系統学的解析が明らかにする、直翅目における音響コミュニケーションへの進化の道筋
オープンアクセス
公開日：2020年10月02日
系統学的解析が明らかにする、直翅目における音響コミュニケーションへの進化の道筋
https://www.nature.com/articles/s41467-020-18739-4
ホジュン・ソン
オリヴィエ・ベスー
...
サブリナ・シモン
著者を表示する
ネイチャーコミュニケーションズ11巻、記事番号：4939（2020） この記事を引用する
12kアクセス
60件の引用
136 Altmetric
メトリクス詳細
この記事の著者訂正が2020年11月3日に掲載されました。
この記事は更新されました
概要
音響コミュニケーションは、特殊化した聴覚器官と音を出す器官の進化によって可能になる。本研究では、コオロギ、キリギリス、バッタなど多くの身近な鳴く昆虫を含む昆虫目直翅目において、聴覚と音生成の両方がどのように進化し、多様化に影響を与えたかを理解するために、大規模なマクロ進化研究を行った。系統発生学的データを用いて、直翅目における主要系統間の系統関係と分岐時間の推定、さらに聴覚器官と発音器官の系統特異的かつ動的な進化パターンを明らかにした。Ensifera亜目では、前翅に基づく斜頸と脛骨鼓膜の耳が共進化したと推測されるが、Caelifera亜目では、腹部鼓膜の耳はまず非性的に進化し、その後、音を出す器官が進化したときに、性的なシグナル伝達に利用されたと考えられる。しかし、聴覚や発音器官の進化が、音響コミュニケーションが知られている系統の多様化率を高めたという証拠はほとんどない。
はじめに
音響コミュニケーションは、動物の間で最も目立つシグナル伝達手段のひとつである。音響シグナルの使用は、硬骨魚類、カエル、鳥類、鯨類、陸生哺乳類、昆虫などでよく報告されている。さらに、交尾、獲物の位置、捕食者の回避、その他の相互作用の中で、シグナルの発信者と受信者が複雑に絡み合い、共進化してきた結果、今日のサウンドスケープの驚くべき多様性と複雑性が生まれた1,2,3,4。
信号の発信と受信は音響コミュニケーションの2大要素であり、専用の音発生器官とそれに適合する聴覚感覚器官によって実現される。動物界全体では、脊椎動物や「無脊椎動物」の異なる系統が、聴覚と音生成のための多様な構造とメカニズムを独自に進化させてきた4,5,6,7。例えば、脊椎動物のすべての内耳構造は、シルル紀の硬骨魚類に見られる同じ構造に行き着くが8、鼓膜の耳はカエル、哺乳類、爬虫類で独自に進化した6。音を出す器官としては、喉頭の声帯は四肢動物で何度か進化しており6、鳥類ではシリンクスと呼ばれる独自の器官が進化している9。昆虫については、鼓膜の耳を使って音を聞く能力は、少なくとも7つの異なる目（直翅目、外套膜目、半翅目、神経翅目、鞘翅目、双翅目）で独自に進化しており、少なくとも15の体の部位が関与している10,11,12,13。鼓膜がなくても体内の感覚器官が音に感応することが示されている14,15から、鼓膜の耳がないからといって、他の目の昆虫が聞こえないとは限らないが、鼓膜の耳は明らかに、広い周波数帯域で高感度の遠距離聴覚を可能にしている14。振動器やティンバルのような特殊な器官を使って、長距離を伝わる音を出す能力は、少なくとも6つの昆虫目（双翅目、鞘翅目、半翅目、鱗翅目、套翅目、直翅目）で進化しており、多くの体の部位が関与している6,11,16。
聴覚と音生成の近接メカニズムや、音響シグナリングの多様性を推進する進化過程に焦点を当てた研究は多いが1,2,3,10,17,18,19,20、そもそも聴覚器官や音生成器官がいつ、どのように、どのような背景で進化したのか、またこれらの器官が系統発生に沿ってどのように共進化してきたのかという疑問については、まだ十分に解明されていない7,11,12。音響信号を利用する昆虫の場合、これらの構造が元々どのように進化してきたかについては、少なくとも2つの有力な見解がある11,12。第一の見解は、脊椎動物の捕食者を発見し、そこから逃れるための適応として進化したというものである7,11,12,21,22,23。鼓膜聴力は、ガ24,25、カマキリ26、バッタ27で実証されているように、捕食者の動きに対する環境の一般的な聴覚監視の中で進化した可能性がある。同様に、初期型の喘鳴器官も、脱力行動の一部として、防御機構6として進化した可能性がある。このような聴覚器官や音を出す器官は、いわゆる「感覚バイアス」メカニズムによって性的シグナルの進化につながった可能性もある。このメカニズムでは、オスの性的シグナルは、メスがすでに知覚を持っている非性的な文脈にもともと関与していた構造から進化する11。この感覚バイアス機構に合致する系統学的パターンは、ある系統において、ある構成要素（例えば聴覚器官）の進化が、それに対応する構成要素（例えば発音器官）の進化に先行するというものである。もうひとつは、聴覚器官と発音器官が、雌の知覚器官と雄のシグナル伝達器官として、フィッシャー的なメカニズムで共進化したのではないかという考えである11。セミ、コオロギ、キリギリスは、このようにして音響コミュニケーションを進化させたと示唆されている7,11。予測可能な系統学的パターンとしては、聴覚と音を出す器官の起源は、単一の共通祖先にたどり着くというものだろう。したがって、音響コミュニケーションの進化をより深く理解するためには、聴覚や音を出す器官の進化を、聴覚や音を出す能力を持たない種と、多様な音響コミュニケーション戦略を持つ種の両方を含む系統という枠組みで追跡することが重要である。
音響コミュニケーションを行う動物群の中でも、昆虫目の直翅目（コオロギ、キリギリス、バッタとその仲間）は、こうした進化的な疑問を解決する理想的なモデルとして際立っている7,11。約16,000種が主に性的コミュニケーションの手段として音響シグナルを利用しており、音響コミュニケーションを行う動物の中では最も種数が多く、カエル、鳥類、哺乳類28や、既知の音響活性昆虫のどの系統よりも数が多い。さらに直翅目には、交尾には音響シグナルを使わず、防御的なシグナル伝達に使う系統29,30や、聴覚や音響生成に特化した構造を持たない系統11もある。また、直翅目は複雑な音響コミュニケーションを進化させた最も古い系統であることも知られている。これは、現在のコオロギと同じような鳴禽装置を持つ前翅の化石が、三畳紀から確認されていることからも明らかである31,32。そのため、直翅目は音響コミュニケーションの進化を研究するのに最適なグループである。しかし、しっかりとした、時間軸に沿った系統樹がないことが、聴覚や音を出す器官がどのように発生し、時代とともに進化してきたかという複雑でダイナミックなパターンを推測する上での大きな課題となっている。
本研究では、直翅目における聴覚と発音器官の進化を再構築することで、数億年にわたる進化の過程で音響コミュニケーションがどのように生まれ、多様化していったかを俯瞰する。まず、60分類群（直翅目50種、多翅目10種）のトランスクリプトームから選択したタンパク質コード遺伝子の4986個のマルチプル配列アラインメントと、249個のミトコンドリアゲノム（mtgenomes）および新たに作成したミトコンドリアゲノム（mtgenomes）を組み合わせることにより、直翅目における主要系統間の信頼できる系統関係を確立した。厳選した化石と厳密なトポロジー検定により、この目の頑健で時間的に較正された系統樹を作成した。この系統樹の枠組みを用いて、鼓膜の耳とそれに関連する内部感覚器官の進化、および直翅目で知られているさまざまな音を出す機構の進化を追跡する。これにより、これらの器官の起源に関する進化仮説を検証し、多様化のパターンがこれらのイノベーションの影響を受けたかどうかを検証することができる。その結果、聴覚器官と発音器官について、系統特異的かつダイナミックな進化のパターンが見出された。具体的には、これら2つの器官は、コオロギ、キリギリス、およびそれらの仲間において、性的な文脈で共進化したと推測されるが、これらの器官の進化が歌唱系統の多様化率を高めたという証拠はほとんど見つからなかった。対照的に、聴覚器官はバッタの非性的に進化し、その後、音を出す器官が進化したときに、性的なシグナル伝達のために共進化したことがわかった。
結果
主な直翅目系統の系統関係と分岐時期
我々は、行列の飽和度、文字コード（アミノ酸とヌクレオチド）、データサイズ（核遺伝子のみと複合）の異なる6つの系統樹データセットを作成し、最尤フレームワークで解析することで、系統樹データのシグナルを徹底的に探った（補足方法1.1-1.6参照）。6つのデータセットの結果、ファミリーレベルの関係についてはほぼ一致したトポロジーが得られたが（補足図3参照）、Rhaphidophoridae、Gryllotalpidae、Pamphagidaeの系統的位置づけは、得られたツリー間でばらつきがあった。これらの特定の関係について、6つのデータセットすべてを用いて4クラスタ尤度マッピング（FcLM）33と並べ替え検定を適用し、大域的に定常・可逆・均一な条件に反する系統間の不均一性、欠損データの非ランダム分布、およびその両方の混合などの交絡シグナルをチェックした（補足方法1.7）。Rhaphidophoridaeの配置は頑健で偏りがないことがわかったが、PamphagidaeとGryllotalpidaeの配置は交絡シグナルによって偏る可能性があり、これらの科の小さな分類群サンプリングではそれらの関係について明確な結論を出すには不十分であった（補足方法1.7参照）。とはいえ，後者の2科のあいまいな位置づけは，聴覚や音を出す器官の進化を推測する上でほとんど影響しなかった。
我々の分析により、直翅目とその2つの亜目であるEnsiferaとCaeliferaの単系統性が確認された（図1、2）。さらに、クラウン・オルトプテラについては、3億5,500万年前（Mya）［95％信頼区間（CI）, 3億9,380万年-3億2,000万年（My）］（図1）という比較的古い年代を推定した34。私たちは、クラウン-エンシフェラは後期石炭紀（3億8,000万年；信頼区間（CI）、3億4,800万-2億6,740万年）に出現したと推定した（図1）。これは既知の化石記録と一致し、最古のステム-エンシフェラは2億7,200万年前であった31,32。我々の解析では、このグループ内に2つの単系統的な下目（GryllideaとTettigoniidea）を発見した。前者はGrylloidea（Gryllidae、Phalangopsidae、Trigonidiidae、Mogoplistidaeを含む）、Gryllotalpidae、Myrmecophilidaeからなり、後者は残りの科からなる（図1、2）。クラウン・グリリデアは三畳紀後期からジュラ紀前期（200Mya；CI, 247.5-154.1My）に誕生したと推定された（図1）。クラウン・テッティゴニイデアはペルム紀（268Mya；CI, 308.1-227.7My）に起源し、中生代を通じて現存する主要な系統に分岐した（図1）。Tettigoniideaの中で、我々は次のファミリーレベルの関係を回復した：（Rhaphidophoridae（Schizodactylidae（（Gryllacrididae（Stenopelmatidae + Anostostomatidae）））。 ＋(Prophalangopsidae＋Tettigoniidae))（図2）。私たちは、クラウンカエリフェラの起源は石炭紀（320Mya；CI, 359.5-282My）と推定し、解析の結果、TridactylideaとAcridideaの2つの単系統的な下目（図1,2）を発見した。前者は石炭紀後期に分岐したCylindrachetidae、Ripipterygidae、Tridactylidaeからなり、後者は残りの科からなる。より多様なバッタ科はペルム紀後期（263Mya; CI, 301.5-224.6My）に誕生し、テトリギ科とバッタに似たバッタ科の2つの単系統グループに分かれた（図1）。現代のバッタの多様性のほとんどは、新生代に生じたものである（図1）。バッタ目バッタ科の具体的な関係については、補遺1.9を参照されたい。
図1：系統樹データに基づく直翅目の年代別系統樹。
このクロノグラムは、436,488個のアミノ酸からなる最も決定的なデータセット（Daa,trans,strict）に基づく分岐時間推定解析の結果である。ブートストラップ支持度（BS）の値は色のついたノードで示されている（緑：BS = 100; 黄色：BS = 96）。分岐時間の推定は、86,043アミノ酸部位と11の化石較正（種名と年代は図に記載）を用いて計算した。青いバーはノード年代の95%信頼区間を示す。地質学的タイムスケールは下部に示されている。データの作成と解析に関するその他の詳細は、補足的方法1および2に記載されている。
フルサイズ画像
図2：直翅目の包括的系統樹。
