnosti silně závisejí na tom, jaké procento znaků je vyřazeno (Felsenstein 2004).

1.2 Oviraptorosauři a skanzoriopterygidi

    Zřejmě největší překvapení se vyskytují uvnitř kladu Pennaraptora, tvořeného oviraptorosaury a paraviany. Brusatte a spol. jako jedni z mála do své analýzy zahrnuli taxon Pedopenna, který nenajdeme dokonce ani v Megamatrici (nebo aspoň v její ořezané, publikované verzi). Původní popis (Xu & Zhang 2005) pedopennu odkryl v trichotomii s avialami a deinonychosaury a trvalo devět let, než byla tato pozice ověřena další nezávislou studií. Foth et al. (2014) letos v létě odhalili pedopennu jako zástupce kladu zahrnujícího taxony Anchiornis, Xiaotingia a Eosinopteryx, který formoval sesterskou skupinu k "Archaeopteryx node". Brusatte a spol. ji nyní odkrývají v sesterském vztahu se skanzoriopterygidem epidexipterygem na samé bázi oviraptorosaurů.
    Ačkoli skanzoriopterygidi v předchozích verzích TWG matice vycházeli jako bazální avialy (např. Xu et al. 2011; Novas et al. 2012) a jednou jako non-eumaniraptoří paraviani (Turner et al. 2012), jejich příslušnost k oviraptorosaurům není úplnou novinkou. Andrea Cau v roce 2010 na svém blogu Theropoda poukázal na to, že skanzoriopterygidi, oviraptorosauři a sapeornitidi – nejbazálnější skupina krátkoocasých ptáků – sdílejí krátkou, hlubokou lebku se zvětšenými premaxillárními zuby, a navrhl existenci skupiny "Magnoviraptorosauria", která by tyto tři taxony spojila. Test v Megamatrici ale tuto hypotézu přesvědčivě zamítl ve prospěch konvenční fylogeneze. Xu et al. (2010; na blogu viz zde) navrhli podobnou hypotézu, ve které klad (Oviraptorosauria + Scansoriopterygidae) tvořil sesterskou skupinu ke kladu složenému z jeholornise a krátkoocasých ptáků; nepodpořili ji ale numerickou analýzou. Stejným nedostatkem trpí i letošní krajně pochybná analýza O'Connorové a Sullivana (2014), která v plném rozsahuje obnovuje hypotézu Magnoviraptorosauria, s tou výjimkou, že místo sapeornitidů v hypotetickém kladu figuruje Zhongornis – autoři nedokázali donutit matici Xu'a a spol. (2011), aby jim očekávaný výsledek odkryla. Agnolín & Novas (2013) se svou upravenou verzí TWG matice sesterský vztah mezi oviraptorosaury a skanzoriopterygidy skutečně odhalili, ale oviraptorosauři – stejně jako nyní u Brusatteho a spol. – zůstali ve své klasické pozici mimo Avialae. Brusatte et al. (2014) podotýkají, že skanzoriopterygidy přetahují do oviraptorosaurů hlavně znaky související s jejich krátkou a hlubokou lebkou (stejně jako v předchozích studiích) a že je tato pozice mimořádně slabá: jackknife klesl pod 50% a stačí jediný krok navíc, aby výsledný klad zkolaboval.

1.3 Báze Paraves

    Zajímavé výsledky se vyskytují i uvnitř eumaniraptorů. V posledních několika letech bylo z Číny popsáno několik drobných maniraptorů, kteří začali stírat hranici mezi deinonychosaury a ptáky: Anchiornis (Xu et al. 2008; viz článek na minulé verzi blogu), Xiaotingia (Xu et al. 2011; na blogu viz zde), Eosinopteryx (Godefroit et al. 2013a) a Aurornis (Godefroit et al. 2013b). Zatímco první dva z těchto taxonů se ještě povedlo zakomponovat do tradiční fylogeneze s jasně oddělenými dromeosauridy, troodontidy a avialami (Hu et al. 2009; Lee & Worthy 2011 – viz zde; Senter et al. 2012; Turner et al. 2012; Spencer & Wilberg 2013), s popisem eosinopteryga a aurornise se zdálo, že se paravianní fylogeneze změnila v dlouhý hřebínek, táhnoucí se od "tradičních" deinonychosaurů (kteří jsou sami parafyletičtí, neboť troodontidi mají k ptákům blíž než dromeosauridi) k bazálním avialám typu archeopteryga nebo jeholornise (Godefroit et al. 2013b; Foth et al. 2014; Lee et al. 2014; viz i Agnolín & Novas 2013). Brusatte a spol. nyní prezentují teprve čtvrtou (AFAIK) studii, která zahrnuje celou čtyřku problematických čtyřkřídlých opeřenců (Anchiornis, Aurornis, Eosinopteryx, Xiaotingia), a její výsledky jsou až neuvěřitelně nudné. Všechny tyto taxony jsou navzájem svými nejbližšími příbuznými (jejich přesné vzájemné vztahy zůstaly nerozřešené) a formují klad na samé bázi troodontidů. Rovněž Archaeopteryx tentokrát odolal svému občasnému pokušení přeskočit k deinonychosaurům (Xu et al. 2011; Godefroit et al. 2013a).
    Je tedy snad stále moc brzy na to, abychom zahazovali tradiční paravianní fylogenezi? Nemyslím si. Shoda mezi největší publikovanou datovou maticí (Lee et al. 2014) a nezávislou, ale rovněž obří maticí Fotha a spol. (2014; 560 znaků) je příliš působivá, než aby ji šlo ignorovat*, a břímě důkazu tak zůstává na zastáncích tradičního uspořádání – přestože Brusatte et al. (2014) v tomto ohledu určitě podnikají krok správným směrem.

*Mickey Mortimer na DML navíc podotkla, že matice Fotha a spol. nejenže je úplnější, ale také v průměru kvalitněji kódovaná než matice Turnera a spol., jejichž kódování paravianů ponechávají Brusatte a spol. beze změny.

1.4 Ptáci

    Co se ptáků týče, poměrně pochybnou se zdá být pozice sapeornise, který má k pygostylianům dál než Jeholornis. To by znamenalo, že k drastickému zkrácení ocasní části páteře došlo v ptačí evoluci dvakrát nezávisle na sobě, či případně (a ještě nepravděpodobněji) že Jeholornis svůj dlouhý kostěný ocas vyvinul nanovo. Brusatte et al. (2014) také neodkrývají monofyletické songlingornitidy a Lithornis – normálně pokládaný za létavého paleognáta a snad i za zástupce kmenové linie tinam (Mitchell et al. 2014)* stojí mimo korunní klad ptáků (Neornithes). Tento výsledek je v celé komplikované historii, která za maticí Brusatteho a spol. stojí, novinkou – Clarke et al. (2006) odhalili litornise jako paleognáta a Turner et al. (2012) stále aspoň jako neornita (stojícího v polytomii s neognáty a tinamou, jediným zahrnutým paleognátem). Pravděpodobně jde však čistě o důsledek znakového samplingu, který je uzpůsoben spíš k rozřešení velkoškálových vztahů mezi celurosaury než k testování rozsahu Neornithes. Tomu napovídá i fakt, že klad (tinama + neognáti) neobdržel vůbec žádnou statistickou podporu.

