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杓兰亚科生物地理、特征进化和分化速率

花匠小妙招
2024-11-20 09:21

文章信息

摘要

杓兰亚科（兜兰；兰科）目前由约200种草本植物组成，分布在两个半球的热带和温带地区，分布极为分散。在这项研究中，基于质体和低拷贝核基因的最大似然和贝叶斯推断，提出了包含所有五个杓兰亚科代表的更新系统发育学。系统发育分析表明，每个属都是单系的，但有些关系（例如杓兰属Acaulia、鹰嘴杓兰、细距舌唇兰、Flabellinervia、黄花杓兰和Palangshanensia之间的关系）与之前基于Sanger数据的研究存在冲突。杓兰亚科似乎起源于南美洲和/或邻近的青藏高原和横断山脉~35Mya。我们推断杓兰属在东亚和北美之间以及兜兰属在东南亚大陆和马来群岛之间发生过多次扩散事件。在美洲，四个属（杓兰属除外）之间的分化发生在3120Mya左右，早在巴拿马地峡关闭之前，这表明了长距离传播的重要性。形态和质体特征进化之间的进化模式表明了一些特征、基因组大小和NDH基因，这些特征可能有助于兜兰在高山植物区系和低海拔森林中的成功。兜兰附生分支的物种多样化率明显高于其他陆生杓兰亚属植物，与其他类群中与附生相关的类似加速相似。这项研究还表明，海平面波动和造山过程促进了最大属中兜兰属和杓兰属的多样化。关键词：特征进化；杓兰属；多元化率；附生植物；兜兰；雨林

1.引言

理解生物体之间的进化关系是解释关键过程的先决条件，包括适应性特征的进化（Irisarri等人,2017）。解开古代趋异或趋同进化场景的关键始终与稳健且解决良好的系统发育重建有关（Feng等人,2019）。然而，由于物种之间的形态分化差和遗传差异低，并且经常伴随着表型趋同、种间基因流和不完全谱系排序（ILS），在最近的进化辐射中理清物种边界和系统发育关系仍然具有挑战性。高通量测序的出现极大地改善了解决浅分类尺度内的系统发育问题或更复杂类群的大规模系统发育研究的尝试（Ding等人,2020;Dong等人,2022;Stiller等人,2022；Zhang等人，2023）。横断山脉（HDM；约12,800种）和雨林（约30,000种）代表了最多样化和最重要的陆地生态系统，提供了广泛的生态位并激发了人们了解这些地区生物多样性的起源和演化的兴趣（Liu等人，2014；Ding等人，2020；Zhang等人，2023）。然而，温带和热带地区共有的生物地理学和类群起源特别令人感兴趣，使研究人员能够更好地解释生物多样性随时间的自然波动。属于兰科（兰科）亚科的兜兰提供了连接温带和热带植物群的分类群的例子。该亚科包含约200个物种(https://powo.science./)，不均匀地分布在五个单系属中。杓兰属（~55种）、镊萼兜兰属（1种）、兜兰属（约110种）、美洲兜兰属（18种）和璧月兰属（10种，Cox等人，1997a）。该亚科的物种以其大、囊状且通常色彩缤纷的唇瓣而闻名，赋予它们很高的商业价值，以及国际社会对其未来保护的关注（IUCN，2022）。杓兰和兜兰的物种在北半球的温带热带栖息地中表现出巨大的多样性（图1；Pridgeon等，2000）。杓兰属物种主要分布在海平面至欧亚大陆和北美的山地高山地区，而兜兰属物种则常与喀斯特地区的热带和亚热带地区有关，从印度向东到菲律宾，然后向南穿越热带雨林马来西亚并跨越赤道远至所罗门群岛（Pridgeon等，2000）。相比之下，美洲兜兰属、璧月兰属和单一物种镊萼兜兰属完全是从中美洲到南美洲的新热带地区。在过去的四十年中，各种系统和系统发育研究报告了有关杓兰亚科内属间和属内关系的不同结果，部分原因是分类单元和分子数据有限（Atwood1984；Albert和Chase1992；Albert1994b；Cox等人1997a；Górniak等人，2010；Chochai等人，2012；Chen等人，2022；其中，早期的解释基于比较形态学和基于形态的植物地理学，建议将璧月兰属合并为杓兰属，因为它们具有共同的镊合萼片夏眠和叶序和纹理（Atwood1984），或者基于低拷贝核基因作为杓兰属的姐妹（Xdh）和质体标记（atpB、rbcL、matK、trnH-psbA、atpIatpH、trnS-trnfM、trnL-F间隔区和trnL内含子；Freudenstein等人，2004年；Cameron2006年；Górniak等人，2010年；Li等人，2011年）。根据形态学和/或分子数据（rbcL或nrDNA），系统发育分析表明璧月兰属是杓兰亚科中最早分化的谱系（Albert1994a；Cox等人1997b）。进一步的系统发育重建将璧月兰属视为基于组合质体和核基因（包括低拷贝核基因）的三个双叶谱系的姐妹，但一般采样不完整（Guo等，2012；Unruh等，2018；Zhang等，2023）。最近的系统发育分析表明兜兰中存在广泛的网状进化和克隆繁殖，但兜兰属正如之前的研究表明的那样，兜兰并不是单系的（Chochai等，2012；Guo等，2015，2021b；Hu等，2022）。此外，兜兰 rungiyasanum O. Gruss, Rungruang, Chaisur. & Dionisio, 兜兰 fairrieanum (Lindl.) Stein和带叶兜兰的系统基因组学关系仍不清楚。总体而言，这些早期研究都没有取得令人满意的分类单元采样，并且涉及的物种数量相当有限。关于杓兰亚科的起源，以前的分子研究提供了该亚科的不同分化时间，部分原因是有限的分类单元和性状采样以及分析缺陷。根据nrDNA分析，早期的分歧时间估计和祖先状态重建表明杓兰亚科起源于北美西南部和中美洲（Cox等，1997）。基于六个质体基因（rbcL、matK、rpoC1、rpoC2、ycf1和ycf2）和两个低拷贝核基因（LFY和ACO），Guo等人。(2012)估计杓兰亚科的树冠年龄为43mya(BEAST)或59-64 mya(r8s)。然而，兰科的全面核系统发育分析表明，基于1,450个低拷贝核基因，该亚科（五个物种）最常见的祖先很可能起源于渐新世早期（29.5–33.8Mya）（Zhang等人，2023）。因此，通过最大的分类单元采样构建的广泛的系统发育框架对于研究该亚科的起源和进化尤为必要。在本研究中，我们的目标是（1）生成迄今为止最大的分类单元和性状样本的杓兰亚科系统发育，（2）阐明杓兰亚科形态特征的进化和一些质体基因的进化，（3）估计使用化石和二次校准的分歧时间来了解杓兰亚科的时间历史；(4)调查杓兰亚属植物的多样化历史并推断与习性相关的多样化率。