この系統樹は、トランスクリプトームとミトコンドリアゲノム（Dnt,trans+mito,strict）のデータの解析に基づいて推定された。この系統樹は、448,861塩基のアラインメントされた部位の最尤解析から得られた。ブートストラップ支持度（BS）の値は、色のついたノードで示されている（緑：BS = 100; 黄色：BS = 90-99; オレンジ：BS = 80-89）。赤い枝はEnsifera亜目、青い枝はCaelifera亜目を示す。矢印で示した赤と青のクレード名（Gryllidea, Tettigoniidea, Tridactylidea, Acrididea）は下目名。白色、赤色、青色のバーは上科名。円形の太いバーは上科ごとに色分けされている。TRIDAC Tridactyloidea, TETRI Tetrigoidea, EUMAST Eumastacoidea, PRO Proscopioidea, TA Tanaoceroidea, TR Trignopterygoidea, PN Pneumoroidea, GRYLLOTA Gryllotalpoidea, RHAPHID Rhaphidophoroidea, SCH Schizodactyloidea, HAG Hagloidea。
フルサイズ画像
直翅目における聴覚と発音器官の進化
祖先文字状態の復元を用いて、直翅目における聴覚器官と発音器官の系統特異的な進化パターンを見いだした（図3）。Ensiferaでは、tegmino-tegminal stridulationは現存する全系統の共通祖先において進化した可能性が高いことがわかった（図3）。MyrmecophilidaeとRhaphidophoridaeでは二次的に欠落しているが、これらの科では翅が完全に失われた結果である。SchizodactylidaeとGryllacrididae、Stenopelmatidae、Anostostomatidaeの共通祖先では、正真正銘の消失が起こったが（図3）、これらの科では、代わりに、捕食者に対する防御的なシグナルを出すことが知られている腹部-大腿部ストリデュレーションが進化した29,30。聴覚器官については、脛骨鼓膜はエンシフェラで少なくとも3回進化し（図3）、グリリデアの共通祖先で1回、アノストマト科の共通祖先で1回、プロファランゴプ科とテチゴニ科の共通祖先で1回進化したと推測された。しかし、私たちの解析では、脛骨鼓膜がEnsiferaの共通祖先において進化した可能性がわずかに回復した（図3）。また、前脚の複雑な脛骨器官の進化をキャラクタマッピングに基づいて調べたところ（図3）、祖先のEnsiferaは下属器官（SGO）と中間器官（IO）からなる脛骨器官を持ち、Gryllideaの共通祖先はIO7から変化した鼓膜器官（TO）と脛骨鼓膜を進化させることで遠方聴力を獲得したことがわかった。Rhaphidophoridaeは祖先の構成を維持したが、Tettigoniideaの共通祖先では、crista acustica homologue（CAH）として知られる第3の構成要素が進化した。この第3の構成要素がcrista acustica（CA）として変化し、脛骨鼓膜が進化したことで、プロファランゴプス科とテチゴニダカの共通祖先は遠方聴力を獲得した。
図3：聴覚と音を出す器官の祖先的性格状態の復元。
この解析に用いたトポロジーは、Dnt,trans+mito,strictに基づく包括的系統樹である（図2に提示）。各枝の先端にある色のついた丸は、対応する種の文字の状態を示し、灰色の丸はないことを示す。各節点の色のついた円は、それぞれの祖先の性格状態の確率を示している。左は聴覚器官の特性進化を示し、特性状態が色分けされている。祖先の特性状態の復元に加えて、さらに2つの形質がマッピングされている。最初の形質は、赤で示されたエンシファ類の前脛骨の内部感覚器官である。エンシフェラの祖先的条件は、下属器官（SGO）と中間器官（IO）の存在である。Gryllideaの共通祖先では、IOは脛骨器官（TO）に変更され、Rhaphidophoridaeは祖先のSGO＋IOを保持している。Schizodactyloidea、Stenopelmatoidea、Hagloidea、Tettigonioideaの共通祖先では、crista acustica homologue (CAH)として知られる新しい第3の構成要素が進化した。ハグロトビムシ科とテチトビムシ科の共通祖先では、CAHは聴覚器官であるクリスタ・アクースティカ（CA）に変化した。2つ目の特徴は、黒丸で示した翅の消失である。鼓膜聴覚を持たない種は、しばしば翅も失っている。右側には、音を出す器官である斜頸器具の進化が示され、その状態が色分けされている。私たちは、1番目に名前が付けられた構造には索状突起が、2番目に名前が付けられた構造にはスクレーパーがある、という特殊な命名規則を用いた。例えば、腹大腿斜頸の場合、斜頸ファイルは腹部に、スクレーパーは後肢大腿部の内側にある。tegmino-tegminal stridulationの異なるメカニズムが系統樹上にマッピングされている。Gryllideaの共通祖先は「右-左」斜頸を進化させ、Hagloideaの共通祖先は「両利き」斜頸を進化させ、Tettigonioideaの共通祖先は「左-右」斜頸を進化させた。OG Outgroups, GRYT Gryllotalpoidea, GRYL Grylloidea, RHAP Rhaphidophoroidea, SCHI Schizodactyloidea, STEN Stenopelmatoidea, HAG Hagloidea, TETT Tettigonioidea, TRID Tridactyloidea、 TETR Tetrigoidea, EUMAS Eumastacoidea, PROS Proscopioidea, TANA Tanaoceroidea, TRIG Trignopterygoidea, PNEU Pneumoroidea, PYRG Pyrgomorphoidea, ACRI Acridoidea.
フルサイズ画像
Caeliferaの中では、現在我々が行っている分類群サンプリングに基づく系統発生において、斜頸器器は少なくとも10回進化し、多くの異なる身体部位を巻き込んだ（図3）。しかし、交尾や防衛のために音響信号を使ういくつかの種11,35,36を除いて、これらの構造が音を出す能力はほとんど未確認のままである。交尾に使われる決定的な音を出す器官は、カイアシ類で少なくとも3回進化した（Fig. 3）。1回はニューモリア科の共通祖先において腹部-大腿筋刺激音で、1回はフクロムシ科の共通祖先においてクラウスの器官-大腿筋刺激音で、1回はアシナシ亜科、ゴンフォセリ亜科、オエジポディ亜科の共通祖先において後大腿筋とテグミナで進化したが、これらの昆虫では筋刺激音の位置は異なる36。われわれの分析によると、腹部ティンパナは少なくとも3回進化した可能性が高い（図3）。Ensiferaの脛骨鼓膜の場合と同様に，我々の祖先文字状態の再構築では，これらの鼓膜をもつ系統の共通祖先において腹部鼓膜が進化した可能性がわずかながら見いだされた（図3）。
聴覚器官と発音器官が、直翅目とその各亜目において共進化したかどうかを調べるために、Pagelの二項文字相関検定37を行った（図4）。すべての比較において、この2つの器官の間には統計的に有意な相関が見られたが、その共進化のダイナミックスは系統によって異なっていた（図4、補足方法3.2）。直翅目全体を考慮すると、聴覚器官の進化は発音器官の進化に依存するというモデルが最も支持された（重み付けAIC = 0.7685）。具体的には、音を出す器官が存在しない場合は聴覚器官が存在せず、音を出す器官が存在する場合は聴覚器官が存在する場合が非常に多かった（図4）。しかし、分類群のサンプリングは相関分析に影響を与えることが知られている38。また、知られている音響コミュニケーションのパターンは、EnsiferaとCaelifera11では大きく異なるため、各亜目の文字相関パターンを調べたところ、非常に対照的なパターンが得られた（図4）。Ensiferaでは、音を出す器官の進化が聴覚器官の進化に依存するというモデル（重み付けAIC = 0.4490）と、聴覚器官の進化が音を出す器官の進化に依存するというモデル（重み付けAIC = 0.4343）が、同様にパターンを説明した。この2つの器官間の可能な相互作用のうち、聴覚器官が存在する場合、音を出す器官が存在する場合が桁違いに多いことがわかった（図4）。これは、聴覚を持つほぼすべてのensiferansが音も出すことを示しており、2つの形質の間に極めて高い相関関係があることを示唆している。Caeliferaについては、聴覚器官の進化が音を出す器官の進化に依存するというモデル（重み付けAIC = 0.4361）が最もよくデータを説明したが、音を出す器官の進化が聴覚器官の進化に依存するというモデル（重み付けAIC = 0.3567）もデータを合理的に説明した。その結果、Caeliferaでは聴覚器官の有無にかかわらず、音を出す器官が存在しないケースの方が多いことがわかった（図4）。
図4：直翅目における聴覚と発音器官の進化的相関関係。
直翅目とその2つの亜目である被子植物門（Ensifera）と被子植物門（Caelifera）における聴覚と音生成の進化的相関をパゲルの検定で求めた。矢印の太さは、ある形質状態の組み合わせ（すなわち、聴覚なし、音生成なし）から別の組み合わせ（すなわち、聴覚なし、音生成あり）への変化率に対応する。変化率が高いほど矢印は太くなる。3つの解析のいずれにおいても、聴覚と発音には強い進化的相関関係があるが、そのパターンは異なっている。直翅目全体では、聴覚があり音生産がない状態から、聴覚と音生産の両方がない状態への移行率が最も強い。鋏角類では、聴覚があり音作りがない状態から、聴覚と音作りの両方がある状態への移行が最も強い。Caeliferaでは、聴覚があり、かつ音作りがない状態から、聴覚と音作りの両方がない状態に移行する割合が最も高い。EnsiferaとCaeliferaの違いは、聴覚と音生成の共進化ダイナミクスが2つの系統間で異なることを示している。
フルサイズ画像
音響コミュニケーションに関連する系統の多様化率
私たちの大規模なデータセットに対するマクロ進化混合物のベイズ分析（BAMM）39によって、直翅目の系統に沿った速度シフトの3つのエピソードが見つかった（図5）。最初の速度シフトのエピソードは、白亜紀のテチゴニオイ科の共通祖先において起こったもので、この科の平均クレード特異的進化速度（0.08186125）は、直翅目のバックグラウンド速度（0.04820052）およびEnsiferaのバックグラウンド速度（0.04996942）のほぼ2倍であった（図5）。2回目の速度変化は、白亜紀後期から古第三紀初期にかけて、パンフ科の共通祖先において起こり、そのクレード特異的な平均速度（0.1290903）は、直翅目のバックグラウンド速度（0.04905859）のほぼ3倍であった。3番目の進化速度は、白亜紀後期から古第三紀にかけて、ロマレウス科、オンメクセク科、アシナガバチ科の共通祖先において起こったもので、クレード特異的な平均進化速度（0.07159634）はバックグラウンドの速度よりもわずかに高かった（図5）。しかし興味深いことに、Ensiferaの他の歌唱系統、すなわちGrylloidea、Gryllotalpidae、Prophalangopsidaeでは、目に見える速度変化は見られなかった（図5）。なぜなら、多様化解析におけるBAMMの適切性、特に多様化率を正確に推定する能力について疑問が呈されているからである40が、BAMMの開発者はこれらの批判は正当化されないと主張している41。
図5：直翅目における大進化混合種のベイズ分析。
この分析で使用した超準木は、複合データ（Dnt,trans+mito,strict）に基づく年代別系統樹である。 a 種分化速度（寒色＝遅い、暖色＝速い；具体的な速度の範囲は縦の色の凡例に示す）を、直翅目系統樹の各枝に沿って示したフィロレート図。黒丸で囲まれたノードで示された3つのクレードは、速度シフトが増加しているクレードである。音響コミュニケーションを示す系統は、末端付近に縦線で示されている。b 大進化シフト配置の約95％信頼できるセット。f値0.21は、事後的なサンプルの21％が左上のプロットに示したシフト配置に割り当てられることを示している。これらの4つのシフト配置は合計で事後分布の51.5%を占める。 c 直翅目とレートシフトを持つことが同定された3系統の、時間経過に伴うクレード固有の進化レートの変化。
フルサイズ画像