*Příbuzenství litornise s tinamami je ale velice pochybné a oba taxony jsou dost možná spojeny výhradně pleziomorfickými znaky, které všichni ostatní paleognáti ztratili společně se schopností létat (šlo by pak o případ tzv. "přitahování krátkých větví", short-branch attraction). Na DML jsem o tom napsal zde.

1.5 Nezahrnuté a vyřazené taxony

    Autoři také komentují kritéria, na základě kterých se rozhodli některé taxony a priori vyřadit z analýzy nebo je v ní naopak ponechat. Scipionyx a "Raptorex" (ve skutečnosti nejspíš jen mládě tarbosaura – Fowler et al. 2011) byli vyřazeni, neboť jsou známi výhradně z materiálu patřícího mláďatům. Juravenator, který je na tom stejně, byl v analýze ponechán, protože jeho materiál je mimořádně kompletní a může být kódován na více znaků než kterýkoli jiný bazální celurosaur. A posteriori vyřazení juravenatora z analýzy alespoň ukázalo, že (ne)přítomnost tohoto taxonu nijak neovlivňuje topologii zbytku stromu. Řada jiných kompsognátidů (Compsognathus, Mirischia, Huaxiagnathus, Sinocalliopteryx) se do analýzy nakonec dostala taky, protože i přes všeobecné podezření na jejich nedospělost (pěkně shrnuté Mickey Mortimerovou) zatím nebyla publikována žádná histologická data, která by jejich juvenilní status definitivně potvrdila. Do analýzy se dostal i Epidendrosaurus – ač zastoupen jen nedospělým jedincem, reprezentuje unikátní, druhově chudou a málo známou skupinu celurosaurů. Množství chybějících dat ale z epidendrosaura činí "divokou kartu", která snižuje celkové rozlišení stromu, takže na finálním kladogramu tento taxon chybí. Jixiangornis, pokládaný občas za synonymum jeholornise, byl v analýze ponechán, což se ukázalo jako moudré rozhodnutí. Nejenže je tento pták podle výsledků analýzy blíže příbuzný pygostylianům (jichž je dokonce sesterskou skupinou) než jeholornisovi, ale krátce po publikaci studie Brusatteho a spol. vyšla studie, která přesvědčivě argumentuje pro jixiangornisovu validitu (Lefèvre et al. 2014). Na druhou stranu je zajímavé, že po vyřazení jixiangornise Sapeornis a Jeholornis spadnou do trichotomie s kladem Pygostylia, což je rozhodně přijatelnější než primární strom, na kterém je první taxon bazálnější než ten druhý.
    Působivé také je, že autoři vyřazují četné taxony, jejichž kódování nemohli osobně přezkoumat. Yixianosaurus se např. v nedávné době stal předmětem hned několika studií, které se neshodly na jeho fylogenetické pozici (Dececchi et al. 2012 – bazální maniraptor; Xu et al. 2013 – blíže neurčitelný deinonychosaur), Brusatte a spol. se ale nechtějí spoléhat na dříve publikované práce a taxon raději ze své analýzy vynechávají. Podobně je na tom i Xinjiangovenator, jehož pozice je rovněž extrémně nejistá a kterému se navíc zatím dostalo jen krátkého popisu (Rauhut & Xu 2005). Vynechán je překvapivě i obří opeřený tyrannosauroid Yutyrannus, který je znám z téměř kompletní kostry: ani zde totiž autoři nemohli přezkoumat materiál osobně a obrázky publikované v původním popisu nejsou dost detailní na to, aby z nich šlo kódování ověřit.
    Poněkud nešťastným se naopak jeví vynechání orkoraptora, dříve občas odkrývaného mezi kompsognátidy (např. Dal Sasso & Maganuco 2011). Brusatte a spol. to zdůvodňují tím, že Benson et al. (2009; na blogu viz zde) přesvědčivě zdokumentovali orkoraptorovu příslušnost k allosauroidnímu kladu Neovenatoridae. Problém je v tom, že allosauroidní pozice velké části neovenatoridů – té části, kterou Benson et al. (2009) nazvali Megaraptora a která zahrnuje i orkoraptora – je podle všeho založena na znacích, které v rámci Tetanurae vykazují širší výskyt a najdeme je i u tyrannosauroidů, čili celurosaurů. Novas et al. (2013) se rozhodli tuto hypotézu otestovat a zkombinovali relevantní znaky z analýzy Bensona a spol. se znaky z matice zaměřené na tyrannosauroidy. Zatímco Neovenator zůstal uvnitř allosauroidů a Chilantaisaurus se ukázal být divokou kartou přeskakující napříč celým kladem Tetanurae, skupina Megaraptora – a to včetně až dosud spolehlivě non-celurosauřího fukuiraptora – přeskočila do celurosaurů, a to konkrétně mezi bazální tyrannosauroidy, kde obsadila sesterskou pozici vůči kladu (Xiongguanlong + Tyrannosauridae). Stejný závěr podpořila i lehce upravená verze téže analýzy, obohacená o data získaná z nově objeveného nedospělého jedince megaraptora (Porfiri et al. 2014), kde mezi megaraptory vklouzl dokonce i tradiční tyrannosauroid Eotyrannus. Andrea Cau sice v Megamatrici tuto hypotézu neodhalil jako nejúspornější, rozdíl oproti optimálnímu stromku byl ale příliš malý, než aby ji šlo zamítnout. Na apriorní vyřazování megaraptorů z celurosauřích analýz je tedy možná příliš brzy.
    Hluboko v Supplemental Information konečně najdeme zasuté i některé velmi překvapivé novinky. Brusatte a spol. jako část svého projektu na rozšíření TWG matice osobně přezkoumali materiál taxonu Nedcolbertia, považovaného za jednoho z nejbazálnějších celurosaurů (Holtz & Osmólska 2004; Dal Sasso & Maganuco 2011) a dospěli k závěru, že není jasné, zda přiřazený materiál (náležející několika různým jedincům) patří ke stejnému taxonu jako holotyp. Bagaraatan je podle dosud nepublikovaných informací Petera Makovickyho chimérou složenou z materiálu tyrannosauroida a non-tyrannosauroidního celurosaura, což by vysvětlovalo, proč v předchozích analýzách vyšel jednou jako non-eumaniraptoří paravian (Rauhut & Xu 2005) a jindy jako tyrannosauroid (Carr & Williamson 2010). Pochybnostmi je konečně obklopen i nedávno popsaný a tolik medializovaný Zhuchengtyrannus. Ten by se svými 10 až 12 metry mohl společně s tyrannosaurem a tarbosaurem tvořit "velkou trojku" odvozených pozdněkřídových tyrannosauridů, podle Brusatteho a spol. ale není jisté, zda lze příslušný materiál od tarbosaura odlišit, na což ve svém článku upozornil Dan Madzia.