2.材料与方法

2.1.分类单元采样、DNA提取和测序我们对138个物种进行了采样，其中包括26个从未被纳入分子系统发育的物种，代表了杓兰亚科的所有5个属（表S1）。我们新对25个物种的基因组进行了测序（通过全基因组重测序），并对1个物种进行了转录组测序。新测序分类群的凭证标本保存于中国科学院成都植物研究所植物标本室（CDBI；植物标本室代码遵循Thiers（表S1；Thiers，2017））。此外，我们使用了从国家生物技术信息中心（NCBI；https://www.ncbi.nlm./；以下简称147类群质体数据集）获得的122个基因组和蛋白质编码基因；表S1和S2），以及之前在我们实验室生成的59个转录组以及来自序列读取存档（SRA）数据库（https://www.ncbi.nlm./sra；以下简称60个分类单元核）的其他公开数据集表S3）。总DNA来自新鲜收集的叶子，然后使用CTAB方案干燥并储存在硅胶上（Doyle和Doyle，1987）。将基因组DNA剪切成约300bp片段(Covaris)，然后使用MGIEasy通用DNA文库制备试剂盒(1000005248)的标准方案构建文库。在华大基因（BGO-深圳，中国）的DNBSEQ-T7平台上对150bp片段的两端进行测序。来自新鲜叶子的基因组RNA(3μg)用作RNA样品制备的输入材料。测序文库是根据制造商的方案（用于 Illumina® 的 NEBNext® Ultra™ II RNA 文库制备试剂盒）生成的。该文库在Novogene（中国北京）的IlluminaHiseq2500平台上进行测序，生成双端读数。2.2.质体组装和注释原始读取(20–49Gb)是使用150bp双端读取长度生成的。使用Fastp(Chen等人,2018)使用默认参数从原始读数中过滤掉适配器和低质量读数，以获得高质量的干净读数。使用GetOrganelle工具包（Jin等人，2020）和NOVOPlastyv.4.3.1（Dierckxsens等人，2017）从头组装圆形塑体。使用Bandage检查最终的圆形质体图（Wick等人，2015）完成的质体组用GeSeq进行注释，并根据已发表的亚暖地杓兰(MT937100)和西藏杓兰 (MN561380)，在细胞器基因组中使用DRAWtool(Greiner等人，2019)实现的OGDRAW绘制圆形图。在Geneious Prime2022（BiomattersLtd.，奥克兰，新西兰）中对起始密码子和终止密码子进行手动校正并确定假基因。2.3.转录组组装和直向同源物鉴定新测序的巴朗山杓兰、另外8个杓兰属物种、8个兜兰属物种、2个香荚兰属物种Plum. ex Mill.和镊萼兜兰属分别代表美洲兜兰属、璧月兰属和镊萼兜兰属属的一个物种用于转录组分析并从NCBISRA数据库检索（表S3）。使用Trinityv.2.1.1（Garber等人，2011）使用默认参数将序列从头组装成重叠群。使用参数-c0.99和-n8的管道cd-hit-est(Li和Godzik,2006)减少了原始程序集的冗余。生成的程序集在TransDecoderv.5.5.0中进行处理（Haas等人，2013）识别转录本中的候选开放阅读框（ORF）并翻译相应的ORF。为了鉴定用于系统发育分析的低拷贝直系同源核基因，使用OrthoFinderv.2.5.4(Emms和Kelly,2015)来鉴定直系同源基因组，其中包含22个物种（9个杓兰属物种、9个兜兰属(兜兰)种、香草属(香荚兰属)两种、镊萼兜兰属和美洲兜兰属各一种)。然后使用Easy353v.1.5.0将227个候选直系同源基因用作种子，从原始读数（23个转录组数据和37个全基因组测序数据）中识别60个个体的低拷贝直系同源核基因（Zhang等人，2022）。最后，我们获得了41个同源基因用于以下系统发育分析。2.4.系统发育分析分别使用串联PCG（147个类群质体数据集）和低拷贝直系同源核基因（60个类群核数据集）进行系统发育分析。对于质体数据集，每个物种的PCG区域均从GeneiousPrime2022中提取，并在PhyloSuitev.1.2.2中连接（Zhang等人，2020）。使用GetOrganelle工具包根据转录组数据组装了6个物种（无茎杓兰、长瓣杓兰、斑叶杓兰、四川杓兰、心启杓兰和璧月兰属aequinoctiale Garay）的重叠群（Jin等人，2020）。使用GeneiousPrime2022进一步对杓兰亚科亚科的125个物种与组装的重叠群共享的PCG进行了进一步定位。3个（无茎杓兰和斑叶杓兰）到12个（璧月兰属aequinoctiale）基因，长度范围从3,585bp（斑叶杓兰）到16,240bp（生成心启杓兰)用于后续系统发育分析（表S2）。对于核数据集，使用PhyloSuitev.1.2.2作为核系统发育分析的输入文件，将从2.3节获得的41个共直系同源基因连接到各自的矩阵中。使用MAFFTv.7.475（Katoh和Standley，2013）通过-auto选项获得每个数据集的多序列比对，并使用Gblockv.0.9b（Talavera和Castresana，2007）和默认参数过滤两个数据集的模糊比对位点。使用贝叶斯推理(BI)和最大似然(ML)构建两个数据集的系统发育分析。对于BI分析，使用jModelTestv.2.1.6（Darriba等人，2012）和进化最佳拟合模型（质体：GTR I G；核：TIM F）估计两个数据集的核苷酸替换模型 R3）是使用CIPRES网关上的XSEDE上的Akaike信息标准(AICc)选择的。对于MrBayes中无法实现的模型，即TIM F R3，遵循手册的建议(Ronquist等人,2020)，用程序(GTR)中可用的下一个更复杂的模型替换已执行的模型。使用MrBayesv.3.2.7a（Ronquist等人，2012）推断系统发育树，并通过两次独立的马尔可夫链蒙特卡罗（MCMC）运行（2000万代）估计后验概率（PP），初步为25%采样数据作为老化而被丢弃。使用IQ-TREEv.2.1.4（Nguyen等人，2015）进行ML分析，并进行2,000次超快引导(BS)重复。使用Figtreev.1.4.4(https://github.com/rambaut/figtree/releases/tag/v1.4.4)和Chiplot(Xie等人,2023)对所得系统发育树进行可视化。2.5.发散时间估计为了研究杓兰亚科的可靠分化历史，使用基于代表杓兰亚科五个属的137个类群（相对于60个类群核数据集）的质体数据集来估计分化时间。质体数据集的外类群由50个分类群组成，代表兰科植物的其余四个亚科（拟兰亚科、香荚兰亚科、兰科亚科和Epidendroideae）以及另外四个单子叶植物。它们在下文中均称为191个类群质体数据集。BEASTv.1.10.4中实现了未校正的对数正态松弛时钟（Suchard等人，2018）。对于质体数据集，根据之前的研究（Li等人,2019），应用两个二级校准点和两个兰花化石来约束茎和冠节。