HiSSE（隠れ種分化と絶滅）42を用いて、形質依存的多様化と形質非依存的多様化の様々なモデルを当てはめ、聴覚器官と発音器官の進化が、直翅目の異なる系統の種分化率と絶滅率に影響を与えたかどうかを検証した（図6）。聴覚器官については、AICスコアによると、最も適合したモデルはHiSSEモデルの1つであった。HiSSEモデルは、すべての多様化パラメータが自由であり、聴覚器官非存在と聴覚器官存在という隠れた状態間の遷移が許されない（HiSSE, q0B1B = 0, q1B0B = 0, 他のqはすべて等しい）、特性依存的多様化を示唆するモデルであった。その結果、聴覚器官の存在に関連する正味の多様化率が高いことがわかったが、これは隠れた状態の多様化率が高いためと考えられる（図6）。聴覚器官がない場合の正味の多様化率は相対的に低かった。音を出す器官については、CID（形質非依存）モデルの1つが最も適合するモデルであった。これは、二項形質（音を出す器官の有無）の進化が多様化過程から独立していると仮定し、多様化過程が木全体で一定であることを強制しない（CID-4：qが等しい）モデルである（図6）。つまり、選択されたモデルは、音を出す器官の進化が正味の多様化率に影響を与えないことを示唆した。音響コミュニケーションを2形質としてコード化した場合、最も適合したモデルは、音を出す器官と同じ形質非依存モデル（CID-4：q's equal）であり、多様化過程は音響コミュニケーションの進化とは無関係であることが示唆された（図6）。
図6：形質依存的多様化のモデル。
hiseに実装されたマルチモデル推論法を用いて推定された状態の文字復元と正味の多様化率。ここに示したのは、形質依存的多様化モデルと形質非依存的多様化モデルの24のモデルから、検定された各形質（聴覚器官の有無、聴覚器官の有無、音響コミュニケーションの有無）について最も適合したモデルである。音響シグナリングを用いた性的コミュニケーションを持つことで特徴付けられるすべてのクレードは円形樹の中にラベル付けされ、最も可能性の高い状態と速度の推定は、最適適合モデルの下で推論されたモデル平均マージナル再構築に基づいている。樹木内のヒストグラムは、速度の勾配上の速度の位置と、各現代先端分類群におけるこれらの速度と状態の両方の頻度を示している。聴覚器官については、HiSSEモデルのうちの1つが最も適合するモデルであったが、音を出す器官と音響コミュニケーションについては、形質に依存しない多様化モデル（CID-4）のうちの1つが最も適合するモデルであった。
フルサイズ画像
考察
コオロギ、キリギリス、バッタなどの直翅目昆虫は、何十年もの間、音響コミュニケーションを研究するためのモデル系として用いられてきた2,7,11,18,30,43,44,45,46。しかし、これらの昆虫が多様化する中で、聴覚や音を出す器官がどのように発生し、進化してきたのかは、系統樹が十分に解明されていないため、不明なままであった。本研究では、系統学的データと慎重に選んだ化石の較正点に基づいて、直翅目における主要系統間の系統関係と分岐時間の推定をしっかりと確立した。その結果、クラウン・オルトプテラ亜目は3億5,500万年前に誕生し、石炭紀にエンシフェラ亜目とカエリフェラ亜目に分岐した可能性が高いことがわかった（図1）。我々の研究から、この2つの亜目はそれぞれ、聴覚器官と発音器官について、系統ごとに全く異なる進化パターンをたどってきたことが示唆される（図3、4）。
Ensiferaにおける聴覚と発音器官の共進化
Ensiferaは2つの亜目のうち大きな亜目であり、現存する記載種は約15,500種で、その多くは夜行性で、性的コミュニケーションの主な手段として音響信号を用いる。コオロギ目（Grylloidea、Gryllidae、Phalangopsidae、Trigonidiidae、Mogoplistidaeを含む）、モグラコオロギ目（Gryllotalpidae）、キリギリス目（Tettigoniidae）、イグチ目（Prophalangopsidae）の4系統が現存している。これらはアンシファーの多様性の85％近くを占める3,17,47,48。残りの種は脛骨ティンパナも触角テグミナも持たないか（アリ好きコオロギ［Myrmecophilidae］や洞窟コオロギ［Rhaphidophoridae］）、脛骨ティンパナを持たないが腹部に触角装置を持つ、 あるいは、脛骨鼓膜を欠くが腹部に闊歩器官を有し、防御的なシグナル伝達29,30,49に用いられ、雌雄ともニンフにも存在する（スプレイフットコオロギ［Schizodactylidae］、ラズパイコオロギ［Gryllacrididae］、エルサレムコオロギ［Stenopelmatidae］、一部のキングコオロギとウェッタ［Anostomatidae］）。Ensiferaの単系統性は、現代のすべてのクラディスティック解析34,43,50,51によって一貫して支持されており、ほとんどの研究者は、この亜目が2つの単系統性の下位亜目、GryllideaとTettigoniideaから構成されていることに同意している34,51。しかし、科や上科の内部関係については、異なる特徴系（形態学、リボソームRNAやmtgenomes）を利用した系統学的研究34,43,50,52で意見が対立し、音響コミュニケーションの進化について矛盾した推論がなされるなど、コンセンサスは得られていない7,11,43,53。特に、斜頸器が一度だけ進化したのか、複数回進化したのかについては論争が続いている32,43,53。我々の系統学的解析では、科間の関係が強く支持された（図1,2）。これは、これまでの分子生物学的研究34,50,51,52よりも、形態学に基づく系統学43と一致する。復元されたトポロジーと分岐時間の推定値（図1,2）、および祖先の特性状態の復元（図3）に基づき、Ensiferaにおいて聴覚と発音器官がどのように進化してきたかについて、以下の進化シナリオを推測することができる。
石炭紀後期からペルム紀初期にかけて、冠鰓類が分岐し（図1）、エンシフェラの共通祖先において、雄特異的なtegmino-tegminal stridulationが進化した（図3）。現在の構造とよく似た斜頸器が保存されている最古のエンシフェラ類の化石（グリラブスやプロトグリルスなど）は三畳紀から知られているが31,32、今回の発見は、同様の音発生メカニズムがもっと以前に進化していた可能性を示唆している。最古の食虫四脚類は石炭紀初期に出現し、これらの動物は鼓膜耳を持たなかった6。これらの捕食者は、昆虫の獲物が発作を起こしたときに発するストリデュレーションによって抑止され、触覚受容体を刺激して獲物を逃がしたと考えられている6,54,55。ある意味で、ストリジュレーションは元来、脱力行動の一部として進化した可能性がある56。ペルム紀や三畳紀の幹翅目には、翅を使った特殊な発音器官が存在していたことが化石から明らかになっている31,32,57,58。翅を動かして音を出す能力は、直翅目の多様化の初期に古くから発明されたものであるという可能性を受け入れるならば、この行動が、おそらくいくつかの系統の中で並行して、性的コミュニケーションのために採用された可能性が考えられる。例えば、幹直翅目のタイタノプテラ（Titanoptera）系統は、前翅に音を出すことを強く示唆する変化した静脈を持ち、雌雄ともに存在する57,58。このグループはペルム紀の「チョルマンビシ類」59から進化したもので、前翅に音を出す特殊な器官がない。もうひとつの同時代の幹直翅目の系統であるメソエジスキ類は、雄特異的なtegmino-tegminal stridulationを持っていたが、音を出すために変更された特異的な静脈は、現存のEnsiferaのものとは相同ではなかった57,58。現存する4つの鳴く動物の系統の中で、tegmino-tegminal stridulationの具体的な仕組みは異なることが知られている43。コオロギとモグラコオロギは右の前翅を左の前翅より動かすことで喘鳴し、キリギリスは逆に左の前翅を右の前翅より動かすことで喘鳴する43。イグチ類は翅を左右両方向に動かして闊歩することができる43。さらに、最近の形態学的な比較分析では、これら4つの系統では斜頸装置が前翅の異なる静脈に関与していると提唱された53が、この件についてはまだ議論がある。いずれにせよ、雄特異的なテグミノ・舌骨の斜頸を可能にする筋肉の仕組みと関連する神経回路は、系統的に保存されており、Ensiferaでは同型である可能性があるが、系統が異なると、同じ生理学的メカニズムを土台に、可聴音を生み出す異なる方法が独自に進化したと主張できる。
われわれの分析によると、テグミノ-舌骨斜頸はいくつかの種で二次的に失われ（図3）、この喪失はしばしば、翅の喪失を促す新しい環境への適応と関連している。例えば、現存するヤギ目ヤギ科の仲間は完全に翅を失っており、しばしば洞窟に生息している60。同様に、Myrmecophilidaeの仲間は翅を持たず、アリのコロニーと密接に関連している61。Schizodactylidae、Gryllacrididae、Stenopelmatidae、Anostostomatidaeの仲間の多くは、地中に生息する専門家であり、同様に無翅である62。しかし、これら後者の4科には、条虫器官を欠いた完全な機能を持つテグミナを持つ種もいる63。いくつかのコオロギやキリギリスの種が二次的に鳴く能力を失っていることが記録されている47,48。よく知られている事例として、ハワイのコオロギTeleogryllus oceanicusの事例があり、導入された発音寄生バエOrmia ochreacea64からの強い選択圧により、層識器の喪失が繰り返し収束的に進化したことを示している。この欠損は、成虫の表現型を劇的に変化させる原因となる、発生初期のマスター制御スイッチの単純な変化という形で、遺伝的基盤を持っている65。同じ過程をたどって、鳴かないアンシフェラ類におけるテグミノ-テグミナル・ストリジュレーションの喪失を説明することは難しいが、この複雑な形質の喪失は、アンシフェラ類の多様化の過程で何度も容易に達成された可能性があると結論づけられる。
興味深いことに、鳴かない被子植物の多くは、基質を介した振動、腹部や脚を使ったドラミング、あるいは震え（基質を介さない揺れ）29,49,63,66,67を用いて、何らかの種内コミュニケーションを行うことが知られており、振動を感知するための脊索器官が発達している7,68。また、我々の分析によると、腹部-大腿部斜頸は少なくとも2回進化した可能性が高い（図3）。1回はシゾウダクサイ科の共通祖先、もう1回はグリラクサイ科、ステノペルマタ科、アノストマト科の共通祖先である。この機構はニンフだけでなく雌雄ともに見られ、性的コミュニケーションではなく、捕食者に対する防御信号を出すために使われる29,30。これらのパターンを総合すると、これらの鳴かない系統では、テグミノ・舌骨のストリデュレーションが失われたことで、性的な文脈での振動シグナルと、非性的な文脈での代替的な音響シグナルの両方の進化が促進された可能性がある。
聴覚については、現在のデータでは、エンシフェラの共通祖先において最初の聴覚器官が進化したかどうかはあまり明らかではない。前脚の聴覚器官は、外鼓膜と内部の複雑な脛骨器官からなる複雑な器官である7,14,69。祖先のアンシフェラにおいて、音を感知する本来の形態がどのようなものであったかは不明であるが、前脛骨の薄いクチクラが、当初は内部の感覚器官が音波を拾うための共鳴器として機能していた可能性は考えられる。私たちは、このグループ内で鼓膜を生み出すために、少なくとも3回、クチクラが薄くなる進化を遂げたと推測している（図3）。しかし、聴覚の基礎となる神経生理学的メカニズムは独立して2回進化し（図3）、コオロギとモグラに見られるSGO＋TOと、キリギリスとイグチに見られるSGO＋IO＋CAという2つの異なるタイプの聴覚感覚器官をもたらした。これらの結果は、おそらくエンシフェラの共通祖先は遠距離聴覚を可能にする構造を持っておらず、異なる系統が独立して遠距離聴覚を進化させたという考えと一致する。一般に、昆虫の聴覚の初期形態は、捕食者を検知し回避するために進化したと考えられているが11,12,25、鳴くアンシフェラの鼓膜が進化した特定の位置は、アンシフェラの聴覚が別の文脈で進化した可能性を示唆する。現存するエンシファ類の耳には通常2つの聴覚入力があり、音は脛骨鼓膜の外面に到達するほか、前胸側部の音響気管44,70,71,72を介して内部にも到達する。これらの耳は音圧差受信器73,74であり、気管を内部を伝わる音は、空気中の通常の音波伝搬速度で外部から鼓膜の外面に到達する音よりも遅く、長い距離を伝わる。このため、外部から到達する音と内部から到達する音とでは、利得に差が生じる72,74,75。この複雑な音響気管システムにも、系統特有の違いが見られる。コオロギとモグラコオロギでは、音響気管はその正中線に拡大した部分を持ち、それぞれの気管から発生する2つの細い隔壁を伴って、4つの音入力すべてを接続している72,76。カタユウレイボヤとイグチでは、音響気管は中央でつながっておらず、左右の音響気管からそれぞれ左右の脛骨鼓膜に接続している70,75,77。カタユウレイボヤでは、気管は音響気門で音響水疱として拡大し、鼓膜耳に近づくにつれて徐々に狭くなっている47,70。したがって、この精巧な指向性聴覚機構は、同種の鳴き声の発信源を正確に突き止めるために独自に進化したと結論づけられる。
カイアシ類では音を出す器官と聴覚器官は別々に進化した