2. Časová kalibrace

    Jak už bylo řečeno, k provedení rozborů znakové evoluce je nejprve třeba strom zkalibrovat tak, aby byly délky větví vyjádřeny v absolutním čase (milionech let). Na stromě získaném pomocí maximální parsimonie jsou ale délky vyjádřeny v celkovém počtu změn (který je součinem trvání větve a rychlosti evoluce), a i tento počet parsimonie odhaduje zkresleně (nekoriguje ho o nepozorované znakové změny, čímž ho podhodnocuje).
    Brusatte et al. (2014) vycházejí z metody, kterou poprvé aplikovali na paleontologické stromy Ruta et al. (2006) a která předpokládá existenci morfologických hodin (Bapst 2014). Na rozdíl od bayesovských tip-dating metod popsaných v předchozím článku jde přitom o hodiny striktní, nikoli relaxované, takže rychlost morfologické evoluce je konstantní napříč celým stromem. Brusatte a spol. zde vycházejí ze stejné metodologie, kterou použili ve své nedávné studii o bahnících (Lloyd et al. 2012); poněkud ji ale upravují. Lloyd et al. (2012) využívali tři zdroje informací: počet znakových změn na každé větvi (odhadnutý pomocí rekonstrukce ancestrálních znakových stavů metodami ACCTRAN a DELTRAN), bodový odhad stáří pro každou špičku stromu (náhodně vytažený z uniformního rozdělení na příslušném časovém intervalu) a počet chybějících znaků pro každou špičku stromu. S pomocí posledního údaje dokázali zkorigovat o chybějící data větve vedoucí ke špičkám – tím, že odhadnutý počet změn vynásobili počtem známých znaků a vydělili celkovým počtem znaků –, ale ne už vnitřní větve, čili zbytek stromu. To je zjevně neuspokojivé: celý strom (včetně vnitřních větví) totiž odhadujeme jen z dat na špičkách, a obráceně by se proto i neúplnost dat měla promítat do celého stromu, a nikoli jen do jeho koncových větví.
    Aby se tomuto problému vyhnuli, Brusatte a spol. škálují strom ještě před tím, než odhadnou ancestrální stavy na jeho vnitřních uzlech. Musejí proto opustit morfologické hodiny (které závisejí na počtu znakových změn, který zase závisí na ancestrálních stavech) a přecházejí k jednodušší metodě, známé jako "equal" nebo "branch sharing" time-scaling. V prvním kroku analýzy je stáří každého kladu ztotožněno se stářím jeho nejstaršího zástupce. Tím ale vznikají větve s nulovou délkou – na každou bifurkaci dokonce připadá minimálně jedna, takže ve výsledku má nulovou délku nejméně jedna polovina všech větví na stromě. To je evidentně problematické: pokud na takové větvi došlo k jedné nebo více změnám, nulová délka implikuje nekonečně vysoké tempo evoluce. Aby se tomuto problému zamezilo, stáří kořene stromu se navýší o určitou arbitrární hodnotu a větvím s nulovou délkou se povolí sdílet sdílet dobu trvání s předcházející větví nenulové délky v takovém poměru, aby byla každá z výsledných větví stejně dlouhá. Na základě webových stránek Graeme'a Lloyda, autora této metody; slide'ů z Lloydovy přednášky; podrobné dokumentace k software'ovému balíčku paleotree od Davida Bapsta; a konečně Bapstovy prezentace z SVP 2012 jsem se pokusil nakreslit následující obrázek:

Metoda pro časové kalibrování (time-scaling) paleontologických stromů využitá ve studi Brusatteho a spol. (2014). Počáteční data se skládají z nedatované fylogeneze (1) a stratigrafického výskytu příslušných taxonů (2). Přesné stáří každého taxonu je náhodně vybráno z časových intervalů v bodě (2). V prvním kroku analýzy (3) jsou stáří zkombinována s topologií za zjednodušujícího předpokladu, že každý klad je právě tak starý, jako jeho nejstarší zástupce. Výsledkem jsou četné větve s nulovou délkou, které na obrázku vedou ke špičkám B, D, G a kladům (A+B+C) a (F+G). Ty jsou v následujícím kroku (4) odstraněny tím, že se kořen stromu posune o určitý časový interval (vyznačený šedě) do minulosti a větve s nulovou délkou se o čas rovnoměrně podělí s větvemi nenulové délky pod sebou (vyznačeno červeně a modře). Překresleno podle Lloyda (slide 15) a Bapsta (slides 43 a 45). (Zdroj: vlastní ilustrace)

    Na takto kalibrovaném stromě Brusatte a spol. odhadli ancestrální stavy metodou maximální věrohodnosti a spočetli počet znakových změn na každé větvi, přičemž brali v úvahu jen ty znaky, jejichž stav byl známý na obou koncích dané větve. Stejně jako Lloyd et al. (2012) pak použili počet známých znaků ke korekci odhadnutého počtu změn; tentokrát se ale tato korekce vztahuje na všechny větve včetně vnitřních. V této fázi tedy pro každou větev známe celkový počet změn $l$ a trvání v čase $t$, a můžeme proto spočítat rychlost $r$, se kterou se daná větev vyvíjela, jako $r = lt^{-1}$.