先验也被放置在兰科植物和其他单子叶植物的茎节上（偏移量：112mya，sigma：1.0），并根据先前的研究（Givnish等，2015，2016；Xiang等，2016）。使用两种兰花化石作为冠枝的校准：(1) 石斛属,23.2Mya（平均值：1.0，sigma：1.25；Conran等人，2009）和(2)Goodyerinae，15mya（平均值：1.0，sigma：1.25）拉米雷斯等人，2007）。对于核数据集，根据Zhang等人的结果，在本次分析中应用了两个辅助校准点来约束茎和冠节点。（2023）。BEAST树在以下设置下运行：具有GTR I G替代模型的生死模型。进行了两次240/200百万代的MCMC独立运行，每1,000代进行采样。使用Tracerv.1.7.2(https://tree.bio.ed.Ac.uk/software/tracer/)检查平稳性分析，所有有效样本量(ESS)值均超过200，证实了老化10%。我们在LogCombiner中执行独立运行的老化和组合树，然后在TreeAnnotator中确定具有平均高度的最大分支可信度(MCC)树。MCC树被注释为带有节点平均年龄和95%最高后验密度(HPD)间隔的计时图。2.6.祖先区域重建和多样化率推断在RASPv.4.2（Yu等人，2020）中实施的BioGeoBEARS方法用于估计杓兰亚科起源的祖先区域，其拓扑基于137个类群质体组和57个类群核数据集，去除外群后。BioGeoBEARS方法提供了六种基于可能性的模型：(i)扩散-灭绝-分支发生(DEC)，(ii)DEC j，(iii)扩散-替代的可能性版本(DIVALIKE)，(IV)DIVALIKE j，(v)BayArea模型的似然版本(BAYAREALIKE)，以及(vi)BAYAREALIKE j。进行模型检验，并使用AICc来比较模型与数据的拟合程度。由于最近有报道称该方法存在潜在问题，因此未对具有“ j参数”的模型进行测试（Gaynor等人，2020）。该亚科的分布数据主要来自中国虚拟植物标本馆（CVH；https://www./）和全球生物多样性信息设施（GBIF；https://www./）的标本）。根据更新的世界植物区系地图（Liu等人,2023），现存类群被编码为分布在八个地理区域，代表该亚科当前的分布如下：A，青藏高原（QTP）和HDM；B、欧亚大陆北温带；C、中国南方；D、东南亚大陆；E，马来群岛；F，北美；G，中美洲；H，南美洲。在分析中，每个节点的祖先区域的最大数量设置为两个。为了估计生物地理事件的数量和类型，按照Rv.4.3.2（R核心团队，2022）中BioGeoBEARS中的实施方式进行了生物地理随机制图(BSM)。如果事件从50个BSM中计数，则使用平均值和标准差(SD)来估计事件频率。2.7.多元化率分析我们的目的是考虑所有收集的数据，对杓兰亚科的多样化动态进行探索性分析。首先根据BEAST分析估计基于1,000棵随机选择的树（137个类群质体数据集和57个类群核数据集）的多样化率，并在R包APEv中计算半对数谱系随时间(LTT)图。.5.6（Paradis和Schliep，2019）。使用估计的BEAST时间树BAMMv.2.5(Rabosky,2014)来分析多样化率变化和宏观进化混合物（使用函数getCohortMatrix）。使用BAMMtoolsv.2.17（Rabosky等人，2014）获得先验参数、运行后分析和可视化。MCMC模拟使用四个链运行1000万代，每10,000代采样一次。为了评估MCMC链的收敛性，计算每次运行的ESS值，以确保所有ESS值都大于200。在丢弃MCMC运行的初始25%样本作为老化后，使用BAMMtools分析输出调查轮班时间多样化率。生成平均叶序图以显示沿系统发育的每个节点的物种形成率的平均边缘后密度。使用“credibleShiftSet”函数检查了95%可信的不同移位配置集，并显示了速率移位的数量和位置以及它们的后验概率。“plotRateThroughTime”函数用于绘制整个杓兰亚科随时间变化的物种形成、灭绝和净多样化率。另一种谱系特定的生死转变模型（LSBDS），它使用由Maddison等人开发的增量时间、状态相关的微分方程。(2015)，用于动态模拟多样化率的变化（Höhna等人，2019）并在贝叶斯软件revbayesv.1.2.1中实施。本教程(https://revbayes./tutorials/divrate/branch_specific.html)使用四个速率类别（即，允许物种形成速率中的三个速率变化）、ρ=1（全局采样分数）和链长为10×105代。树的每个分支的特定分支多样化率估计是通过无拒绝随机率映射算法获得的，并将系统发育分为200个时间片（Freyman和Höhna，2019）。进行了另外两项分析，以探讨假设系统发育中缺失物种的不同水平的影响：分别使用ρ=.685（质体）和ρ=.285（核）的全局采样分数。为了探索同时影响系统发育中所有谱系的速率变化的可能性（例如，大规模灭绝事件），我们运行了情景出生-死亡模型来估计多样化和相对灭绝率离散变化的时间和幅度。使用跨时间片的自相关布朗率在revbayes中实施情景出生死亡模型，并运行稀疏信号的马蹄估计器（Magee等人，2020）。我们遵循教程(https://revbayes./tutorials/divrate/ebd.html#Hoehna2015a)，其中ρ=1且链长为10×105代。我们使用R包revgadgetsv.1.0(https:///10.1101/2021.05.10.443470)来可视化比率。然后，我们进行了两项额外的分析，将全局采样比例更改为ρ=.685（质体）和ρ=.285（核），考虑到我们分别只采样了杓兰亚科总多样性的76%和29%。为了探讨bamm和lsbds（结果）检测到的分支之间的多样化率变化是否可以通过附生习性和陆生习性之间的转变来解释，进行了状态依赖性灭绝和物种形成多样化率分析。按照教程(https://revbayes./tutorials/morph/morph_more.html)进行的BiSSE分析是使用revbayes中实现的完全贝叶斯方法运行的（Höhna等人，2016）。该分析的对数标准差=0.587405，链长度为10,000代，我们使用200个时间片，使用随机字符映射来估计沿分支的状态变化的时间和数量。2.8.性状进化Mesquitev.3.70(Maddison和Maddison,2011)用于推断分别从文献和在线资源以及12个质体基因获得的形态特征的祖先状态。选择七个形态特征（表S4）来推断亚科内的性状进化。这包括习性（附生/陆生）、叶子寿命（常绿/季节性落叶）、叶序（两片平伏或远端叶子/大量附着在远端的叶子/大量基部叶子）、根茎形状（横贯根茎/缺乏根茎）、侧萼片融合（合生但顶端游离/联合，合生和顶端完整/游离和分离），花序苞片（鞘状/叶状）和唇瓣边缘（展开/边缘折叠）。运行Mesquite来优化从10,000,000代的BEAST分析中推断出的最可能的树（125个类群质体和60个类群核数据集）的形态状态。