バッタやイナゴのような身近な昆虫から、あまり知られていないピグミーモグラコオロギ、ピグミーバッタ、モンキーバッタ、スティックバッタ、およびそれらの近縁種まで34。音響シグナルを使った性的コミュニケーションは、カイアシ類では比較的まれな特徴であり、少数の分岐した科（膀胱バッタ [Pneumoridae]、パンフバッタ [Pamphagidae]、歯脚バッタ [Acrididae: Gomphocerinae]、帯翅バッタ [Acrididae: Oedipodinae]）でしか記録されていない11,78。文献調査によると、これらの系統はそれぞれ異なる斜頸機構を使って音を出しているが（図3）、いずれも 後脚大腿部をテグミナの肥厚した静脈や腹部の特殊な部位など、他の体の部位に上下にこすりつけている。また、鼓膜聴力は、白亜紀と古第三紀に誕生したバッタ科の一部（Pamphagidae、Pyrgomorphidae、Romaleidae、Ommexechidae、Acrididae）にしか見られない（図3）。鼓膜が存在する場合、鼓膜は腹部第1節の両側にあり、通常、聴覚感覚器官を支配する大きな鼓膜を持ち、外側は硬化したリングで囲まれており、鼓膜の間には空気が入った気管嚢が内側に配置されている45。我々の系統学的解析（図2）によると、先行研究34,51,79,80とほぼ一致する関係を回復したことから、カイアシ類の聴覚器官と発音器官は共同で進化したのではなく、異なる進化の軌跡をたどったことがわかった（図3）。カイアシ類における聴覚や音生成の古さを示唆する化石の証拠はなく、カイアシ類における音響コミュニケーションは、一般に、エンシフェラと比べてより最近の発明であると推測される。
私たちの研究から、カイアシ類の多様化の過程で、いくつかの系統が体の一部分にヤスリを、もう一部分にスクレーパーを備えた対の構造を進化させたことがわかった（図3）。しかし、これらの対になった構造が実際に音を出すために使われているかどうかは、前述の音響信号を使う科を除いて、ほとんど未確認である。また、これらの構造がどのような状況で進化したのかも明らかではない。例えば、これらの構造は雌雄ともに、また系統によってはニンフにも見られるが（例えば、シリンドラケッタ科に見られる下顎-上顎斜頸）81、これは防衛のために進化した可能性がある。同様に、これらの発音器官と推定されるものは、系統によってはオスにしか見られず（例えば、タナオ科に見られる腹部-大腿部斜頸）82、これは性的に進化した可能性がある。つまり、カイアシ類における音生成の多様性、メカニズム、機能については、学ぶべきことが多い。興味深いことに、アシナシヒョウモンでは、系統発生学的に保存されている主要な発音メカニズムであるtegmino-tegminal stridulationを行うものは知られていない。このことは、tegmino-tegminal stridulationを可能にする神経生理学的メカニズムは、有尾類の基本計画の一部ではなかったことを示唆している。
我々の研究により、カイアシ類における最初の音響シグナルを用いた性的コミュニケーションの形態は、ジュラ紀の南アフリカに生息するキノボリ科の共通祖先において進化した可能性が高いことがわかった（図2,3）。この時期には、複雑な音響シグナリングはすでにエンシフェラで確立されていた。現存するブラッダー・バッタのオスは完全な有翅で、腹部を膨らませて共鳴室として機能させ、腹部-大腿部ストリデュレーション83を用いて、最大2kmも伝わる大きな低周波の鳴き声を発する。オスの鳴き声に反応して、飛べないメスは交尾の意思を音響的な反応によって示す。メスの発音器官はオスのものとは相同性がなく、種によって異なる体の部位を使って音を出す（V. Couldridge, personal communication）。興味深いことに、オスもメスも鼓膜の耳を持たず、代わりに脊索器官が腹部の各節を支配しており、腹部全体が聴覚器官として機能している46。このパターンは、ジュラ紀の早い時期に音響コミュニケーションを進化させる選択圧があった可能性を示唆しているが、おそらくは専用の指向性聴覚器官がまだ進化していなかったためだろう。これらの系統は、アンシファー類のように放射状に広がることはなかった。
白亜紀になって初めて、腹部ティンパナがCaeliferaに出現した（図1,3）。今回の発見は、腹部ティンパナの起源が複数あるという考え方により一致する。ただし、PyrgomorphoideaとAcridoideaの共通祖先が腹部ティンパナを一度進化させた可能性はわずかにある（図3）。中間的な選択肢としては、かなり特殊化されていない初期の腹部聴覚器官があり、その後、異なる系統の中で、適切な腹部鼓膜に向かって並行進化を遂げた可能性がある。これらの聴覚器官が進化した背景は明らかではない。腹部鼓膜を持つバッタは一般に、接近する音を聞くと飛び跳ねたり飛んだりする行動をとるが27、これは現在の機能が捕食者や外乱を検知するためのものである可能性が高いことを示しており、実際、バッタの耳の起源について最もよく唱えられる仮説である11,23。しかし、食虫性の捕食者は白亜紀にはすでに多様化しており6、突然の強い選択圧が捕食者検知聴覚の進化の引き金になったとは考えにくい。また、テトリゴミムシ科やユーマスタコイデス科のように、聴覚を進化させることなく進化したカイアシ類の系統もあり、これらの昆虫は捕食者に直面しながらも鼓膜を持たずに成功した。腹部鼓膜を持つほとんどのバッタ類は、音響シグナルを使った性的コミュニケーションをとらないことを考えると、聴覚が性的な文脈で進化したとは考えにくい。別の説明として、腹部鼓膜の二次的な喪失は、翅の縮小や喪失を進化させた種にしばしば見られるという我々の観察から来る85。バッタやイナゴの聴覚経路の生理学的メカニズムについては研究が盛んに行われており45、腹部鼓膜を介した聴覚情報処理が、実際には飛行中の胸部筋肉の動きや翼の拍動音に密接に影響されていることが示されている86。飛翔能力は直翅目（Orthoptera）の特有形質であるが、PyrgomorphoideaとAcrideaは大型の有尾類としては初めて、非常に強力な分散能力を持つ。この考え方は、多くのブラキプテリア性のキリギリスやコオロギが脛骨鼓膜47,48を通して聞く能力をまだ保持しているというパターンによって間接的に補強されている。
初期のバッタにおける腹部鼓膜の進化は、「感覚バイアス」メカニズムのもとでの性的シグナリングの進化につながった可能性がある11。この進化は、バッタ科の2つの系統、ナミバッタ科（Pamphagidae）と、ナミバッタ科（Acrididae）内の単系統グループであるアシナシバッタ科（Acridinae）、ゴンフォセリバッタ科（Gomphocerinae）、オエジバッタ科（Oedipodinae）における、音を出す器官の独立した進化によって達成されたと我々は考えている（図3）。しかし、音響コミュニケーションの進化への道のりは両者でかなり異なることがわかった。クサカゲロウ科は、白亜紀に誕生した大きな体を持つ科である（図1）。この科では翅を失うことはよくあるが35、雄は完全な翅を持ち、雌は飛べないことが多い。われわれの研究では、クラウス器官-大腿ストリデュレーションが、系統発生的に保存されたこの科の音発生メカニズムであることがわかった（図3）。クラウス器官とは、腹部第2節骨の前方下角にある特殊な板で、後脚大腿骨の内側の隆起によってこすられる87。この機構はオスとメスの両方に存在し、この機構によって生じる音は種特異的である35。今回の分類群には含まれていないが、多くのクサカゲロウは交尾のために、腹部、後脚節、前翅、後翅、中脛節、胸部など、他の種類の音を出す機構を利用することも知られている35,78。これらを総合すると、音生成の進化は、聴覚能力をすでに持っていたクワガタムシ科の共通祖先において起こり、このことが系統全体における音響コミュニケーションの精巧化につながった可能性がある。
一方、アシナガバチ科では、音作りの進化はかなり遅れており、すでに系統が多様化した後である（図3）。腹部ティンパナの存在は、この科としては異形であり（図3）、テグミナと後大腿骨を用いた雄特有の斜頸機構は、アリジナ科、ゴンフォセリナ科、オエジポディナ科の共通祖先において、始新世から漸新世の間に、おそらく性的に進化したと考えられる。しかし、この系統の中でも、音を出す器官は、斜頸器具の特異的な変化という点で異なる進化の軌跡をたどっている。例えば，ゴマダラヒゲアリでは後翅の大腿骨に条索突起があり，前翅の太い静脈と摩擦するのに対し，オオヒゲアリでは前翅の節間静脈にある条索ヤスリの列が後翅の大腿骨にあるスクレーパーと摩擦する36。オニバッタ科とアキアカネ科の一部の仲間は、斜頸シグナルのほかに、クレピテーションと呼ばれる別の非斜頸音声機構を進化させた。クレピテーションは、翅を折り畳んだり広げたりするときに、翅を鳴らして音を出すものである36。これらすべてのバッタにおいて、音響シグナルは脚の動きなどの視覚的シグナルで補完されることが多く、マルチモーダルな性選択を特徴づけている36。このように、バッタ科で見られる音響シグナリングは、直翅目で最も最近進化した性コミュニケーションの形態である。
音響コミュニケーションの進化は、直翅目における多様化率に影響を与えなかった
我々は、EnsiferaとCaeliferaにおける音響シグナルを用いた性コミュニケーションの進化が、それぞれ全く異なる軌跡をたどったことを示した（図3, 4）。エンシフェラでは、テグミノ-テグミナル・ストリデュレーションが祖先的な特徴であり、クラウン-オルトプテラでは防御的なシグナルとして進化した可能性があると推測され、異なる系統が独立して脛骨鼓膜を性的な文脈で進化させた。歌う系統の共通祖先には、聴覚器官と音を出す器官の両方が存在し、フィッシャーリアン機構がメスの知覚とオスのシグナル伝達装置の共進化を形作ることができた11。パゲルの二項文字相関検定では、エンシフェラで聴覚器官と発音器官が共進化したことを示す圧倒的な証拠が見つかり（図4）、この仮説が支持された。Caeliferaでは、腹部鼓膜は系統の多様化の後半に進化した（図3）。おそらく、大きな体を持つバッタの飛行を調節するために進化したのだろうが、その後、捕食者を検知するために共進化し、雄特有の発音器官が異なる系統で独立に進化したときに、再び性的コミュニケーションのために共進化したのだろう。このパターンは「感覚の偏り」のメカニズムによく合致する。Pagelのテストでは、聴覚と音生成器官の共進化はほとんど支持されず（図4）、代替仮説が支持された。これらの進化的メカニズムを確立した上で、次に聴覚と音生成器官の進化が、性的な文脈で音響シグナルを利用する異なる系統における多様化率に影響を与えたかどうかを問う。
一般に、性選択は鳴く昆虫の多様化を形成する進化の主要な原動力であると考えられており88,89、理論的には、性選択された形質は急速に進化する傾向があると予測されている88,90。特に、聴覚と音を出す器官の進化のメカニズムがフィッシャー的メカニズムであると推測される場合、音響シグナルを使った性的コミュニケーションを特徴とするクレードでは、多様化率が高くなると予想される89。この考えは最近、四肢動物で検証されたが、驚くべきことに、これらの動物では音響コミュニケーションは多様化率を増加させないことが判明した4。この提案を直翅目で検証するために、まずBAMM39を用いて多様化解析を行い、クレードごとの進化速度を求めた。音響コミュニケーションが知られている系統の中で、Ensiferaの中でTettigoniidaeだけが平均的なクレード特異的進化速度の増加を示したが、他の系統（Grylloidea、Gryllotalpidae、Prophalangopsidae）では明確な速度シフトは見られなかった。同様に、PamphagidaeはCaeliferaの中で唯一平均クレード特異的進化速度が増加した系統であり、PneumoridaeもAcridinae、Gomphocerinae、Oedipodinaeからなる単系統グループも速度シフトを示さなかった。速度シフトは通常、多様化率の上昇につながる重要な技術革新と関連している39。このことは、音響シグナルを用いた性的コミュニケーションの進化が、これらの歌唱系統すべてにとって必ずしも重要な技術革新ではなかったことを示している。テチゴニク科とクサカゲロウ科の両方が、多様化率の上昇を経験したのは、音響シグナリングの進化が原因である可能性がある。しかし、少なくともテチゴニク科については、印象的な葉の仮装や多様な食性など、他の重要な革新的技術があった可能性もある91。これらの知見は、HiSSE42を用いた形質依存的多様化のより直接的な解析によっても補強されている。どのようなモデルを用いても、聴覚や音を出す器官を進化させた系統や、音響コミュニケーションを確認した系統は、正味の多様化率が高かった。しかし、多モデル推論法を用いた場合、最も適合度の高いモデルを総合すると、聴覚器官の進化は正味の多様化率に影響を与えたが、音を出す器官の進化と音響コミュニケーションの進化はともに多様化過程から独立しており、正味の多様化率には影響を与えなかった。したがって、本研究は、四肢動物4で示されたパターンと一致する。すなわち、音響コミュニケーションのみが正味の多様化を増加させたという証拠はほとんど見つからない。この結果は、直翅目におけるシグナルの送り手と受け手の共進化と多様化の理解を深め、動物のコミュニケーションの進化とメカニズムに関するより一般的な洞察を明らかにする上で大きな意味を持つ。
研究方法
系統解析と分岐時間の推定