3. Analýzy tempa evoluce

    V dalším kroku autoři přistoupili k dvěma testům. První z nich měl odhalit, zda se určité větve vyvíjejí signifikantně rychleji či naopak pomaleji než zbytek stromu. Jak ukazují Lloyd et al. (2012), v této situaci chceme srovnat nulovou hypotézu, podle které je tempo evoluce na všech $k$ větvích stejné ($\lambda_1 = \lambda_2 = \dots = \lambda_k$), s alternativní hypotézou, podle které je tempo evoluce stejné pro všechny větve kromě $i$-té ($\lambda_i \neq \lambda_1 = \lambda_2 = \dots = \lambda_{i-1} = \lambda_{i+1} = \dots = \lambda_k$). Klíčovou statistikou je pak
\begin{equation}
D = - 2 \ln \left( \frac{L_1}{L_2} \right),
\end{equation}
kde $L_1$ je nejvyšší hodnota, které věrohodnostní funkce nabývá, pokud platí nulová hypotéza, a $L_2$ je absolutní maximum věrohodnostní funkce. V tomto konkrétním případě je tedy $L_1$ věrohodnost nejlepšího odhadu pro jediné tempo evoluce, které je podle nulové hypotézy společné všem větvím na stromě (získaného z dat na všech větvích), zatímco $L_2$ je věrohodnost nejlepšího odhadu pro tempo evoluce na $i$-té větvi (odhadnuté pouze z této větve samotné) a pro tempo evoluce společné pro všechny ostatní větve (odhadnuté z dat na všech větvích kromě $i$-té), ať už jsou tato dvě tempa stejná nebo ne.
    Druhý test se ptá, zda se ve srovnání se zbytkem stromu vyvíjí signifikantně rychleji či pomaleji určitý klad. Rychlost evoluce kladu $C$ se přitom spočte jako součet změn na všech větvích uvnitř tohoto kladu podělený celkovou dobou trvání těchto větví:
\begin{equation}
r_C = \frac{\sum\nolimits_i l_i}{\sum\nolimits_i t_i} \forall i \in C
\end{equation}
    Opět se využije test věrohodnostního poměru z rovnice (1). Čitatel ($L_1$) zůstává stejný, zatímco jmenovatel ($L_2$) se nyní rovná věrohodnosti nejlepšího odhadu pro tempo evoluce společné pro všechny větve uvnitř kladu $C$ a pro tempo evoluce společné všem větvím mimo klad $C$, ať už jsou tato dvě tempa stejná nebo ne.
    Všech 6 kenozoických taxonů přítomných v původním datasetu (žijící ptáci a Lithornis) bylo z datasetu vyřazeno, protože reprezentují pouze malý zlomek celkové diverzity post-mezozoických celurosaurů. Autoři také analýzy prováděli opakovaně na mnoha replikátech, aby se ujistili, že drobné změny v hodnotách klíčových údajů nemají vliv na hlavní výsledky. Jak bylo uvedeno výše, přesné stáří autoři tahali náhodně z uniformního rozdělení nad stratigrafickým rozsahem každého taxonu (který je jen vzácně znám s větší přesností než jako jeden celý stupeň, tj. interval o šířce několika milionů let). Jelikož doba trvání větve ovlivňuje jak věrohodnostní odhad ancestrálních stavů (a potažmo tedy i množství znakových změn $l$), tak i výpočet tempa evoluce v pozdější fázi analýzy, autoři tahání opakovali, dokud nezískali 100 různých replikátů. Nad každým z nich pak provedli dva výše popsané věrohodnostní testy. Počet replikátů byl omezený velikostí datasetu a náročností celého postupu: Lloyd et al. (2012) jich např. použili 1000.
    Brusatte a spol. dále použili celou řadu testů, aby překontrolovali validitu svých závěrů. První z nich už byl zmíněný výše: celá analýza byla zopakována na 9 dalších náhodně vybraných nejúspornějších stromech, z nichž pro každý bylo použito 25 replikátů a nad každým replikátem byly provedeny oba výše uvedené testy.
    Druhý test se zaměřoval na nejistotu ohledně doby trvání větví: autoři pomocí balíčku paleotree (Bapst 2012) překalibrovali strom metodou minimální délky (minimum branch length). Ta větve s nulovou délkou odstraňuje prostým přičtením určité arbitrárně zvolené hodnoty, přičemž čas přidaný k pozdějším větvím je odečten z větví předcházejících (viz opět zde). Brusatte et al. (2014) stanovili minimální povolenou délku větve na 1 milion let a kalibrovali tímto způsobem stejný nejúspornější strom, který byl použit pro primární analýzu, se 100 replikáty lišícími se v přesné dataci špiček.
    Třetí analýza nastavila všem větvím stejnou ("jednotkovou") délku, čímž se rychlost evoluce stala přímo úměrnou počtu znakových změn a zcela nezávislou na čase. I zde byl použit stromek z primární analýzy se 100 datačními replikáty.
    Ve čtvrtém rozboru byly ze stromu náhodně odstraňovány taxony tak, aby byla každá z 9 hlavních linií (Tyrannosauroidea, Compsognathidae, Ornithomimosauria, Therizinosauria, Alvarezsauroidea, Oviraptorosauria, Dromeosauridae, Troodontidae, Avialae) zastoupena pouhými 6 špičkami. (Tento počet byl přizpůsoben velikosti nejmenšího taxonu, kterým jsou kompsognátidi.) Celkem takto bylo ořezáno 1000 různých stromů – každému z nich byla náhodně přidělena stáří špiček a jedna z deseti topologií, se kterými pracovaly předchozí testy. V tomto místě jsou překvapivě citováni Fitch & Bruschi (1987) – molekulárněfylogenetická studie o bakteriích, která zdůraznila (již tehdy dobře známý) fakt, že počet znakových změn na určité větvi koreluje s počtem uzlů, které na této větvi leží. Druhově chudé větve, které prodělaly jen málo štěpení, tak zdánlivě vykazují nízkou rychlost znakové evoluce. Prostříhané stromy mají tento efekt eliminovat.
    Konečně pátý test měl za úkol odhalit potenciální rozdíly v rychlostech evoluce mezi koncovými a vnitřními větvemi a případně eliminovat jejich vliv na analýzu. Celkový počet znakových změn by totiž mohl být podhodnocen tím, že úspornostní fylogenetické analýzy obvykle nesamplují znaky, které jsou unikátní pro jednu špičku z celého stromu (= autapomorfie). Autoři proto modifikovali oba věrohodnostní testy popsané výše: každou vnitřní větev porovnali jen se všemi ostatními vnitřními větvemi, každou koncovou větev se všemi ostatními koncovými větvemi, vnitřní větve uvnitř určitého kladu s vnitřními větvemi mimo tento klad, a koncové větve daného kladu s ostatními koncovými větvemi. Použito opět bylo 10 topologií, každá po 25 replikátech.