3.结果

3.1.质体基因组的特征杓兰亚科内物种的质体基因组大小范围为镊萼兜兰属xerophyticum(Soto Arenas, Salazar & Hágsater)V.A.的144,335bp。Albert & M.W. Chase在玉龙杓兰中鉴定出246,177bp。这成为迄今为止兰科植物中最大的基因组和开花植物中的第二大基因组（NCBI数据库；8,557个陆地植物质体，2023年7月20日；表S6-S7）。这些区域的GC含量（总、LSC、SSC、IR、IGR和CGR）如图S1和表S6所示。所有质体中atp、clpP、paf、pbf1、psa、psb和rbcL的GC含量均高于40%（图S2；表S8）。3.2.基于质体组和核数据集的系统发育关系为了解决该亚科物种之间的系统发育关系，组装了25个杓兰属和兜兰的完整质体（表S1）。共享PCG的对齐147个分类单元质体数据集长度为59,530bp，41个共直系同源基因的60个分类单元核数据集长度为45,335bp，排除模糊对齐区域后分别有8,371和4,107个可变位点。基于不同方法（ML或BI）从质体和核数据集中恢复了杓兰亚科内五个得到充分支持的进化枝（所有PP=1，BS>91%；图2，S3-S6），尽管有一些杓兰属和兜兰属内的关系略有差异。我们的数据将杓兰属确定为其余杓兰亚科的姐妹，而新热带璧月兰属则为古热带兜兰和新热带镊萼兜兰属美洲兜兰属形成的分支的姐妹（图2）。在杓兰属属内，鉴定出11个得到充分支持的谱系，但在杓兰属内检测到得到充分支持的细胞核系统发育不一致。杓兰属Palangshanensia S.C. Chen & Z.J. Liu 和杓兰属Acaulia Hennessy ex P.J. Cribb（图2，S3-S6）。在兜兰中，我们的数据产生了相同的树拓扑，除了兜兰属的成员——陆地兜兰。兜兰，属于兜兰科Barbata (Kraenzl.) V.A. Albert & Börge Pett.（PP=0.91，BS>92%；图2，S3-S4）在支持值较弱的核基因树中。3.3.分歧时间基于对191个类群质体数据集的全面采样（图3A，S7），杓兰亚科、兰科亚科和树兰亚科的最近共同祖先（MRCA）基于质体组的分歧为64.6mya（而基于核的分歧为70.9mya）数据，图S8），其95％的最高后密度（HPD）为49.7-79.6mya，其起源于古新世早期。杓兰亚科中杓兰属和其余属之间的第一次分裂发生在始新世晚期约34.9mya（95%HPD：23.8–47.8mya）。在其余四个属中，基于质体数据（95%HPD：21.6-43.6mya；图S7），璧月兰属与其余属的差异约为31.8mya，而基于核数据（95%HPD：27.6-32.0mya）则为29.9mya图S9)。根据质体数据，兜兰属和其他两个属（镊萼兜兰属和美洲兜兰属）之间的分歧以及镊萼兜兰属和美洲兜兰属之间的分裂发生在大约25.4mya（95%HPD：16.9–33.8mya；图S7）与基于质体数据的26.3mya相比。核数据（95%HPD：23.029.5mya；图S9）和基于质体数据的20.7mya（95%HPD：13.4–28.7mya，图S7）与基于核数据的17.1mya（95%HPD：分别为11.5–22.6mya；图S9)。亚洲谱系中的现存物种杓兰属在始新世中期开始多样化，而兜兰直到上新世才多样化。3.4.祖先范围估计尽管数据最适合BAYAREALIKE模型（LnL=-373.32，AICc_wt=2e-10；表S9），但DEC和DIVALIKE模型产生了相似的结果（图3C、S10-S11）。然而，当最大定义的祖先区域大于10个区域时，BAYAREALIKE模型更合适（Landis等，2013），并且这里倾向于推断系统发育的某些节点中不太可能的祖先范围。因此，本研究在结果与讨论中重点关注DEC重建的结果。基于质体组和核数据集的DEC重建得出了类似的结果，并表明南美洲(H)和/或QTP和HDM(B)最有可能涵盖杓兰亚科的祖先范围（图3C，S10-S11）。该分析表明，QTP和HDM是杓兰属最有可能的祖先位点，但该属中的其余谱系要么是分布在欧亚大陆的植物，要么是仅限于该科的中美洲(G)特有植物IrapeanaP.J.Cribb（杓兰属molle Lindl.和鹈鹕杓兰）。璧月兰属、镊萼兜兰属和美洲兜兰属物种均来自现今的新热带地区。该分析表明，在随后殖民马来西亚群岛和澳大利亚之前，东南亚大陆（D）是兜兰属祖先最有可能的起源地，成为该属近期多样化的焦点。BSM认为大多数生物地理事件可以用扩散来解释（35.27%），只有少数事件涉及替代（7.28%；表S10-S11）。许多混生迁移事件发生在亚洲大陆相邻地区之间（表S10-S11）。3.5.多元化分析BAMM和Revbayes分支特异性多样化率分析得出了一致的结果，表明杓兰科的多样化率有所增加。杓兰属，兜兰属。半枝莲和兜兰（图4，S12S14）。当根据不同数据集（质体中ρ=.685，核中ρ=.285）实验性地减少采样分数时，总体多样化率有所增加，但分支多样化模式与两次分析中ρ=1时获得的结果相似（图4，S12-S14）。根据revbayes中实施的BiSSE模型的质体和核数据集，与陆生兰花(杓兰属)相比，附生兰花(兜兰)显着增加了物种形成和灭绝率（图4D，S12B-S14B）。然而，基于质体树和核基因树的情景出生死亡模型在Revbayes和BAMM分析之间表现出不同（图4，S12-S14）。Revbayes和BAMM在质体分析中恢复了净多样性和物种形成率的上升趋势（图4C，4E），而BAMM在核分析中恢复了净多样性和物种形成率的下降趋势（图S15C）。因此，这表明不同的数据集和方法可能会影响物种分化率。LTT图结果表明，杓兰亚科的谱系数量呈加速增加的趋势（图3B），这与BAMM和Revbayes分析结果一致，其中净多样性率从晚中新世到现在稳步加速增加（图4））。基于质体树的BAMM分析获得的门状图表明杓兰亚科内的多样化异质性，范围为0.14至0.56（sp/Myr），但在Revbayes分析中范围为0至0.8（sp/Myr）（图1）。4).然而，基于核基因树的BAMM分析获得的门状图表明，杓兰亚科内存在多样化异质性，但范围为0.14至0.21（sp/Myr），而Revbayes分析中的范围为0至0.4（sp/Myr）（图S13A、S15A）。杓兰亚科的宏观进化队列矩阵说明了在相同进化机制下进化的两个物种的累积后验概率（图S15B，S16）。在BAMM分析中，不同先验（expectedNumberOfShifts=1,2,6）下的结果之间的差异非常小（图S17-S20），该方法遵循之前用于处理竹亚科青篱竹族的方法（Guo等人，2021a）。）。3.6.性状进化七个形态性状的祖先状态重建分析结果如图2A和S21所示。结果表明，该亚科的MRCA是陆生的（字符A；图2A、S21A），其附生习性分别在兜兰属中独立衍生出六次、在美洲兜兰属中出现一次、在镊萼兜兰属中出现一次。具有叶状花苞片（字符F；图2A、S21F）的落叶草本植物（字符B；图2A、S21B）的祖先状态被重建为杓兰属和璧月兰属的祖先。远端和众多的叶子（字符C；图2A，S21C）在重建后被重建为该亚科的祖先状态。杓兰属的两片平伏叶或远端叶出现过两次，而基生叶在具有双叶的三个属（兜兰属、美洲兜兰属和镊萼兜兰属）中出现过一次。具有横贯根茎的成熟植物的状态（字符D；图2A，S21D）被重建为该亚科的祖先条件。没有根茎的成熟植物的状态代表了美洲兜兰属、镊萼兜兰属和兜兰中衍生的和独立进化的性状。具有离心尖的基部合生萼片（特征E；图2A，S21E）被明确地重建为杓兰的祖先。合生和完整萼片的特征在无茎杓兰中仅衍生一次，而游离萼片在杓兰属plectrochilum中代表了相反的独立状态。关于唇缘边缘的祖先状态（字符G；图2A，S21G），祖先状态是折叠的，在该亚科中衍生出三次展开的边缘。这些模型分析表明，拟兰亚科、香荚兰亚科和杓兰亚科的共同祖先基因的祖先状态具有cemA和11个NDH基因，随后出现假生成、片段化或丢失（图S22-S26）。在香草亚科中，多年生攀缘香草属丢失了10个NDH基因（除了截短的基因ndhB），而陆生香草属的朱兰属则丢失了3个NDH基因（ndhE、ndhG和ndhI）。在杓兰中，cemA基因在杓兰科的祖先中失去了功能。杓兰和11个NDH基因也丧失了功能（基因截短和完全丧失）。雅致杓兰、对叶杓兰和黄花杓兰。此外，五个基因（cemA、ndhB、ndhD、ndhJ和ndhK）经历了功能丧失，但继续存在于截短的基因中或作为带有提前终止密码子的完整序列。其余7个NDH基因在双叶属（美洲兜兰属、镊萼兜兰属和兜兰）中完全丢失。