直翅目239種と多翅目10種のアウトグループ、合計249種をサンプリングした。これらのデータは、現存する直翅目の16の上科と36の科を代表している。このうち39種の直翅目は、1K Insect Transcriptome Evolution (1KITE)コンソーシアムまたはテキサスA&M大学のSong Labによって新たに作成された。残りの21種（直翅目11種、多翅目10種）のトランスクリプトームは過去に発表されたものである（補足方法1.1参照）。タクソンのサンプリング数を増やすため、トランスクリプトームデータを249分類群から得られた169の既報のものと80の新規に作成したmtgenomeと組み合わせた。RNA 抽出、cDNA ライブラリー調製、トランスクリプトームシークエンシングおよびアセンブリーは、1KITE プロジェクト内で、補足的方法 1.2 および 1.5 で詳述したプロトコルを用いて実施した。Song Labのサンプルおよびmtgenomeデータ作成に使用したプロトコルは、補足的方法1.3および1.4に詳述されている。全生物種の詳細リスト（採集データおよびNational Center for Biotechnology Information (NCBI) accession numberを含む）はSupplementary Data 1および2に示す。
トランスクリプトームデータについては、OrthoDB v7（文献92）を用いて、4種の半代謝性種（Zootermopsis nevadensis、Pediculus humanus、Acyrthosiphon pisum、Rhodnius prolixus）と1種の半代謝性種（Nasonia vitripennis）を用いてカスタムメイドのオルソログ遺伝子セットを設計し、5414個のタンパク質コード遺伝子を得た。Orthograph v0.5.3(ref.93)を用いて、各参照遺伝子のアミノ酸配列からプロファイル隠れマルコフモデル(pHMM)を生成し、これを転写ライブラリー中のオルソログ候補の検索に用いた。Orthographは、翻訳されたクエリータンパク質配列を使って、すべての参照オルソログ遺伝子／グループ（OG）の全アミノ酸配列のデータベースに対してタンパク質BLAST（blastp）検索を行った。pHMMでヒットした転写産物それぞれについて、対応するBLASTの結果が、最良のヒット配列がpHMMのベースとなるOGに属するかどうかをチェックした。配列が一致した場合のみ、ベストレシプロヒットの基準が満たされ、候補転写産物でOGが拡張された。これらの方法を用いて、平均3700のOGを同定した。これらのOGのアミノ酸配列を、L-INS-iアルゴリズムでMAFFT v7.130b94を用いてアミノ酸レベルで個別にアラインメントし、Supplementary Methods 1.5に記載のパイプラインを用いて多重配列アラインメント（MSA）の質をチェックした。
下流の系統解析では、タンパク質クラン、ファミリー、単一ドメイン、または非注釈領域として同定された領域を、分割解析における進化単位とみなした。これらの進化単位を同定する方法は、Supplementary Methods 1.5に詳述されている。カスタムPerlスクリプトを使用して、タンパク質ドメイン同定ステップの結果と同定されたランダム化MSAセクションをマスクしたスーパーマトリックスにマージした。全アラインメント長は1,647,472アミノ酸位置に及び、いくつかのカスタムメイドのPerlスクリプトを用いて、翻訳後塩基配列スーパーマトリックスを作成した。MARE v0.1.2-rc95を使用して各データブロックの情報量（IC）を評価し、情報量0（IC = 0）を示す同定されたすべてのデータブロックをスーパーマトリックスから削除した。これらのデータから4つのトランスクリプトームデータセットを作成した： (i)Daa,trans,complete、1,541,865個のアミノ酸がアラインされ、1743個のドメインベースのメタパーティションがある。(ii)Daa,trans,strict、436,488個のアミノ酸がアラインされ、102個のメタパーティションがある； (iii)Dnt,trans,completeは、Daa,trans,compleの対応するデータセットであり、第2コドン位置のみの1,541,865個のアライメントされた部位からなる；そして(iv)Dnt,trans,strictは、Daa,trans,strictの対応するデータセットであり、第2コドン位置のみの436,488個のアライメントされた部位からなる。これらのデータセットに対して最も適切なパーティション数を選択するために、PartitionFinder 2.0（文献96）と提供されているRAxMLバージョンを組み合わせて使用した。mtgenomeデータについては、MUSCLE97を用いてリーディングフレームの保存に基づいてアライメントした13のタンパク質コード遺伝子からなる塩基配列の連結行列を作成し、そのデータ行列を合計39のデータブロック（13のミトコンドリアタンパク質コード遺伝子を個々のコドン位置に分割）に分割した。PartitionFinderを使用して、最適なスキームを検索し、各パーティションのヌクレオチド進化モデルを推定した。次に、Dnt,trans,completeとDnt,strans,strictの各データセットを249分類群のmtgenomeの整列行列と連結することにより、トランスクリプトームデータとmtgenomeデータを結合した： (v)Dnt,trans+mito,completeは1,554,238のヌクレオチド配列部位と1766のメタパーティションからなり、(vi)Dnt,trans+mito,strictは448,861のヌクレオチド配列部位と125のメタパーティションからなる。データセットの準備に関するその他の詳細は、補足的方法1.5に示されている。
IQ-TREE v1.5.4(文献98)を用いて、最尤フレームワークでこれらの6つのデータセットを解析した。各データセットについて50回の独立した木探索を行い、IQ-TREEの100ブートストラップレプリカのノンパラメトリックブートストラップによってノードサポートを推定し、最良の対数尤度を持つML木にマッピングした。また、4クラスタ尤度マッピング（FcLM）33を用いて、6つのデータセットのツリー推論に基づいて不一致ノードを選択し、さらに系統間不均一性、非ランダム置換プロセス、および／または系統的シグナルを破壊したパーミュレートデータセットによる欠損データの分布による交絡シグナルをチェックすることで、特定の系統関係の支持を決定した。
分岐時間を推定するために、まず入手可能な化石を徹底的に調査し、較正点となりうるものを特定した（補足方法2参照）。最も信頼できるものを選ぶために、厳密な基準を適用した。合計で5つの多翅目と6つの直翅目の化石を時間較正の対象とした。ルート年代を含むすべての較正は、一様プリオールを用いて4億1200万年前（Rhynie Chert99の最古年代）をソフトな最大境界に設定した。最も決定的なデータセットであるDaa,trans,strictデータセットの修正マトリックスに基づき、ソフトウェアパッケージPAML v.4.9 (ref. 100)に実装されているMCMCTreeを用いて分岐時間を推定した。この修正マトリックスは、60分類群のうち少なくとも80%について曖昧さのないデータを持つサイトのみを含んでおり、データセットのサイズが大きいことから生じるノード年代を推定する際の計算上の制限を克服するために必要であった。これまでの研究で、年代解析の結果は欠損データのパターンやこのデータセットの縮小に対して頑健であることが示されている101。さらに、計算量をさらに減らすために、非分割年代分析を選択した。モデルLG (aaRatefile = lg.dat) + Gを5つのレートカテゴリーとし、経験的に推定された塩基頻度(model = 2)を設定し、個々のサイトからレートを推定できるようにした(RateAncestor = 1)。それぞれのデータセットから推定された経験的+F塩基頻度を用いて、PAMLに実装されているCODEMLを用いて、上記の仕様に従ってヘシアンマトリックスの計算を行った。MCMCチェーンは、100,000世代のバーンインを破棄しながら、1,000,000世代（sfreq = 50）実行した。メンフィス大学HPCクラスターとテキサスA&M HPCクラスターを使用し、合計4回の独立した実行を行った。系統解析、トポロジー検定、分岐時間推定解析の詳細は、補足方法1.6、1.7、1.8に示す。
系統的比較方法
聴覚器官と発音器官の進化を系統に沿って追跡するため、まず徹底的な文献調査と標本の物理的検査を行い、本研究に含まれる全種におけるこれらの器官の特徴を明らかにした。聴覚器官については、鼓膜がないか、胸部にあるか（カマキリ科）、前脛骨にあるか（Ensifera）、腹部にあるか（Caelifera）をコード化した。また、気門類に見られる鼓膜聴覚も状態の1つに含めた。音を出す器官については、1番目に名前が付けられた構造がストライドルファイル、2番目に名前が付けられた構造がスクレーパーという特定の命名規則を用いた。例えば、腹大腿斜頸の場合、斜頸ファイルは腹部に、スクレーパーは後脚大腿部の内側にある。使用可能な組み合わせは次のとおりである：欠如、tegmino-pronotal、tegmino-femoral、tegmino-alary、tegmino-tegminal、abdomino-alary、abdomino-femoral、Krauss's organ-femoral、femoro-tegminal stridulation。さらに、バッタが折り畳んだり広げたりするときに翅を鳴らして音を出す、クレピテーション36として知られる、アシナガバッタ科にのみ見られる別のタイプの発音機構も含めた。この分析に用いた文字の全リストは、補足データファイル14に示した。
Dnt,trans+mito,strictから得られたトポロジーを用いて、最尤フレームワークで聴覚器官と発音器官の祖先文字状態復元を行った。Rパッケージphytools102を用いて、連続時間マルコフ連鎖（Mk）単一レート（ER）モデルをデータに当てはめ、文字の進化を推測した。また、同じデータセットを用いて、聴覚と音生成の進化的相関についてPagelの二項文字相関検定37をphytoolsを用いて行った。系統樹を刈り込んで、Orthoptera-only、Ensifera-only、Caelifera-onlyのデータセットを作成し、系統特異的なパターンを比較対照した。聴覚と音声生成の両方について、異なるタイプの鼓膜と斜頸機構を単純な有無二進文字として再コード化し、これら2つの形質の一般的な共進化ダイナミクスを明らかにした。各データセットについて、聴覚と音生成の共進化に関する4つのモデルを当てはめ、赤池情報量規準（AIC）を用いて結果を比較した：(i) 聴覚と音生成は独立して進化する、(ii) 聴覚の進化は音生成の進化に依存する、(iii) 音生成の進化は聴覚の進化に依存する、(iv) 聴覚と音生成は相互に依存して進化する。
エンシフェラについては、前脚の複雑な脛骨器官の進化も調べた。聴覚器官に関する詳細な神経解剖学的研究は、ごく少数の種に限られているが7,68、Ensiferaでは、前脚下器官（SGO）と中間器官（IO）からなる複雑な脛骨器官が祖先の状態であることが示唆されている7。現生種のグリロイア科とグリロタルプ科は、SGOと鼓膜器官（TO）からなる感覚器官を持ち、聴覚受容細胞はIOから変化したと推定されている7。一方、テチゴニオイガメ科とプロファランゴオイガメ科では、聴覚器官はSGOとIO、そして聴覚信号に反応する味蕾（CA）の感覚ニューロンからなる7。鼓索動物も複雑な脛骨器官の構成が異なることが知られている。Rhaphidophoridaeは、SGOとIOを持ち、聴覚受容器細胞が特殊化した形跡は見られない103。Schizodactylidae、Gryllacrididae、Stenopelmatidae、AnostostomatidaeはいずれもTettigoniidaeと同様の感覚器官を持ち、SGO、IO、CAと相同な感覚ニューロンからなるが、聴覚に特化したものはなく、crista acustica homologue (CAH)と呼ばれる69,104。今回の分類群サンプリングでは詳細な神経解剖学的データがなかったため、Ensiferaにおける複雑な脛骨器官の祖先的な特性状態の再構築を行うことはできなかったが、この構成が分類群ファミリーレベルで保存されているという仮定に基づいて、この特性を系統樹上にマッピングすることができた。