Konsenzus nejúspornějších stromů (většina maniraptořích kladů je pro přehlednost zkolabována) s vyznačenými rychlostmi morfologické evoluce. Výsečové grafy na jednotlivých větvích ukazují, v kolika ze 100 replikátů beroucích v úvahu nejistou dataci se dané větve vyvíjejí signifikantně odlišnou rychlostí oproti zbytku stromu. Červeně jsou vyznačeny signifikantně rychlé větve, modře signifikantně pomalé větve a bíle non-signifikantní větve. Velké výsečové grafy stejným způsobem ilustrují, zda se ve srovnání se zbytkem stromu vyvíjejí odlišně některé z devíti hlavních celurosauřích podskupin. Siluety ilustrující jednotlivé klady pocházejí z webové stránky PhyloPic, projektu Mike'a Keeseyho poskytujícího Public Domain a Creative Commons ilustrace žijících i vymřelých organizmů. (Modifikováno z Brusatte et al. 2014: Figures 1 a 2)

4. Rychlosti evoluce

    Analýza odhaluje signifikantně zvýšené rychlosti evoluce u ptáků (avial) a do menší míry i u tyrannosauroidů. V obou případech je tento výsledek robustní vůči použité topologii a metodě časové kalibrace. Trochu problematické je, že je robustní i vůči třetímu testu (s větvemi jednotkové délky), což naopak naznačuje, že by mohlo jít o artefakt nerovnoměrného znakového samplingu. (Rychlejší evoluci vidíme, protože se mění víc znaků, víc znaků se mění, protože jsme jich víc zahrnuli do analýzy.) Brusatte et al. (2014) konstatují, že právě tato příčina zřejmě stojí za zdánlivou zrychlenou evolucí tyrannosauroidů – TWG matice totiž povyrostla na 853 znaků z velké části díky tomu, že ji autoři zkombinovali s relativně velkou (více než 200 znaků) datovou maticí zaměřenou speciálně na tyrannosauroidy. V případě avial jsou Brusatte a spol. klidnější: sampling TWG matice je sice jednoznačně zkreslený ve prospěch paravianů, nedá se ale říct, že by některému ze tří hlavních paravianních kladů (Dromaeosauridae, Troodontidae, Avialae) ve srovnání s ostatními nadržoval. Je sice pravda, že stejným způsobem, jakým byla nyní do TWG vhozena tyrannosauroidní matice, do ní už dříve Turner et al. (2012) začlenili ptačí matici od Clarke et al. (2006), tehdy však šlo spíše o nápravu předchozího undersamplingu.
    O tom, že zrychlená evoluce avial je skutečný signál a zrychlená evoluce tyrannosauroidů pouhý artefakt, svědčí i některé z výše popsaných testů. Některé replikáty primární analýzy (s odlišnými délkami větví) zvýšené tempo evoluce u tyrannosauroidů neodhalily, a někdy dokonce zaznamenaly opačný výsledek (signifikantní zpomalení). Zatímco ptákům vysoké rychlosti evoluce při taxonomickém subsamplingu (redukce všech skupin na 6 špiček) sice poklesly, ale zůstaly; tyrannosauroidi přecházejí do druhého extrému a stávají se nejvýznamněji "pomalým" kladem, který dokonce neobsahuje vůbec žádné "rychlé" větve. Oddělená analýza vnitřních a koncových větví přináší rozporuplné výsledky: tyrannosauroidi vykazují signifikantně zvýšenou rychlost evoluce, dokud se díváme na vnitřní větve, ale při analýze koncových větví přestává být jejich odlišnost signifikantní. Zdá se tedy, že ptáci zaujímají v celurosauří evoluci výjimečné postavení. To potvrzuje i skutečnost, že zvýšenou rychlost evoluce vykazuje i celá linie, která spojuje ptáky s bází maniraptoriformů, zatímco žádný z "vedlejších" kladů, které se z ní odštěpují, signifikantně zrychlený není. Částečnou výjimkou je jen skupina Microraptoria, která ale chybí na striktním konsenzu nejúspornějších stromů, a pochybný klad (Anchiornis + Aurornis + Eosinopteryx + Xiaotingia).

Modely znakové evoluce: horizontální osa reprezentuje čas, vertikální osa morfologickou variabilitu. Odshora dolů: "early burst" model (zpomalující evoluce), Ornstein-Uhlenbeckův proces, "late burst" model (akcelerující evoluce). (Zdroj: anoleannals.org, kredit: Travis Ingram)

    Brusatte a spol. konstatují, že jejich studie podporuje "early burst" model, podle kterého evoluce znaků v určitém kladu probíhá nejrychleji krátce po jeho vzniku a postupně se zpomaluje s tím, jak se zaplňují ekologické niky (viz např. Slater & Pennell 2013). Uvádějí také, že zatímco jiné nedávné velkoškálové studie odkryly buď pozvolné trendy začínající dlouho před vznikem ptáků, nebo významné inovace uvnitř ptáků samotných, v jejich studii je významné zvýšení tempa evoluce lokalizováno přesně u ptačího původu (dochází k němu na větvi pod uzlem Avialae). Tímto výrokem se vracejí ke kontroverzi, která se vynořila ve velkoškálových studiích dinosauří evoluce posledních několika let: byli to skutečně ptáci (ve smyslu avial), kteří se v něčem signifikantně odlišovali od ostatních dinosaurů, nebo ke vzniku klíčových evolučních novinek došlo už dříve (či naopak později)? Shodou okolností se přitom právě letos objevila celá lavina studií, které tuto otázku adresovaly, a většina z nich je se závěry Brusatteho a spol. v rozporu.
    Puttick et al. (2014) např. explicitně zdůraznili, že "Paraves, rather than Aves alone, shifted to a different evolutionary model relative to other coelurosaurian theropods" (Puttick et al. 2014: 1503). Zatímco na větvi přímo pod Paraves došlo ke zrychlení evoluce tělesných rozměrů a relativní délky předních končetin, autoři našli "little evidence for elevated rates leading to or within Aves" (Puttick et al. 2014: 1505).* Benson et al. (2014) o několik měsíců později identifikovali na dinosauřím stromě celkem 23 míst, kde došlo mimořádným změnám tělesných rozměrů. Jejich distribuce naznačuje "early burst" během triasových počátků dinosauří radiace, po kterém rychlosti evoluce začaly klesat, a to s jedinou výjimkou, kterou opět představovala ptačí kmenová linie (a především maniraptoři). Jedině větev táhnoucí se k moderním ptákům si dokázala udržet vysoké tempo evoluce a soustavně produkovat další a další ekologické inovace po celých 170 milionů let od vzniku dinosaurů po katastrofu na přelomu K/Pg – a, jak ukázali např. Jetz et al. (2012), vlastně i po ní. Ani Benson et al. (2014) ale nezaznamenali, že by vznik ptáků samotných představoval nějakou mimořádnou událost – ke skokovým změnám tělesných rozměrů došlo buď už předtím (např. u báze kladů Maniraptora a Pennaraptora), nebo až potom (Ornithuromorpha). Konečně Lee et al. (2014) zaznamenali zvýšené rychlosti evoluce na celém dlouhém úseku ptačí kmenové linie (od vzniku Neotetanurae po vznik Paraves) a konstatovali, že "[t]he branch leading to “birds” (Avialae, Aves sensu lato) does not undergo exceptional amounts of evolution" (Lee et al. 2014: Supplementary Materials: 13).

