生命的多样性是宏观演化的产物。新的谱系不断起源，在数百万年间持续分化，基因组与表型也沿着生命之树的各个分支不断改变。然而，任何宏观演化格局最终都源于种群内部的微观演化过程，包括突变、重组、遗传漂变和自然选择。如何将这两个尺度联系起来，至今仍是演化生物学的核心难题之一。比较基因组学为此提供了独特的契机：它既记录了种群层面上遗传变异的产生与分选，也保存了这些过程长期累积而成的物种形成与分化历史。我们课题组致力于在基因组层面研究宏观演化历史。我们对整个类群开展高密度的基因组测序与比较分析，范围从全部现存鸟类到灵长类、有袋类和昆虫，以此重建生物多样性的形成历程，并探究决定演化节奏与模式的基因组机制。

由一个谱系在短时间内分化出大量物种，即快速辐射，是生物多样性形成的重要模式。鸟类是其中最具代表性的例子之一。约6600万年前非鸟恐龙灭绝前后，鸟类经历了一次爆发式分化，现存的大多数目都形成于这一时期。这段历史使鸟类成为研究辐射演化的理想对象，同时也让鸟类系统发育成为生物学中的一道难题。分化事件之间间隔极短，留下的系统发育信号十分有限，不同基因记录的演化历史也常常相互矛盾。

我们依托万鸟计划（Bird 10,000 Genomes Project，B10K），对现存约10,500种鸟类开展全基因组测序。从目级到科级，随着取样密度不断提高，我们构建的基因组尺度系统发育树逐步厘清了鸟类生命之树的深层分支。这些基因组数据的价值远不止于建树，还帮助我们重新认识鸟类辐射与演化的历程：白垩纪末大灭绝如何影响鸟类的种群动态与形态演化，哪些因素造成了不同谱系间分子演化速率的差异，鸟类种群又如何响应历史上的气候变化。目前，取样工作正在向属级水平推进。

新物种形成时，会从祖先群体中继承已有的遗传变异。如果几次物种形成事件接踵而至，这些变异来不及在各谱系中完成分选，便会随机地保留在不同的后代物种中。这样一来，基因组的不同区域可能指向不同的亲缘关系。这一现象称为不完全谱系分选（incomplete lineage sorting，ILS），几乎伴随每一次物种形成。在快速分化的类群中，它可以波及基因组的相当大一部分，使物种的真实演化历史呈现为一张网，而不是一棵简单分叉的树。

基因组学研究已经证实，ILS在生命之树中广泛存在，忽视它会使系统发育推断出现偏差。然而，一个更深层的问题至今鲜有人探讨：ILS是否也参与塑造了形态性状？如果某一性状由演化历史与物种树不一致的基因所控制，它就可能同时出现在亲缘关系并非最近的物种中。这种相似并非趋同演化的结果，而是源于对同一祖先变异的共同继承。我们的研究首次为这一现象提供了证据，为连接基因组演化与表型多样性开辟了新的方向。

突变既是演化的原材料，也是遗传疾病的根源，但突变速率本身并不是一个固定不变的常数。它在物种之间各不相同，也在演化历程中不断改变。1944年，George Gaylord Simpson在经典著作《演化的节奏与模式》（Tempo and Mode in Evolution）中追问：形态演化有多快？是渐进的，还是爆发式的？我们把同样的问题投向突变速率本身。

我们的研究跨越两个时间尺度。在微演化尺度上，我们利用多种脊椎动物的亲子三联体（parent-offspring trio）数据直接检测新生突变，发现每代突变速率本身就是一个演化性状，受到世代时间与生活史特征的塑造。在宏演化尺度上，我们考察鸟类和哺乳动物系统发育中替换速率（即在数百万年间被固定下来的突变）的变化规律，并检验体型、代谢水平、飞行方式等性状如何影响基因组演化的步调。突变速率是否同样遵循Simpson所描述的"快速爆发与长期停滞"交替的模式，仍是一个有待回答的问题。

在脊椎动物中，性染色体曾多次独立起源。哺乳动物采用XY系统，鸟类采用ZW系统，而爬行类、两栖类和鱼类中则并存着多种遗传性别决定与温度依赖型性别决定机制。每一次独立起源，都相当于一场基因组演化的自然实验。这引出了一个根本性的问题：性染色体的演化能否预测？

我们比较了哺乳类、鸟类和爬行类的性染色体结构，揭示了重组抑制如何分阶段逐步扩展，染色体在丧失重组后如何退化，哪些祖先染色体更容易被招募为性染色体，以及新的演化层（evolutionary strata）如何在不同谱系中形成。结果表明，性染色体的更替并非随机发生，而是有迹可循。一些基因组特征，例如精巢偏向表达基因的分布，会使特定染色体更倾向于演变为性染色体，而环境变化则可能引发新性染色体的集中起源。不过，仍有许多关键问题悬而未决：年轻的性染色体是否必然走向退化？性别决定调控网络在不同系统的转换中如何演化？这些网络的改变又如何影响性别偏向性疾病？