系統ごとの多様化率を推定するために、Bayesian analysis of macroevolutionary mixtures（BAMM）39とRパッケージBAMMtools105を用いて多様化解析を行った。BAMMには包括的な時間較正超準木が必要であったため、補足方法1.8に記載されているように、MCMCTreeを用いて同じ11化石較正点を持つ249taxaのDnt,trans+mito,strictデータセットを用いて分岐時間推定解析を行った。種の多様性を正確に表現し、不完全な分類群サンプリングを考慮するため、Orthoptera Species File106に記録されている記載種の数に基づいて、各ファミリーのサンプリング割合を指定した。解析前にBAMMtoolsのsetBAMMpriors関数を使用してプリオールを設定し、収束を達成するためにデフォルトの設定を変更した。BAMMの多様化解析のモデルとして "種分化絶滅 "を用い、サンプリング頻度1000で1000万世代を実行した。収束評価、速度シフトの解析、クレード特異的速度の計算はBAMMtoolsを用いて行った。
聴覚と音生成の進化が種分化率と絶滅率に影響を与えたかどうかを調べるため、Rパッケージhise42を用いて形質依存的多様化のモデルを当てはめた。BiSSE（Binary State Speciation and Extinction）法107の枠組みで分析すると、未測定因子（または隠れた状態）の存在が、観測された形質の多様化率の推定に影響を与える可能性があることが示されているため、HiSSE（Hidden State Speciation and Extinction）42に実装されているマルチモデル推論法を採用した。まず、時間的に較正された超メトリック樹を、直翅目（239端末）のみを含むように刈り込み、聴覚器官と音発生器官については、以前Pagelの検定に使用した2値文字データセットを使用した。これらの器官の存在が必ずしも音響コミュニケーションの存在を示すわけではないので、音響コミュニケーションを2進文字としてコード化するデータセットを追加作成し、その進化が多様化率に影響を与えるかどうかを検証した。BeaulieuとO'Meara42で用いられた24の異なるモデルを、直翅類の聴覚データセットと音生成データセットの両方に当てはめた。これらのモデルには、BiSSEモデルに相当する4つのモデル、形質非依存モデル（CIDモデルとして記述）に相当する4つのモデル、および観測された状態の両方に関連する隠れた状態を仮定した異なるHiSSEモデルに相当する16のモデルが含まれる。これらのモデルの詳細な説明はSupplementary Methods 3.4に含まれている。すべてのケースについて、ツリーで表現される既知の0（すなわち不在）の割合と既知の1（すなわち存在）の割合を計算することにより、観測状態のサンプリング割合をモデルに含めた。得られたモデルはAICを用いて比較された。分析はすべてhiseで行った。
報告概要
研究デザインに関する詳細は、この論文にリンクされている Nature Research Reporting Summary を参照されたい。
データの利用可能性
系統学的解析、分岐時間推定、個体進化解析を含め、本研究で作成および/または解析されたすべてのデータセットはDryad Digital Repository [https://doi.org/10.5061/dryad.qjq2bvqc6]で公開されている。トランスクリプトームとミトコンドリアゲノムの全データは、新規に配列決定されたものと過去に公開されたものの両方があり、NCBIのデータベースでアクセスできる。具体的なアクセッション番号とハイパーリンクは、補足データ1および3にある。さらに、方法と解析に関する追加情報は、Supplementary InformationとSupplementary Dataに記載されている。
コードの利用可能性
アラインメントの精密化、タンパク質ドメインの同定、アラインメントのマスキング、データセットの最適化、トポロジーテストなど、系統解析パイプラインのすべてのスクリプトは以前に公開されており[https://doi.org/10.1126/science.1257570]、[https://www.zfmk.de/en/research/projects/1kite-the-evolution-of-the-insects]にアクセスできる。さらに、以下の公開されているカスタムコードを使用した： AliCUT v2.3 [https://github.com/PatrickKueck/AliCUT] SymTest v.2.0.47 [https://github.com/ottmi/symtest], MitoZ [https://github.com/linzhi2013/MitoZ], selectSites.pl [https://github.com/justincbagley/MAGNET/blob/master/perl/selectSites.pl], pfam_scan.pl [http://ftp.ebi.ac.uk/pub/databases/Pfam/Tools/] and plot_runs_MCMCtree.R [https://github.com/kmeusemann/scripts/blob/master/plot_runs_MCMCtree.R].
変更履歴
2020年11月03日
本論文の修正版が公開されたので、論文上部のリンクからアクセスできる。
参考文献
Brumm, H. Animal Communication and Noise (Springer, 2013).
Hedwig, B. Insect Hearing and Acoustic Communication (Springer, 2014).
Ewing, A. W. Arthropod Bioacoustics： Neurobiology and Behaviour (Cornell Univ. Press, 1989).
Chen, Z. & Wiens, J. J. The origins of acoustic communication in vertebrates. Nat. Commun. 11, 369 (2020).
ADS CAS Google Scholar
陸棲および水棲脊椎動物における音響コミュニケーション。J. Exp. Biol. 220, 2306-2317 (2017).
Google Scholar
Senter, P. 過去の声：古生代と中生代の動物の鳴き声のレビュー。Hist. Biol. 2, 255-287 (2008).
Google Scholar
Insect Hearing and Acoustic Communication Animal Signals and Communication (ed. Hedwig, B.) 5-26 (Springer, 2014).
Popper, A. N., Platt, C. & Edds, P. L. in The evolutionary biology of hearing (eds Webster, D. B., Popper, A. N. & Fay, R. R.) 49-57 (Springer, 1992).
King, A. S. in Form and Function in Birds Vol. 4 (eds King, A. S. & McLelland, J.) 105-192 (Academic, 1989).
Göpfert, M. C. & Hennig, R. M. Hearing in insects. Annu. Rev. Entomol. 61, 257-276 (2016).
Google Scholar
Greenfield, M. D. in Insect Hearing (eds Pollack, G. S., Mason, A. C., Popper, A. & Fay, R. R.) 17-47 (Springer, 2016).
Strauß, J. & Stumpner, A. Selective forces on origin, adaptation and reduction of tympanal ears in insects. J. Comp. Physiol. A 201, 155-169 (2015).
グーグル奨学生
Szumik, C., Juárez, M. L., Ramirez, M. J., Goloboff, P. & Pereyra, V. V. Implications of the tympanal organ and ultrastructure of chaetotaxy for the higher classifcation of Embioptera. Am. Mus. Novit. 3933, 1-32 (2019).
グーグル スカラー
Römer, H. & Tautz, J. in Advances in Comparative and Environmental Physiology Vol.10 (ed. Ito, F.) 185-212 (Springer, 1992).
Shaw, S. R. ゴキブリ「振動検出器」による空気伝搬音の検出：昆虫聴覚進化におけるミッシング・リンクの可能性。J. Exp. Biol. 193, 13-47 (1994).
CAS Google Scholar
カマキリ目カマキリ科カマキリの音発生：斜頸構造と音響信号。J. Orthoptera Res 16, 35-49 (2007).
Google Scholar
Alexander, R. D. 節足動物における音響コミュニケーション。Annu. Rev. Entomol. 12, 495-526 (1967).
Google Scholar
Bailey, W. J. Acoustic Behaviour of Insects: an Evolutionary Perspective (Chapman and Hall, 1991).
Hoy, R. R. & Robert, D. 昆虫の鼓膜聴覚。Annu. Rev. Entomol. 41, 433-450 (1996).
CAS Google Scholar
直翅目聴覚器官の発生と進化的起源。J. Neurobiol. 21, 592-610 (1990).
CAS Google Scholar
Pollack, G. S. in Insect Hearing (eds Pollack, G. S., Mason, A. C., Popper, A. & Fay, R. R.) 81-98 (Springer, 2016).
Hoy, R. R. in The Evolutionary Biology of Hearing (eds Webster, D. B., Popper, A. N. & Fay, R. R.) 115-129 (Springer, 1992).
昆虫の聴覚系の進化と機能。Naturwissenschaften 88, 159-170 (2001).
ADS CAS Google Scholar
Greenfield, M. D. in Insect Hearing and Acoustic Communication (ed. Hedwig, B.) 81-100 (Springer, 2014).
Kawahara, A. Y. et al. Phylogenomics reveals the evolutionary timing and pattern of butterflies and moth. Proc. Natl Acad. Sci. USA 116, 22657-22663 (2019).
CAS Google Scholar
Yager, D. D. & Svenson, G. J. Morphological, molecular, neurophysiological, and behavioural data based on praying mantis auditory system evolutions. Biol. J. Linn. Soc. 94, 541-568 (2008).
Google Scholar
Riede, K., Kämper, G. & Höfler, I. 鳴くバッタと鳴かないバッタ（Insecta, Acridoidea）における鼓膜、聴覚閾値、鼓膜神経の投射領域。Zoomorphology 109, 223-230 (1990).
Google Scholar
Song, H. 昆虫の生物多様性： Science and Society 1st edn, Vol. 2 (eds Foottit, R. G. & Adler, P. H.) 245-280 (Wiley, 2018).
ニュージーランド産ウェタ（Orthoptera: Stenopelmatidae）における条虫機構の構造と進化。Int. J. Insect Morphol. Embryol. 22, 163-183 (1993).
Google Scholar
西オーストラリアの原始的な直翅類における音作り：アメトルス属とハドログリラクリス属（Gryllacrididae: Orthoptera）の防御音と社会的コミュニケーションに使われる音。J. Nat. J. Nat. 31, 1127-1141 (1997).