*S velmi podobným, ale paradoxně opačným závěrem přišli o rok dříve i Benson & Choiniere (2013), podle kterých kdesi v blízkém okolí vzniku ptáků prudce vzrostla disparita zadních končetin, což vedlo k "increased diversification rates, unparalleled in magnitude at any other time in the first 155 Myr of theropod evolution". Jejich pokus lokalizovat tuto událost nějak přesněji ale odhalil, že "the most likely node for this rate shift is Pygostylia" – k zásadnímu posunu nemělo dojít těsně před vznikem ptáků, nýbrž až těsně po něm. Puttick et al. (2014) považovali tento rozdíl oproti vlastním výsledkům za důsledek odlišné metodologie, která na rozdíl od jejich programu MEDUSA (viz krátce zde) nedokázala identifikovat změny v rychlosti evoluce specifické pro konkrétní větev.

5. Morfologická odlišnost

    Brusatte a spol. naopak neodhalili žádnou morfologickou propast, která by ptáky odlišovala od ostatních teropodů. K otestování relativní odlišnosti ptáků od ostatních celurosaurů autoři zkonstruovali morfoprostor z datové matice své fylogenetické analýzy, kterou pro tyto účely považují za ideální. Dělením znaků do několika málo diskrétních stavů se sice ztrácí informace, z praktického hlediska je však takový přístup při zacházení s fragmentárními fosiliemi často užitečnější než morfometrie poskytující spojitá data. Problémem by neměla být ani nepřítomnost autapomorfií, typická pro všechny datasety šité na míru metodě maximální parsimonie. (I zde je výjimkou Megamatrice – viz komentáře Andrey Cau'a na toto téma na TetZoo.) Podle autorů by problematické bylo naopak jejich zahrnutí, které by mohlo uměle zvyšovat relativní odlišnost nedávno popsaných a/nebo lépe studovaných taxonů. Datová matice byla transformována na matici párových euklidovských vzdáleností, kterou autoři podrobili vícerozměrnému škálování metodou hlavních koordinát. To snížilo dimenzionalitu dat na 145 os, z nichž bylo pro další analýzu použito 125 těch, které dohromady zachycují 90% celkové variability.

Celurosauří morfoprostor. Analýza metodou hlavních koordinát rozprostřela celkovou variabilitu na 145 os, z nichž každá vysvětluje výše celkové variability než ta následující. Pro hlavní analýzy autoři využili 125 os, v grafech výše jsou zobrazené první 3 osy, které vysvětlují nejvíc variability (dohromady 4,25%). V prvním grafu je zanesena osa 2 (1,48% variability) vůči ose 1 (1,57%); v druhém grafu je zanesena osa 3 (1,19%) proti ose 2. Barevné značení je názorně vysvětleno výše (viz také předchozí obrázek). Ptáci (tmavě fialová) se zřetelně odlišují od ostatních celurosaurů podél osy 1, ale podél žádné jiné osy už nikoli, a celkově jsou tak v rámci celurosaurů morfologicky poměrně nevýrazní. (Modifikováno z Brusatte et al. 2014: Figure 3)

    Permutační testy neprokázaly, že by avialy v morfoprostoru zaujímaly signifikantně odlišnou pozici než ostatní celurosauři. Tento závěr byl přitom nezávislý na tom, zda bylo s ostatními podskupinami celurosaurů kontrastováno jen 22 druhohorních ptáků, nebo se k nim přidalo i 6 post-mezozoických taxonů; s výsledkem nepohnulo ani zahrnutí čtveřice (Anchiornis, Aurornis, Eosinopteryx, Xiaotingia) do avial místo troodontidů. Obecně se zdá, že jednotlivé podskupiny celurosaurů jsou od sebe v morfoprostoru statisticky nerozeznatelné. Analýza ale odhalila signifikantní rozdíly mezi oviraptorosaury a deinonychosaury, mezi oviraptorosaury a terizinosaury, a mezi tyrannosauroidy a ornitomimosaury, což znamená, že tyto dvojice taxonů jsou si navzájem nepodobnější více, než ptáci a jejich nejbližší příbuzní. Podle autorů tento fakt vysvětluje, proč mají ve fylogenetických analýzách taxony jako Anchiornis nebo Archaeopteryx (a jejich příklady bychom mohli rozšířit o xiaotingii, balaura, rahonavise, mikroraptoriany a unenlagiiny) sklon přeskakovat mezi deinonychosaury a avialami.
    Autoři dále porovnali euklidovské vzdálenosti mezi 22 ptáky a 21 dromeosauridy (celkem 462 párových vzdáleností) a stejnými 22 ptáky a 16 troodontidy (352 vzdáleností) s kontrolní skupinou, sestávající z 2534 párů celurosaurů, kde oba členové páru patřili do jiné z osmi hlavních neptačích celurosauřích podskupin (viz výše). V další analýze byly euklidovské vzdálenosti mezi 22 ptáky a 37 deinonychosaury (814 vzdáleností) porovnány s kontrolní skupinou sestávající z 2198 párů ostatních celurosaurů. Cílem bylo ukázat, zda se ptáci od svých nejbližších příbuzných v průměru odlišují víc, než se od svých nejbližších příbuzných odlišují jiné celurosauří skupiny. Rozdíly zde sice existovaly a díky značné velikosti vzorku byly statisticky významné, v praxi ale byly zanedbatelné (rozdíly středních hodnot kolísaly mezi 0,8% a 1,3%.). Navíc se ukázalo, že druhohorní ptáci nezabírají více morfoprostoru než ostatní skupiny celurosaurů, a to hned podle čtyř různých měřítek. U některých vzdálenějších kladů sice jedno nebo dvě měřítka odhalila statisticky signifikantní rozdíl oproti ptákům, nikdy ale nebyl zaznamenán významný rozdíl mezi morfoprostorem zabíraným ptáky a morfoprostorem zabíraným jejich nejbližšími příbuznými, jako jsou dromeosauridi, troodontidi a oviraptorosauři.