4.讨论

4.1.杓兰亚科的系统发育框架4.1.1.杓兰亚科的单系和属间关系基于147个类群质体和60个类群核数据集的最大类群采样（约占所有物种的75.7%）生成的总体结果彼此一致，并强烈支持杓兰亚科中每个属的五个属的单系性。我们的数据证实，杓兰属是由璧月兰属和其余三个具有双叶属（兜兰、镊萼兜兰属和美洲兜兰属）组成的较大分支的姐妹。这些结果与其他研究的结果一致（Guo等人,2012,2021b；Unruh等人,2018；Hu等人,2022；Zhang等人,2023），但与其他基于基于不完整的属采样或具有低多态性的分子标记，将璧月兰属解析为其他四个属的姐妹（Atwood，1984；Albert，1994；Cox等，1997；Freudenstein等，2004；Górniak等，2010；Li等人，2011；Hu等人，2022）。4.1.2.杓兰的系统发育在杓兰属中，Li等人认识到11个部分的单系。（2011）基于Sanger数据的最大采样得到了我们的60个类群核和147个类群质体数据集的良好支持，但展示了部分之间不同的关系（图2）。杓兰科之间的姐妹关系。中文全书和三角全书意义Li等人。（2011）得到了我们的质体树和核基因树的支持。杓兰科的三个物种。亚热带亚热带（宽口杓兰、暖地杓兰和心启杓兰）以其退化雄蕊减少为特征，在本研究中形成了一个强有力的支系（暖地杓兰没有在我们的核基因树中采样），与Li等人的结果一致。（2011）。然而，桑格测序和系统发育树之间的部分（例如杓兰科Acaulia、鹰嘴杓兰、细距舌唇兰、Flabellinervia、黄花杓兰和Palangshanensia）之间的分辨率不一致。其中，我们的系统发育重建表明了杓兰各科之间的关系。鹰嘴杓兰和Acaulia与Li等人的发现不一致。(2011)谁发现这两个部分与杓兰属sect聚集成一个分支。杓兰但支撑较弱。我们的系统发育数据解析了杓兰科。细距舌唇兰为杓兰科的姐妹。亚热带支持度较高，但与杓兰属同组。基于先前研究中Sanger数据的弱支撑杓兰属Flabellinervia(Li等人,2011)。从形态上看，属杓兰科。黄花杓兰实际上与杓兰属更相似。杓兰（花序有两朵或三朵花）比为杓兰科。植物区系形态中的亚热带（相对于具有五朵或更多花的总状花序）（Chen和Xi，1987），这也得到了分子证据的支持（图2）。我们的分析还揭示了杓兰各属之间的姐妹关系。细距舌唇兰和Subtropica，以及杓兰科之间的。扇脉组和杓兰属杓兰，再次与Li等人发现的分辨率不同。（2011）。此外，首次生成了分布于喜马拉雅山的巴朗山杓兰的分子数据，我们的系统发育分析为巴朗山杓兰与分布于中国和日本的形态相似的对叶杓兰之间的姐妹关系提供了有力的支持。Li等人(2011)首次证明巴朗山杓兰不属于传统的杓兰科。网脉组杓兰基于其组合的五个质体标记和一个核标记。我们的系统发育分析支持杓兰属的建立。巴朗山杓兰Chen等人。（2013）被确定为杓兰属的姐妹。核基因树中的网脉组杓兰（图2A），但与杓兰属是姐妹。质体树中的对叶杓兰（图2B）。4.1.3.兜兰的系统发育分析揭示的兜兰9个切片之间的关系与以往的研究结果一致(Guo等人,2015,2021b;Hu等人,2022)，但与基于核和质体Sanger数据的结果不同(Chochai)等人，2012）。我们的系统发育分析解决了兜兰科的单系问题。续花型亚属是兜兰属的一个分支的姐妹群。兜兰亚属和多花型亚属具有较高的支持度，而该分支作为兜兰属的姐妹群却很难解析。Barbata在之前的研究中基于LFY树（Guo等人,2015）。关于这四个神秘物种的关系，兜兰亚属rungsuriyanum(P.sect.Laosianum)被确定为兜兰属Paphiopedilum的姐妹。兜兰在我们的质体树中具有较强的支持（图2B），但在我们的核基因树中具有较弱的支持（图2A）。我们的分析还表明，兜兰属fairrieanum和兜兰属hirsutissimum应该是兜兰科内最早的分歧谱系。兜兰属Paphiopedilum，而不是把它们放在兜兰属Barbata下（Guo等人，2021b）。此外，兜兰科的分枝长度较短。兜兰属Paphiopedilum和Barbata（参见图3A中的BEAST树）和较高的多样化率表明它们最近的辐射，并且许多种间边界仍未解决，这意味着组成这些部分的物种仅处于物种形成过程的早期阶段。4.1.4.质体树和核基因树之间的拓扑不一致基于八个cpDNA区域和四个低拷贝核基因的系统发育分析显示了东南亚兜兰物种的网状进化历史和近期辐射（Guo等人,2015）。这是由于历史上海平面波动破坏了物种边界，导致物种渗入。在这项研究中，兜兰和杓兰的质体和核拓扑结构（参见上面的讨论）不一致。当然，之前的研究提出了各种机制来解释质体和核基因树之间的细胞核不一致，例如欠采样、异源多倍体、ILS和杂交（Duan等人,2021；Liao等人,2023）。ILS和杂交可能影响了杓兰内部的关系，例如亚洲杓兰和北美杓兰的关系。帕朗山杓兰与杓兰科的解析。基于核数据的Retinervia（巴朗山杓兰和对叶杓兰）得到以下形态特征的支持。这些物种的每株植物都有两片对生的叶子，位于茎的中部附近，它们产生单花花序，具有该属中最小的花朵，其花被片明显长于其唇瓣。质体数据集将巴朗山杓兰解析为簇生杓兰的姐妹。值得注意的是，这两个物种的刮痕的特征是存在多达四朵绿色到紫棕色的花朵，悬挂在下垂的花茎上。核数据集中未采样的关键谱系的缺失数据可能会严重影响某些物种的关系，例如簇生杓兰。因此，我们建议需要更多来自转录组数据的核证据来彻底揭示杓兰亚属的关系和进化历史。4.2.杓兰亚科的历史生物地理学先前的研究表明，兰花最近的共同祖先被推断生活在白垩纪晚期的劳亚大陆（Pérez-Escobar等人,2024）。杓兰亚科的现代分布横跨新旧世界大陆以及两个半球的群岛（Pridgeon等，2000）。这种分布表明了不同栖息地的殖民历史，随着时间的推移，温带和热带地区之间发生了转变。先前的研究表明，始新世/渐新世以来的气候变冷或振荡导致了植物分布模式的巨大变化（Zachos等，2001）。Guo等人。(2012)认为杓兰亚科目前的分布模式可能归因于热带植物区系的破碎化，正如生物地理学研究中其他不相关的被子植物谱系（例如番荔枝科和茜草科）和蕨类植物（例如TectariaCav.；Wan等人所假设的那样）等，2023）。新生代早期，北半球大部分地区都有热带植物区系。