Google Scholar
Béthoux, O. & Nel, A. 静脈パターンとOrthoptera sensu nov.および姉妹群の改訂。古生代および中生代のOrthoptera sensu nov.の系統樹。Zootaxa 96, 1-88 (2002).
Google Scholar
蟋蟀，コオロギ，およびその近縁種（Archaeorthoptera）における条虫の起源．Arthropod Syst. Phylo 70, 43-68 (2012).
Google Scholar
Strimmer, K. & von Haeseler, A. Likelihood-mapping：配列アライメントの系統的内容を可視化する簡単な方法。Proc. Natl Acad. Sci. USA 94, 6815-6819 (1997).
ADS CAS MATH Google Scholar
Song,H.他：3億年にわたる多様化：包括的な分類群と遺伝子のサンプリングに基づく直翅目の進化パターンの解明。Cladistics 31, 621-651 (2015).
グーグル・スカラー
Pamphagidae(Caelifera:Orthoptera)における発音におけるクラウス器官の役割。Ital. J. Zool. 79, 441-449 (2012).
Google Scholar
バッタのコミュニケーション行動の比較研究。Mus. Zool. Univ. Mich. 141, 1-168 (1970).
Google Scholar
Pagel, M. 系統上で相関進化を検出する：離散的特徴の比較分析のための一般的方法。Proc. R. Soc. B 255, 37-45 (1994).
Evolution 54, 1480-1492 (2000).
CAS Google Scholar
Rabosky,D.L.系統樹上のキーイノベーション、レートシフト、多様性依存性の自動検出。PLoS ONE 9, e89543 (2014).
ADS Google Scholar
Proc. Natl Acad. Sci. USA 113, 9569-9574 (2016).
CAS Google Scholar
Rabosky, D. L., Mitchell, J. S. & Chang, J. BAMMには欠陥があるのか？多率分散モデルの分析における理論的および実際的な懸念。Syst. Biol. 66, 477-498 (2017).
Google Scholar
形質依存的種分化・絶滅モデルにおける隠れた多様化シフトの検出。Syst. Biol. 65, 583-601 (2016).
Google Scholar
Desutter-Grandcolas、L. 現存するEnsifera（昆虫綱、Orthoptera）における系統発生と音響コミュニケーションの進化。Zool. Scr. 32, 525-561 (2003).
Google Scholar
Lewis, D. B. テチゴニ類の耳の生理学。耳の解剖学的特徴と受音機能との関係。J. Exp. Biol. 60, 821-837 (1974).
CAS Google Scholar
Michelsen, A. in Basic Mechanisms in Hearing (ed. Moller, A.) 911-934 (Academic, 1973).
Van Staaden, M. J. & Römer, H. 太古のバッタにおける伸張器から聴覚器への進化的移行。Nature 394, 773-776 (1998).
ADS Google Scholar
Bailey, W. J. & Rentz, D. C. F. The Tettigoniidae: Biology, Systematics and Evolution (Crawford House, 1990).
Otte, D. コオロギの鳴き声の進化。J. Orthoptera Res. 1, 25-49 (1992).
Google Scholar
Weissman, D. B. in The Biology of Wetas, King Crickets and their Allies (ed. Field, L. H.) 351-378 (CABI Publishing, 2001).
Jost, M. C. & Shaw, K. L. 3つのリボソーム遺伝子座を用いたEnsifera (Hexapoda: Orthoptera)の系統樹。Mol. Phylogen. Evol. 38, 510-530 (2006).
CAS Google Scholar
(2006)マイトゲノム配列から推定されるEnsiferaの高次系統樹に向けて. Mol. Phylogen. Evol. 108, 22-33 (2017).
Google Scholar
ensiferanの関係における100年にわたる不安定性。Syst. Entomol. 35, 475-488 (2010).
Google Scholar
Desutter-Grandcolas, L. et al. 3Dイメージングにより、コオロギとその仲間（昆虫綱）における音響コミュニケーションの収斂進化が4つの特異なケースで明らかになった。Sci. Rep. 7, 7099 (2017).
ADS Google Scholar
Masters, W. M. Insect disturbance stridulation: its defensive role. Behav. Ecol. Sociobiol. 5, 187-200 (1979).
Google Scholar
昆虫攪乱音のストリデュレーション：空気伝搬音と振動音の成分分析。J. Comp. Physiol. A 135, 259-268 (1980).
Google Scholar
Umbers, K. D. L., Lehtonen, J. & Mappes, J. Deimatic displays. Curr. Biol. 25, R58-R59 (2015).
CAS Google Scholar
Sharov, A. G. Filogeniya orthopteroidnykh nasekomykh. Tr. Paleontol. Inst. Akad. Nauk SSSR 118, 1-216 (1968).
Google Scholar
Sharov, A. G. Phylogeny of the Orthopteroidea (Israel Program for Scientific Translations, 1971).
Béthoux, O. Cladotypic taxonomy applied： タイタノプテラ類は直翅目である。Arthropod Syst. Phylo 65, 135-156 (2007).
Google Scholar
直翅目の古くからの世界的な系統であるRhaphidophoridaeの分子系統への洞察。Mol. Phylogen. Evol. 138, 126-138 (2019).
グーグル・スカラー
Hebard, M. A revision of the North American species of the genus Myrmecophila (Orthoptera; Gryllidae; Myrmecophilinae). Trans. Am. Trans. Am. 46, 91-111 (1920).
Google Scholar
Field, L. H. The Biology of Wetas, King Crickets and Their Allies (CABI Publishing, 2001).
Vandergast, A. G. et al. 難問に挑む：タクソンのサンプリングを増やすことで、Stenopelmatoidea (Orthoptera: Ensifera)内の関係を解決できるか？Zootaxa 4291, 1-33 (2017).
グーグル・スカラー
Zuk, M., Rotenberry, J. T. & Tinghitella, R. M. Silent night: A adaptive disappearance of a sexual signal in a parasitized population of field crickets. Biol. 2, 521-524 (2006).
Google Scholar
Pascoal, S. et al. 野戦コオロギのゲノムが明らかにした、野生における最近の急激な適応の足跡。Evol. Lett. 4, 19-33 (2020).
Google Scholar
Stritih、N. & Čokl、A. 非可聴洞窟コオロギの交尾行動と振動シグナルは、Ensiferaの原始的なコミュニケーションを反映している。PLoS ONE 7, e47646 (2012).
ADS CAS Google Scholar
ワイズマン、M. J.。オオサシコオロギDaihinibaenetes giganteus Tinkam（直翅目：Rhaphidophoridae）の自然史。J. Orthoptera Res. 6, 33-48 (1997).
Google Scholar
直翅目昆虫の鱗翅目付属器官とネベノーガン：神経解剖学的比較，メカノセンサ機能，進化的起源。Arthropod Struct. Dev. 46, 765-776 (2017).
グーグル奨学生
Strauß, J. & Lakes-Harlan, R. Neuroanatomy and physiology of the complex tibial organ of an atympanate ensiferan, Ametrus tibialis (Brunner von Wattenwyl, 1888) (Gryllacrididae, Orthoptera) and evolutionary implications. Brain Behav. Evol. 71, 167-180 (2008).
Google Scholar
テチゴニオイガ（Orthoptera: Tettigoniidae）の耳：多機能性と構造の多様性。Int. J. Insect Morphol. Int. J. Insect Morphol. 22, 185-205 (1993).
Google Scholar
Larsen, O. N. & Michelsen, A. アンシファランの耳の生物物理学。III. 4入力システムとしてのコオロギの耳。J. Comp. Physiol. A 123, 217-227 (1978).
Google Scholar
Schmidt, A. K. D. & Römer, H. コオロギの音響気管系の多様性と指向性聴覚における役割。Front. Zool. 10, 61 (2013).
Google Scholar
コオロギの聴覚メカニクス：音圧差レシーバーにおける二重音入力の直接的証拠。J. R. Soc. Interface 13, 20160560 (2016).
グーグル・スカラー
Lankheet, M. J., Cerkvenik, U., Larsen, O. N. & van Leeuwen, J. L. 野戦コオロギGryllus bimaculatusにおける鼓膜振動の周波数同調と方向感度。J. R. Soc. Interface 14, 20170035 (2017).
グーグル・スカラー
Montealegre-Z, F. & Robert, D. Biomechanics of hearing in katydids. J. Comp. Physiol. A 201, 5-18 (2015).
Google Scholar
Wendler, G. & Löhe, G. コオロギGryllus bimaculatusの音響気管における内側中隔の役割。効率的なフォノタキシスの重要性。J. Comp. Physiol. A 173, 557-564 (1993).
Google Scholar
原始的な針葉樹の聴覚：Cyphoderris monstrosa（直翅目：ハグロトンボ科）の聴覚系。J. Comp. Physiol. A 168, 351-363 (1991).
Google Scholar
López, H., García, M. D., Clemente, E., Presa, J. J. & Oromí, P. pamphagid grasshopper (Orthoptera). J. Zool. 275, 1-8 (2008).
Google Scholar
昆虫綱バッタ目（Orthoptera）の系統をmtrRNA遺伝子配列から推定。Mol. Phylogen. Evol. 8, 89-103 (1997).
CAS Google Scholar
Leavitt, J. R., Hiatt, K. D., Whiting, M. F. & Song, H. ミトコンドリア系統学における最適データ分割戦略の探索：Acridoidea (Insecta: Orthoptera: Caelifera)の系統樹をケーススタディとして。Mol. Phylogen. Evol. 67, 494-508 (2013).
CAS Google Scholar
ヒューストン，T. F. サンドグローパーCylindraustralia kochii（Saussure）の生態と未成熟期の観察，およびいくつかの近縁種に関するメモ（Orthoptera: Cylindrachetidae）．Rec. West. Rec. West. Mus. 23, 219-234 (2007).
Google Scholar
タナオシダ科の生物生態学的レビュー。Pan-Pac. Entomol. 43, 65-74 (1967).
Google Scholar
膀胱バッタの性シグナリング：呼びかけ範囲を最大化するための戦術的デザイン。J. Exp. Biol. 200, 2597-2608 (1997).
Google Scholar
膀胱バッタBullacris membracioidesにおける雄の鳴き声に対する雌の選好。Behaviour 143, 1439-1456 (2006).
Google Scholar
Mason、J. B. Acridomorpha（直翅目）の鼓膜器官。Eos 44, 267-355 (1968).
Google Scholar
Hedwig, B. イナゴの聴覚情報処理の変調。J. Comp. Physiol. A 164, 409-422 (1989).
Google Scholar
Uvarov, B. P. イナゴ目イナゴ亜科スリンキーニ族とイナゴ亜科の相互関係（Orthoptera）. Trans. R. Entomol. Soc. Lond. 93, 1-72 (1943).
Google Scholar
多遺伝子形質の性選択による種分化のモデル。Proc. Natl Acad. 米国 78, 3721-3725 (1981).
ADS MathSciNet CAS Google Scholar
Mendelson, T. C. & Shaw, K. L. Sexual behaviour: Rapid Speciation in an arthropod. Nature 433, 375-376 (2005).
ADS CAS Google Scholar
Kilkpatrick, M. Sexual selection and the evolution of female choice. Evolution 36, 1-12 (1982).
Google Scholar
テチクビゴミムシ科（Orthoptera: Ensifera）の包括的系統樹から、広範な異形の収束と広範な分類学的不整合が明らかになった。Insect Syst. Div. 2, 1-27 (2018).
Google Scholar
真核生物のオルソログの階層的カタログ（OrthoDB: the hierarchical catalog of eukaryotic orthologs in 2011）。Nucleic Acids Res. 39, D283-D288 (2011).
CAS Google Scholar
真核生物オルソログデータベース（Orthograph: A versatile tool for mapping coding nucleotide sequences to clusters of orthologous genes）。BMC Bioinformatics 18, 111 (2017).
Google Scholar
MAFFTマルチプルシーケンスアライメントソフトウェア第7版：パフォーマンスと操作性の向上。Mol. Biol. Evol. 30, 772-780 (2013).