6. Implikace pro ptačí evoluci

    Na základě těchto zjištění Brusatte a spol. konstatují, že navzdory prudkému zvýšení rychlosti evoluce u báze avial neexistuje mezi ptáky a ostatními celurosaury prakticky žádná morfologická mezera, a druhohorního přírodovědce by zřejmě nenapadlo rozlišovat mezi zvířaty typu velociraptora a zvířaty typu archeopteryga. Obrovský evoluční úspěch ptáků zřejmě nebyl důsledkem jediné klíčové adaptace, ale pozvolné akumulace řady odlišných znaků, které dnes tak zřetelně odlišují ptáky od ostatních obratlovců. Teprve tehdy, když se nashromáždily všechny a jako díly skládačky zapadly na své místo v rámci toho, čemu dnes říkáme ptačí tělní plán, se ptákům otevřela cesta k rapidní diverzifikaci a expanzi mimo svůj doposud nevýrazně vymezený morfoprostor.
    Brusatte a spol. uzavírají svou práci konstatováním, že ačkoli se jednotlivé studie neshodnou na tom, kde přesně na fylogenetickém stromě došlo k prudkému zvýšení tempa evoluce, existuje velmi silná evidence, že k takové události v těsné blízkosti vzniku ptáků skutečně došlo. Přechod mezi dinosaury a ptáky představoval zcela unikátní fázi dinosauří evoluce, během které došlo v rychlém sledu k zásadním změnám v evoluci tělesných rozměrů, délky předních končetin a celé řady diskrétních morfologických znaků. Jde tedy o podporu jak "early burst" modelu znakové evoluce, tak i staré teorie adaptivních radiací G. G. Simpsona. Podle autorů jsou zvýšené rychlosti morfologické evoluce charakteristickým doprovodem pro vznik nového tělního plánu, a nezáleží přitom na to, zda byl tento plán získán náhle nebo – jako u ptáků – postupným skládáním celé řady klíčových inovací.

7. Ksepka (2014)

    Current Biology vedle studie Brusatteho a spol. otiskla i doprovodnou práci Daniela Ksepky, známého především svým výzkumem fosilních tučňáků (na blogu viz např. zde). Ksepka (2014) nejprve ukazuje, jak se nejnovější studie nedokážou shodnout na fylogenetických pozicích taxonů Anchiornis, Archaeopteryx, Aurornis nebo Xiaotingia, se zvláštní zmínkou balaura a rahonavise, kteří – navzdory své dosavadní zdánlivé neproblematičnosti – začali mezi ptáky a jejich nejbližšími příbuznými přeskakovat také. Autor také shrnuje výsledky Putticka a spol. (2014), Bensona a spol. (2014) a Leeho a spol. (2014), přičemž jeho interpretace je podobná té, kterou v primární studii nabízejí Brusatte s kolektivem. I když se tyto práce liší ve svém určení přesného místa, kde se evoluce tělesných rozměrů výrazně urychlila, všechny se shodují na tom, že ptáci stojí na konci dlouhodobé miniaturizace, která vyvrcholila proražením dosavadní spodní velikostní hranice 1 kilogramu, umožňujícím vznik aktivního letu. Co je nejdůležitější, tato výjimečná linie teropodů dokázala navázat na svůj druhohorní úspěch i po katastrofickém vymírání na přelomu K/Pg, a dala tak vzniknout skupině zvířat s ohromující rozmanitostí, bez které si dnešní ekosystémy nedovedeme představit: žijícím ptákům.

Zdroje:

• http://theropoddatabase.blogspot.com/.../turner-et-al-2012-great-review-sloppy.html
• http://theropoda.blogspot.com/2010/06/coming-soon-flying-oviraptorosaurs-from.html
• http://theropoddatabase.blogspot.cz/2014/02/zhongornis-probably-isnt.html
• http://dml.cmnh.org/2014Jul/msg00111.html
• http://dml.cmnh.org/2014May/msg00140.html
• http://theropoddatabase.blogspot.com/.../its-amazing-how-young-most-theropod.html
• http://theropoda.blogspot.com/2013/08/quo-vadis-megaraptor.html
• http://www.graemetlloyd.com/methdpf.html
• http://www.slideshare.net/graemelloyd/...algorithm-for-dating-phylogenies-of-fossil-taxa
• http://github.com/dwbapst/paleotree/blob/master/paleotree/R/timePaleoPhy.R
• http://www.slideshare.net/dwbapst/svp-2012
• http://.../tetrapod-zoology/...shrinking-theropod-dinosaurs/#comment-17305
• Agnolín FL, Novas FE 2013 Avian ancestors: a review of the phylogenetic relationships of the theropods Unenlagiidae, Microraptoria, Anchiornis and Scansoriopterygidae. 1–96 in Lohmann G, Mysak LA, Notholt J, Rabassa J, Unnithan V, eds. SpringerBriefs South America and the Southern Hemisphere. Dordrecht, Heidelberg, New York, London: Springer Verlag
• Bapst DW 2012 paleotree: an R package for paleontological and phylogenetic analyses of evolution. Methods Ecol Evol 3(5): 803–7
• Bapst DW 2014 Preparing paleontological datasets for phylogenetic comparative methods. 515–44 in Garamszegi LZ, ed. Modern Phylogenetic Comparative Methods and Their Application in Evolutionary Biology. Berlin and Heidelberg: Springer-Verlag
• Benson RBJ, Campione NE, Carrano MT, Mannion PD, Sullivan C, Upchurch P, Evans DC 2014 Rates of dinosaur body mass evolution indicate 170 million years of sustained ecological innovation on the avian stem lineage. PLoS Biol 12(5): e1001853
• Benson RBJ, Carrano MT, Brusatte SL 2009 A new clade of archaic large-bodied predatory dinosaurs (Theropoda: Allosauroidea) that survived to the latest Mesozoic. Naturwiss 97(1): 71–8
• Benson RBJ, Choiniere MT 2013 Rates of dinosaur limb evolution provide evidence for exceptional radiation in Mesozoic birds. Proc R Soc B 280(1768): 20131780
• Brusatte SL, Lloyd GT, Wang SC, Norell MA 2014 Gradual assembly of avian body plan culminated in rapid rates of evolution across the dinosaur-bird transition. Curr Biol 24(20): 2386–92
• Carr TD, Williamson TE 2010 Bistahieversor sealeyi, gen. et sp. nov., a new tyrannosauroid from New Mexico and the origin of deep snouts in Tyrannosauroidea. J Vert Paleont 30(1): 1–16
• Choiniere JN, Forster CA, de Klerk WJ 2012 New information on Nqwebasaurus thwazi, a coelurosaurian theropod from the Early Cretaceous (Hauteriverian?) Kirkwood Formation in South Africa. J Afr Earth Sci 71-72: 1–17
• Clarke JA, Zhou Z-H, Zhang F-C 2006. Insight into the evolution of avian flight from a new clade of Early Cretaceous ornithurines from China and the morphology of Yixianornis grabaui. J Anat 208: 287–308
• Dal Sasso C, Maganuco S 2011 Scipionyx samniticus (Theropoda: Compsognathidae) from the Lower Cretaceous of Italy: osteology, ontogenetic assessment, phylogeny, soft tissue anatomy, taphonomy and palaeobiology. Mem Soc Ital Sci Nat Mus Civ Stor Nat Milano 37(1): 1–281
• Dececchi TA, Larsson HCE, Hone DWE 2012 Yixianosaurus longimanus (Dinosauria: Theropoda) and its bearing on the evolution of Maniraptora and ecology of the Jehol fauna. Vert PalAs 50(2): 111–39
• Felsenstein J 2004 Inferring Phylogenies. Sunderland, MA: Sinauer Associates
• Fitch WM, Bruschi M 1987 The evolution of prokaryotic ferredoxins—with a general method correcting for unobserved substitutions in less branched lineages. Mol Biol Evol 4(4): 381–94
• Foth C, Tischlinger H, Rauhut OWM 2014 New specimen of Archaeopteryx provides insights into the evolution of pennaceous feathers. Nature 511(7507): 79–82
• Fowler DW, Woodward HN, Freedman EA, Larson PL, Horner JR 2011 Reanalysis of “Raptorex kriegsteini”: a juvenile tyrannosaurid dinosaur from Mongolia. PLoS ONE 6(6): e21376
• Godefroit P, Cau A, Hu D-Y, Escuillié F, Wu W-H, Dyke GJ 2013b A Jurassic avialan dinosaur from China resolves the early phylogenetic history of birds. Nature 498(7454): 359–62
• Godefroit P, Demuynck H, Dyke GJ, Hu D-Y, Escuillié F, Claeys P 2013a Reduced plumage and flight ability of a new Jurassic paravian theropod from China. Nature Comms 4: 1394
• Holtz TR Jr, Osmólska H 2004 Saurischia. 21−4 in Weishampel DB, Dodson P, Osmólska H, eds. The Dinosauria 2nd edition. Berkeley, CA: Univ of California Press
• Hu D-Y, Hou L-H, Zhang L-J, Xu X 2009 A pre-Archaeopteryx troodontid theropod from China with long feathers on the metatarsus. Nature 461(7264): 640–3
• Jetz W, Thomas GH, Joy JB, Hartmann K, Mooers AØ 2012 The global diversity of birds in space and time. Nature 491(7424): 444–8
• Ksepka DT 2014 Evolution: A rapid flight towards birds. Curr Biol 24(21): R1052–5
• Lee MSY, Cau A, Naish D, Dyke GJ 2014 Sustained miniaturization and anatomical innovation in the dinosaurian ancestors of birds. Science 345(6196): 562–6
• Lee MSY, Worthy TH 2011 Likelihood reinstates Archaeopteryx as a primitive bird. Biol Lett 8(2): 299–303
• Lefèvre U, Hu D-Y, Escuillié F, Dyke GJ, Godefroit P 2014 A new long-tailed basal bird from the Lower Cretaceous of north-eastern China. Biol J Linn Soc 113(3): 790–804
• Lloyd GT, Wang SC, Brusatte SL 2012 Identifying heterogeneity in rates of morphological evolution: discrete character change in the evolution of lungfish (Sarcopterygii; Dipnoi). Evolution 66(2): 330–48
• Mitchell KJ, Llamas B, Soubrier J, Rawlence NJ, Worthy TH, Wood J, Lee MSY, Cooper A 2014 Ancient DNA reveals elephant birds and kiwi are sister taxa and clarifies ratite bird evolution. Science 344(6186): 898–900 [Supplementary Materials]
• Novas FE, Agnolín FL, Ezcurra MD, Porfiri J, Canale JI 2013 Evolution of the carnivorous dinosaurs during the Cretaceous: The evidence from Patagonia. Cretac Res 45: 174–215
• Novas FE, Ezcurra MD, Agnolin FL, Pol D, Ortíz R 2012 New Patagonian Cretaceous theropod sheds light about the early radiation of Coelurosauria. Rev Mus Argentino Cienc Nat 14(1): 57–81
• O'Connor JK, Sullivan C 2014 Reinterpretation of the Early Cretaceous maniraptoran (Dinosauria: Theropoda) Zhongornis haoae as a scansoriopterygid-like non-avian, and morphological resemblances between scansoriopterygids and basal oviraptorosaurs. Vert PalAs 52(1): 3–30
• Porfiri JD, Novas FE, Calvo JO, Agnolín FL, Ezcurra MD, Cerda IA 2014 Juvenile specimen of Megaraptor (Dinosauria, Theropoda) sheds light about tyrannosauroid radiation. Cretac Res 51: 35–55
• Puttick MN, Thomas GH, Benton MJ 2014 High rates of evolution preceded the origin of birds. Evolution 68(5): 1497–510
• Rauhut OWM, Xu X 2005 The small theropod dinosaurs Tugulusaurus and Phaedrolosaurus from the Early Cretaceous of Xinjiang, China. J Vert Paleont 25(1): 107–18
• Ruta M, Wagner PJ, Coates MI 2006 Evolutionary patterns in earlytetrapods. I. Rapid initial diversification followed by decrease in ratesof character change. Proc R Soc B 273(1598): 2107–11
• Senter P, Kirkland JI, DeBlieux DD, Madsen S, Toth N 2012 New dromaeosaurids (Dinosauria: Theropoda) from the Lower Cretaceous of Utah, and the evolution of the dromaeosaurid tail. PLoS ONE 7(5): e36790
• Slater GJ, Pennell MW 2013 Robust regression and posterior predictive simulation increase power to detect early bursts of trait evolution. Syst Biol 63(3): 293–308
• Spencer MR, Wilberg EW 2013 Efficacy or convenience? Model-based approaches to phylogeny estimation using morphological data. Cladistics 29(6): 663–71
• Turner AH, Makovicky PJ, Norell MA 2012 A review of dromaeosaurid systematics and paravian phylogeny. Bull Am Mus Nat Hist 371: 1–206
• Xu X, Ma Q-Y, Hu D-Y 2010 Pre-Archaeopteryx coelurosaurian dinosaurs and their implications for understanding avian origins. Chin Sci Bull 55(35): 3971–7
• Xu X, Sullivan C, Wang S 2013 The systematic position of the enigmatic theropod dinosaur Yixianosaurus longimanus. Vert PalAs 51(3): 169–83
• Xu X, You H-L, Du K, Han F-L 2011 An Archaeopteryx-like theropod from China and the origin of Avialae. Nature 475(7357): 465–70
• Xu X, Zhang F-C 2005 A new maniraptoran dinosaur from China with long feathers on the metatarsus. Naturwiss 92(4): 173–7
• Xu X, Zhao Q, Norell MA, Sullivan C, Hone DWE, Erickson GM, Wang X-L, Han F-L, Guo Y 2008 A new feathered maniraptoran dinosaur fossil that fills a morphological gap in avian origin. Chin Sci Bull 54(3): 430–5