尽管它产生了许多植物谱系的祖先，但正如古气候学和古植被证据所表明的那样，它最初似乎是在较温暖的温度下繁衍生息的，中纬度地区比现代要温暖得多（Tiffney，1985；Hansen等人，2013）。在这项研究中，我们基于可靠的系统发育框架对生物地理学历史的祖先重建表明，兜兰的祖先地区是始新世晚期的南美洲和/或QTP和HDM（34.9mya，95％HPD：23.8–47.8mya）。4.2.1.杓兰起源于南美或东亚在杓兰属中，大多数物种出现在亚洲大陆，形成了自己的分支，而其姊妹分支仅由杓兰属molle和杓兰属irapeanum组成，仍然局限于中美洲（图3）。这两个分支的估计分歧时间的95%置信区间包括始新世气候最大值，并且在时间上与曾经横跨现在的北美温带和欧亚大陆的热带植被带保持一致（Torke等人，2021）。直到始新世末期，北向热带植被带分裂之后，该属才通过向南迁移到热带地区，实现了目前更加分散的分布，并在更北纬地区出现了轻微的持续灭绝（Torke等人,2021）。白令陆桥可能是更新世期间东亚和北美之间温带植物交流的走廊，其中包括现代杓兰物种的祖先。此外，香兰属兰花（杓兰亚科的早期分化姐妹）在南美洲圭亚那地盾中作为孑遗物种生存（Cameron等，2018）。因此，本研究中很难通过系统发育内群类群的分布来确定杓兰亚属的起源。4.2.2.东亚杓兰的多元化分歧时间和祖先重建恢复了东亚和北美温带之间的多次变异和扩散事件（至少13次），这些事件可能发生在晚渐新世到更新世的属中。其中包括东亚和北美之间的5次事件，以及从QTP/HDM到邻近地区（欧亚北部温带和中国南部）的8次事件。在此期间，青藏高原的第三次（8-7mya）和第四次（3.6-2.5mya）隆起导致了这些地区的山脉影响了水分模式（Liu＆Dong，2013），最终产生了大部分类群（海拔>2000m，表S12)在6和2mya的相对较短的时间尺度内。因此，早期的陆桥和最近的隆起相结合可能是造成相反大陆上姐妹物种现象（鹰嘴杓兰和杓兰属plectrochilum）的原因，以及杓兰属guttatum令人惊讶的跨太平洋分布，从北美亚北极的低海拔针叶苔原到亚洲山区。4.2.3.旧世界和新世界之间的长距离跨洋传播相比之下，我们的分歧时间估计和祖先重建表明，璧月兰属的MRCA（~31.8mya）和双叶属的其余分支起源于南美洲。这意味着我们的系统发育分析表明亚洲/澳大利亚兜兰是新世界美洲兜兰属和镊萼兜兰属的姐妹。当然，这种解释与之前的研究不一致（Cox等，1997；Guo等，2012，2015）。这些早期的治疗方法倾向于使三个双生属和璧月兰属中的每一个都有较早的起源，而这些属中的古代物种的多样化和/或灭绝则要晚得多（Guo等人,2015）。然而，由于连接北美和南美的陆桥直到大约3mya才建立（O'Dea等人,2016），这些先前的处理与美洲兜兰属和镊萼兜兰属之间20.7mya的分歧日期的估计相冲突。学习。当然，之前的研究表明在中始新世和中新世期间南北美洲之间存在陆桥和植物迁移（Iturralde-Vinent和MacPhee,1999;Pennington和Dick,2004;Cuenca等人,2008）。这可以解释目前南美洲的璧月兰属和美洲兜兰属的分布。璧月兰属、镊萼兜兰属和美洲兜兰属始终向南和新热带分布的唯一其他选择是渐新世期间中美洲和南美洲之间微小兰花种子通常的长距离传播理论，这种理论通常适用于不相关的种子植物，例如麻黄（Ickert-Bond等人，2009）。4.2.4.东南亚岛屿兜兰的多样化向南气候假说所预测的向南迁徙在旧大陆通过兜兰从亚洲大陆到巽他兰、萨胡尔和澳大利亚北部的推断扩散模式得到了反映。迁徙到亚洲大陆（即兜兰属，Pavisepalum和Brachypetalum的分歧），然后向南进入马来群岛的时间可以追溯到中新世晚期（本研究中为11.8mya，Guo等人，2015年为7.6mya）。祖先区域的估计记录了至少两次从中国/东南亚到马来群岛的传播事件，其中第一个产生了兜兰属。中新世晚期的兜兰属Megastaminodium、续花型亚属、兜兰属和兜兰亚属中多花组。第二次发生在第四纪盛冰期，可能是由于海平面波动在相对狭窄的时间尺度内通过基因渗入引发了该属的扩散和快速多样化而形成了陆桥（Hantoro，2018）。4.3.形态特征和质体结构的进化趋势解剖和/或质体特征的变化对于有关植物谱系的早期进化和随后的多样化的理论至关重要（Kim和Choi，2011；Guo等人，2021b）。为了了解其他选择压力在杓兰亚科生长习性和质体性状进化史中的作用，采用了7个形态性状和质体基因（cemA和11个NDH基因）。本研究从分子系统发育关系推断了生长习性、叶片寿命、叶序、根茎形状、侧萼片形状、苞片形状、唇瓣形状和质体基因的融合等进化趋势。4.3.1.性状A和B——习性和叶子寿命杓兰亚科内的习性（特征A）以土生（陆生）和附生形式为代表（图2A，S21A）。在该亚科内，该亚科至少发生了六次从陆生习性到附生习性的转变事件，其中在兜兰属（兜兰属兜兰科 Barbata 白旗兜兰）中发生了五次，在镊萼兜兰属和美洲兜兰属中分别发生了一次。雨林生态系统和种子特征可能有助于附生兜兰属植物向附生植物生长的过渡和进一步的适应，而物种产生数千个微小种子（通常为0.1-1毫米），很容易被风吹散，种子重量轻可能会有所帮助种子很容易到达合适的附生生态位，这与之前研究中的其他兰花一致（Barthlott等人,2014）。因此，对附生习性的适应可能使兜兰属属物种能够利用雨林中的这些新生态位并随后实现多样化。系统发育结果表明，落叶型是祖先的（字符B；图2A，S21B），而常绿型在三个双叶属中独立进化。4.3.2.性状C—叶序三个双叶属的长寿常绿叶子是独立进化的。杓兰亚科内存在三种叶序模式（特征C；图2A、S21C）。植物可以产生大量的基生叶，或者每株植物产生两个平伏或远端的叶子，或者远端具有大量的叶子。这些性状状态成为先前研究提出的杓兰属下详细分类的基础（Chen和Lang，1986；Cribb，1997）。然而，这些权威机构还认为，具有大量叶子的远端是该属的祖先状态（例如，杓兰属molle、暖地杓兰和杓兰属irapeanum）。两个平伏或远端叶子的状态在杓兰属的三个部分（杓兰科、Acaulia、Sinopedilum和Trigonopedia）中独立进化了两次。复叶的三个属中，大量基生叶的状况曾经独立进化过。4.3.3.