CAS Google Scholar
Misof,B.ら. スパース・スーパーマトリックスの情報量の多い部分集合を選択することで、正しい木を見つける確率が高まる。BMC Bioinformatics 14, 348 (2013).
Google Scholar
このような研究により、生物学的・形態学的な進化モデルを選択するための新しい手法が開発された。Mol. Biol. Evol. 34, 772-773 (2017).
CAS Google Scholar
MUSCLE: Multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Res. 32, 1792-1797 (2004).
CAS Google Scholar
Nguyen, L.-T., Schmidt, H. A., von Haeseler, A. & Minh, B. Q. IQ-TREE: a fast and effective stochastic algorithm for estimating maximum likelihood phylogenies. Mol. Biol. Evol. 32, 268-274 (2015).
CAS Google Scholar
Mark, D. F., Rice, C. M. & Trewin, N. H. Discussion on 'A high precision U-Pb age constrait on the Rhynie Chert Konservat-Lagerstätte: time scale and other implications'. J. Geol. Soc. Lond. 168, 863-872 (2013).
Google Scholar
PAML 4：最尤法による系統解析プログラムパッケージ。Mol. Biol. Evol. 24, 1586-1591 (2007).
CAS Google Scholar
Evangelista, D. A. et al. 統合系統学的アプローチによるゴキブリとシロアリ（Blattodea）の進化史の解明。Proc. R. Soc. B 286, 20182076 (2019).
グーグル・スカラー
Revell, L. J. phytools: an R package for phylogenetic comparative biology (and other things). Methods Ecol. Evol. 3, 217-223 (2012).
Google Scholar
カブトコオロギTroglophilus neglectus（Orthoptera:Rhaphidophoridae）の舌下器官複合体：比較神経と感覚進化。R. Soc. Open Sci. 1, 140240 (2014).
ADS Google Scholar
テチゴニオイデアにおける聴覚受容器の進化的起源：シゾダクツボ科の複雑な脛骨器官。Naturwissenschaften 96, 143-146 (2009).
ADS Google Scholar
Rabosky, D. L. et al. BAMMtools: R package for the analysis of evolutionary dynamics on phylogenetic trees. Methods Ecol. Evol. 5, 701-707 (2014).
Google Scholar
Cigliano, M. M., Braun, H., Eades, D. C. & Otte, D. Orthoptera species file. バージョン5.0/5.0。OSF http://Orthoptera.SpeciesFile.org (2019).
Maddison, W. P., Midford, P. E. & Otto, S. P. Estimating a binary character's effect on speciation and extinction. Syst. 56, 701-710 (2007).
Google Scholar
参考文献のダウンロード
謝辞
標本の収集から分子ラボでの作業、バイオインフォマティクス、分岐時間の推定、そしてすべての解析に至るまで、このプロジェクトのあらゆる局面で協力してくれたすべての人々に感謝の意を表したい。1KITEコンソーシアム[https://www.1kite.org/]全体、特にKaren Meusemannには、本研究のすべての段階において多大な協力をいただいた。標本の入手と決定に協力してくれた以下の協力者に感謝する： Christina Painting、Anna Probert、David Weissmann、Dezhi Zhang、Boyang Ding、Dieter Schulten、Geoff Monteith、Hans Pohl、Hong Yin、Kai Schuette、Karl Kjer、Kevin Judge、Luke Dunning、Craig Williams、Philipp Krohn、Dietrich Ober、Ralph S. Peters、Thomas R. Buckley、Victoria Twort、Xinjiang Li、Pengxiang Wang、Yongchao Zhi、Dezhi Zhang、およびサンプルとデータのキュレーションと管理に貢献したBGI-Shenzhenの他の同僚。また、Lena WaideleとKaren Meusemannには、ダイバージェンス時間の推定値をプロットするためのRスクリプトを提供してもらった。Pneumoridae のシグナル伝達に関する情報を提供してくれた Vanessa Couldridge に感謝する。私たち、特にO.B.は、Alexander P. Rasnitsyn、Dimitri Shcherbakov、Edmund A. Jarzembowski、Harry Taylor、Claire Mellish、Dmitry Kopylov、Alfréd Dulaiに、文献へのアクセス、個人的な観察の共有、特定の標本の新たな写真データの作成と提供、および／または特定の標本の貸与および／または運搬の担当を支援していただいたことに感謝する。また、補足情報に掲載した写真の複製を許可してくださったCretaceous Research誌の編集委員会に感謝する。1KITEトランスクリプトームの配列決定とアセンブリは、BGIからChina National GeneBankへの支援を通じて資金提供を受けた。また、本研究は米国国立科学財団（助成金番号DEB-1064082、IOS-1253493、DEB-1937815をH.S.に、DEB-1355169をD.D.M.に授与）および米国農務省（H.S.にハッチ助成金TEX0-1-6584）の支援を受けている。本論文のオープンアクセス出版費用の一部は、大学図書館が支援するTexas A&M University Open Access to Knowledge Fund（OAKFund）によって賄われた。
著者情報
著者メモ
これらの著者は同等に貢献した： Hojun Song, Olivier Béthoux, Seunggwan Shin, Sabrina Simon.
著者および所属
テキサスA&M大学昆虫学科、カレッジステーション、テキサス州、77843-2475、USA
ホジュン・ソン
パリ古生物学研究センター（CR2P）、MNHN-CNRS-ソルボンヌ大学、国立自然史博物館、75005、パリ、フランス
オリヴィエ・ベトゥー
メンフィス大学生物科学部および生物多様性研究センター、メンフィス、テネシー州、38152、アメリカ
シン・スングァン＆ドゥエイン・マッケンナ
大韓民国ソウル市ソウル特別市ソウル大学生物科学部
シン・スングァン
分子生物多様性研究センター（ZMB）、アレクサンダー・ケーニッヒ動物学研究博物館（ZFMK）、53113、ボン、ドイツ
アレクサンダー・ドナート、ベルンハルト・ミソフ、ラース・ポディアドロフスキー
ウィーン大学植物学・生物多様性学部、1030、ウィーン、オーストリア
ハラルド・レッチュ
中国国立遺伝子バンク、BGI-深圳、518083、広東、中国
シャンリン・リウ & グァンリャン・メン
中国農業大学植物防疫学院昆虫学部、〒100193、北京市、中国
シャンリン・リウ & シン・チュウ
フリードリヒ・シラー大学動物学・進化生物学研究所，ドイツ・イエナ，07743
ベンジャミン・ウィップフラー
分類学・進化学研究センター、動物学研究博物館、アレクサンダー・ケーニッヒ、53113、ボン、ドイツ
ベンジャミン・ウィップフラー
ワーヘニンゲン大学バイオシステムグループ、オランダ、ワーヘニンゲン、6708 PB
サブリナ・サイモン
貢献
H.S.、B.W.およびS.Si.は本研究を発案した。H.S.、A.D.、H.L.およびB.W.は試料を収集または提供した。H.S.、A.D.、H.L.、S.L.、L.P.、X.Z.およびS.Si.はトランスクリプトームの組み立てと処理を行った。H.S.、S.L.、G.M.はミトコンドリアゲノムのアセンブルと処理を行った。S.Sh.はオルソロジー検索と遺伝子セットの開発を行った。H.S.、S.Sh.、D.D.M.、S.Si.が系統解析を行った。S.Siはトポロジーテストを行った。A.D.、B.M.、S.Si.はスクリプト、データセット、プログラムの開発を行った。O.B.は化石のキャリブレーションを行った。H.S.、S.Sh.、S.Si.は年代分析を行った。H.S.は系統比較法を行った。著者全員が原稿執筆に貢献し、H.S.、O.B.、S.Sh.、S.Si.が中心となって執筆した。
対応する著者
Hojun SongまたはSabrina Simonまで。
倫理申告
競合利益
著者らは、競合する利益はないと宣言している。
追加情報
査読情報 Nature Communications誌は、Michael Greenfield氏、およびその他の匿名の査読者の方々の本研究の査読への貢献に感謝します。査読者のレポートはこちら。
発行者注：Springer Natureは、出版された地図および所属機関の管轄権の主張に関して中立を保っています。
本論文のオリジナルオンライン版は改訂されました： 変更点の詳細については、本論文の訂正を参照されたい。
補足情報
補足情報
査読
報告概要
追加補足ファイルの説明
補足データ1-15
権利と許可
オープンアクセス 本論文は、クリエイティブ・コモンズ表示4.0国際ライセンスの下でライセンスされている。このライセンスは、原著者および出典に適切なクレジットを付与し、クリエイティブ・コモンズ・ライセンスへのリンクを提供し、変更が加えられた場合はその旨を示す限り、いかなる媒体または形式においても、使用、共有、翻案、配布、複製を許可するものである。この記事に掲載されている画像やその他の第三者の素材は、その素材へのクレジット表示で別段の指示がない限り、記事のクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに含まれています。素材が記事のクリエイティブ・コモンズ・ライセンスに含まれておらず、あなたの意図する利用が法的規制によって許可されていない場合、または許可された利用を超える場合は、著作権者から直接許可を得る必要があります。このライセンスのコピーを見るには、http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/。
転載と許可
この記事について
この記事の引用
宋 浩（Song, H., Béthoux, O., Shin, S. 他）：系統学的解析により、直翅目における音響コミュニケーションに向けた進化の道筋が明らかになった。Nat Commun 11, 4939 (2020). https://doi.org/10.1038/s41467-020-18739-4
引用文献のダウンロード
2020年2月10日受領
2020年9月11日受理
公開2020年10月02日
DOIhttps://doi.org/10.1038/s41467-020-18739-4
この記事を共有する
以下のリンクをシェアすると、誰でもこのコンテンツを読むことができます：
共有リンクを取得
コンテンツ共有イニシアチブSpringer Nature SharedItにより提供されています。
テーマ
動物行動学
昆虫学
系統学
性淘汰
この論文の引用者
ナナフシ科昆虫の飛翔進化に関する第二の見解
サラ・バンク
スヴェン・ブラドラー
BMC生態学と進化（2022年）
昆虫学と昆虫食の発展のためのコオロギゲノム解析
片岡 浩介
戸川 祐樹
由良 啓
生物物理レビュー (2022)
短角バッタ（Orthoptera: Acrididae）の化学生態と嗅覚
中野 真理
メアリー・モーガン＝リチャーズ
アンドレア・クラヴィジョ＝マコーミック
化学生態学雑誌 (2022)
コメント
コメントを投稿することで、利用規約とコミュニティガイドラインに同意したことになります。私たちの規約やガイドラインを遵守していない、または乱用的なものを見つけた場合は、不適切なものとしてフラグを立ててください。
ネイチャー・コミュニケーションズ (Nat Commun) ISSN 2041-1723 (online)
サイトマップ
ネイチャー・ポートフォリオについて
ネイチャーについて
プレスリリース
プレスオフィス
お問い合わせ
コンテンツを見る
ジャーナルA-Z
テーマ別記事
ナノ
プロトコル交換
ネイチャー・インデックス
出版ポリシー
Natureポートフォリオポリシー
オープンアクセス
著者・研究者サービス
別刷りと許可
研究データ
言語編集
科学編集
ネイチャー・マスタークラス
エキスパートトレーナーによるワークショップ
研究ソリューション
図書館・機関
図書館員サービス＆ツール
図書館ポータル
オープンリサーチ
図書館への推薦
広告とパートナーシップ
広告
パートナーシップとサービス
メディアキット
ブランドコンテンツ
キャリア開発
ネイチャー・キャリア
ネイチャーコンファレンス
ネイチャーイベント
地域ウェブサイト
ネイチャー アフリカ
ネイチャー・チャイナ
ネイチャー インド
ネイチャー イタリア
日本のネイチャー
ネイチャー 韓国
ネイチャー 中東
プライバシーポリシー
クッキーの使用
プライバシーポリシー/クッキーの管理
法的通知
アクセシビリティに関する声明
利用規約
アメリカ合衆国のプライバシー権
© 2023 シュプリンガー・ネイチャー・リミテッド
閉じる
Nature Briefingにご登録ください。
この記事が気に入ったらサポートをしてみませんか？