性状D和E——根茎和侧萼片形状的融合横根茎的形状（字符D；图2A，S21D）被明确地重建为该亚科的祖先状态，而它们在附生植物中丢失了。该亚科中存在三种类型的侧萼片融合（特征E；图2A、S21E）。它们要么是合生的，但顶端游离/联合，要么是合生的，要么顶端完整/游离或分离。分离的侧萼片反映了该亚科内的祖先状况，这种情况也出现在早期分化的亚科拟兰亚科和香荚兰亚科的物种中。有趣的是，杓兰属plectrochilum和姊妹种鹰嘴杓兰（该物种的核数据无法获得）的侧萼片被拉长、分离和扭曲，赋予花朵独特且独特的外观。4.3.4.性状F和G——花苞片和唇瓣边缘系统发育强烈支持该亚科的花苞片（特征F；图2A、S21F）的祖先状态为叶状或叶状。鞘状型在三个属中独立进化，具有复叶。杓兰亚科中的唇瓣（字符G；图2A、S21G）通常被解释为陷阱机制中主要组件的陷阱。它吸引并保留昆虫传粉者，迫使它们在接受柱头下退出，然后向上并通过由唇瓣基部、两个开裂花药之一和退化雄蕊边缘组成的两个基部出口之一（Edens-Meier等，2017，2014）。Stoutamire(1967)提出，唇瓣口和基孔的大小以及柱头和花药下的逃逸路线的大小决定了可能的传粉者。这里用折叠的边缘表示祖先的唇瓣。从折叠边缘到展开边缘的转变至少进化了三次，其中在兜兰属、美洲兜兰属和杓兰属中分别进化了一次。杓兰亚科的植物区系形态高度适应授粉，该亚科的多样性可能是适应各种专门传粉媒介的结果。4.3.5.富含AT的重复序列在高山植物群中增殖为了研究质体特征如何响应附生和山地/高山条件而进化，将大规模质体特征与其亲属进行了比较。确定了附生和山地/高山类群特有的几种质体特征。首先，山地/高山杓兰物种的质体（例如表S6）的特征首先是基因组大小的扩大、基因间区域中富含AT的重复序列的增殖和低GC含量。相比之下，附生/石生兜兰物种的质体（例如表S6）经历了IR扩张和SSC收缩，显示出其SSC区域的大小和基因含量的巨大变化。富含AT在开花植物中并不常见，仅出现在木兰科分支中早期分化的细辛属中(Sinn等人,2018)。据推测，质体特征的变化具有适应性后果，并且温度和水因素是影响Cypripedioids质体进化的重要气候因素（Hu等人,2022）。因此，增殖的富含AT的重复序列、基因内容的收缩或扩展是杓兰亚科中质体大小的原因。4.3.6.杓兰亚科NDH和cemA基因的降解本研究的进化模式表明，该亚科，特别是复叶属的三个属中，NDH和CEmA基因的降解是一个从功能性到非功能性的逐渐过程。在光系统II中，NDH蛋白调节循环电子传输机制的氧化还原水平，从而实现光合作用的微调（Laughlin等人，2019）。先前的研究表明，一些NDH基因在寄生和半寄生类群中可能是可有可无的或丢失的，例如马先蒿(PedillaryisL.)、独脚金(StrigaL.)、DendrophthoeMart.和桑寄生(LoranthusJacq)。（Li等人，2021）。它们的功能损失可能已被其他因素补偿，但基因损失的机制仍不清楚（Strand等人,2019）。例如，裸子植物(Braukmann等人,2009)和其他真菌异养兰花谱系（包括具有叶类和光合类群的兰花谱系）丢失了一些NDH基因(Barrett等人,2014)。此外，常绿单轴攀援香草属香草属，表现出从功能性NDH基因到非功能性渐进的习性过程。因此，NDH基因丢失可能与低光树冠栖息地（如阴凉树枝上的附生植物）或黑暗林下栖息地中同样阴凉的森林地面有关。在这项研究中，它们通过宽松的选择经历了损失/假发生，这可能通过低成本但长期的策略对表型和生理进化施加限制。4.4.与习惯相关的多样化率许多兰花作为附生植物生长在岩石或树木上，先前的研究表明兰科植物发生了多次从陆生祖先到附生植物的平行转变，其中兰花科发生了两次（Givnish等，2015；Zhang等，2023）。同时，在获得附生性后，在Epidendroideae的MCVECP分支中检测到36次恢复陆地生长习性的附生植物，显示兰科附生性的平行丧失（Zhang等人,2023）。有趣的是，一些兜兰品种生长在岩石和树木上，例如兜兰dianthumTang和F.T.Wang和兜兰parishii(Rchb.f.)Stein。生长在岩石环境中的兰花似乎是陆地生物预适应杓兰亚属附生生态系统的过渡环境。当冰期间冰期周期到来时，更有可能发生生态转变。海平面的波动可能会驱动和构建物种分布和种群之间的连通性，也可能驱动物种形成灭绝模式（González-Miguéns等，2022）。然而，这些水的入侵也可能引发其他已经适应的陆地谱系的灭绝事件，为来自陆地环境的新殖民者通过竞争释放实现多样化提供生态机会。在本研究中，祖先状态重建分析推断陆地习性是杓兰亚科最有可能的祖先状态，并得到核（图S20）和质体数据集状态依赖模型（图4和S14）的特征进化分析的支持。属内，兜兰各科的多样化率存在异质性。兜兰和半枝莲（~60%种）比同属的其他科要高得多。此外，与在revbayes实施的BiSSE模型中的陆生习性相比，附生兰花显着增加了物种形成和灭绝率。更新世的冰期-间冰期循环被认为是大陆生物多样化的关键时期，其中杓兰亚属生物似乎经历了净物种多样化的显着加速，并诞生了许多物种。随后附生兰花多样化率的多次增加表明，现代雨林可能促进了附生兰花的多样化。同样，其他类群也报告了物种多样化速度的加快及其与附生现象的关联，包括其他兰花（Givnish等人2015）、凤梨科植物（Givnish等人2011）、天南星科（Canal等人2018）和地衣（黄等人，2019）。因此，据推测，更新世期间海平面的周期性波动为兜兰的陆地谱系（热带分布）产生了新的生态位，使它们能够在附生生态系统中殖民，并受到陆地竞争对手灭绝的青睐。此外，我们观察到杓兰科的物种形成率下降。杓兰属，兜兰属。半枝莲属和兜兰属起源于上新世。山地/高山杓兰的质体和物种形成与兜兰的群岛物种形成之间的差异很有趣，而且可能非常重要。在可预见的将来，将其与具有热带岛屿分布和山地/高山分布的其他被子植物亚科进行比较是个好主意。此外，我们的分析表明，与杓兰属的山地-高山（高山地区作为岛屿）类群相比，兜兰（热带岛屿的附生草本）多样化率的异质性要高得多。因此，与季节性寒冷和冰冻的高山地区相比，热带岛屿上的物种形成更快，因为温暖潮湿的热带习惯上的生长和繁殖是连续的，而在山顶上则是季节性的。进一步的研究将有助于确定这些模式背后的驱动因素。

5.结论

了解物种多样化和适应是解决兰科进化和分布问题的基础。在此，基于大幅增加的分类单元采样以及全基因组和转录组测序数据，更新了其系统发育学并研究了杓兰亚科的生物地理学。我们推断北半球东亚和北美之间以及东南亚古热带大陆和马来群岛（兜兰）之间的杓兰属发生了多次扩散事件（例如长距离扩散）。我们的分析表明，兜兰（附生）多样化率的异质性远高于杓兰中的山地高山类群，这意味着兜兰物种可能处于物种形成的初级阶段，并进一步表明附生物种形成与适应较高海拔和纬度的杓兰属物种相比，兜兰属较高。兜兰附生分支的物种多样化率明显高于其他陆生杓兰亚属植物，与其他类群中与附生相关的类似加速相似。这项研究强调了这样的期望：种子植物的谱系在其质体变化的促进下可以表现出对广泛环境挑战的反复适应。然而，杓兰亚科中的习性（附生和陆生）与质体基因的多样化率或假生化和丢失以及质体基因组大小的扩展和山地形成运动之间的关联仍不清楚，并且需要更多的相关工作。

图1.A.使用ArcGIS(https://www./)生成的杓兰亚科的大致地理分布。发生数据来自GBIF(https://www./)和中国虚拟植物标本馆(https://www./)，并从作者检查的原始文献和标本中选择记录。B-F。五个属的精选物种表现出典型的形态特征。B.杓兰属calceolus（摄影：СергейГлотов；https://www./）、C.兜兰insigne（摄影：JorgePérez；https://www./）、D.镊萼兜兰属xerophyticum（http://www./）://www.orchid.url.tw/)、E.美洲兜兰属caudatum(https://www./)和F.璧月兰属aequinoctiale(http://www./)。

图2.分别基于60个类群核和147个类群质体数据集的杓兰亚科ae贝叶斯推理（BI树，A）和最大似然（ML树，B）。每个内部分支都指示后验概率(PP)值和引导(BS)值。杓兰亚科中的性状状态模式呈现在系统发育树中。

图3.A.使用四个校准点根据191个类群质体数据集的BEAST分析推断出兜兰和相关类群的系统发育时序图。蓝色条表示节点年龄的95%HPD可信区间。B.随时间变化的谱系(LTT)图，红线表示MCC树，而其余线代表从BEAST分析中随机选择的1000棵树。C.基于137个类群质体数据集和使用RASP中的DEC模型的现存分布对兜兰的祖先区域进行重建。地图以不同颜色显示编码区域。饼图用概率值表示祖先区域。

图4.多样化分析：A.在revbayes中实施的质体树中估计的分支特异性物种形成率。节点处的圆圈是BiSSE祖先特征状态的边际概率（橙色：附生；蓝色：陆地；分支颜色表示边际随机特征映射）；净多样化图显示了revbayes中实施的情景出生-死亡模型的结果。B.BAMM中实施的质体树中估计的分支特异性物种形成率和净多样化。C.根据revbayes中实施的情景出生-死亡模型对物种形成和灭绝率的估计。D.根据Revbayes中实施的BiSSE模型对陆生和附生草本植物的物种形成、灭绝和净多样化率进行的估计。E.BAMM对物种形成和灭绝率的估计。

期刊：Molecular Phylogenetics and Evolution

文章标题：Phylogenomic insights into the historical biogeography, character-state evolution, and species diversification rates of Cypripedioideae (Orchidaceae)

作者信息：Min Liao, Jun-Yi Zhang, Yu Feng, Zong-Xin Ren, Heng-Ning Deng, Bo Xu

原文链接：https:///10.1016/j.ympev.2024.108138

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