生态位演化与预适应的整合塑造了中新世中期以来亚热带和温带地区杓兰属（兰科）的多样性

《Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology》：Integration of niche evolution and pre-adaptation shaped the diversity of Cypripedium (Orchidaceae) in subtropical and temperate regions since mid-Miocene times

　　

摘要
植物类群在古气候变化过程中的分布模式是生态学和进化生物学中的一个重要课题。预适应和生态位进化是解释植物全球分布模式的关键假说。在此，我们研究了陆生草本属杓兰属（Cypripedium L., 兰科）的时空动态，其多样性中心位于亚洲和北美的亚热带和温带地区。我们探讨了核质冲突和分布模式的原因，重建了生态位和形态性状祖先状态，并预测了杓兰属的潜在分布。我们的结果表明，不完全谱系分选（ILS）显著促成了观察到的核质不一致性。杓兰属起源于渐新世早期。亚洲亚热带地区是该属的进化摇篮，自中新世中期以来，至少有七次扩散事件到达北美温带地区、欧亚温带地区和北方针叶地区。生态位保守性促成了杓兰属在亚热带地区的多样性，而季节性落叶物候和根茎作为预适应性状，促进了从亚热带向温带地区的过渡。重要的是，从中新世以来，杓兰属的高适宜生境始终保留在亚热带和温带地区，我们推断未来也将继续保持如此。我们的发现强调了生态位保守性和预适应在杓兰属进化动态中的关键作用，并突出了未来气候变化下的潜在保护区域。

引言
解释物种丰富度模式及其潜在机制是生态学和进化生物学最基本的目标之一。显著的是，不同气候区之间的物种丰富度异质性有助于评估形态创新和生态位转移在塑造多样性中的作用。已提出两个主要假说直接解释区域丰富度异质性：预适应假说，该假说认为具有预存性状的类群在新环境中会获得生态优势（Ackerly, 2004; Donoghue, 2008），从而在物种多样性中发挥重要的 overarching 作用；以及生态机遇假说，该假说认为多样化的类群快速迁移至未开发的生态资源。至于预适应假说，已知古气候变化可能会扩大预适应类群的栖息地。多项研究已表明，预适应性状会促进类群的分布转移和生态位过渡。例如，落叶性已多次作为预适应性状，使类群从热带向温带环境过渡（例如，大麻科；Li 等，2025a，Li 等，2025b），或扩散至隔离的季节性生物群落（例如，刺桐族；Gagnon 等，2019）。同样，小叶曾作为预适应性状，帮助南美洲豆科植物适应干旱和寒冷条件（Velásquez-Puentes 等，2023）。至于生态机遇假说，环境变化是进化成功的外部驱动力。为应对环境变化，生物可能表现出高物种多样性，并以进化创新作为有效响应（Benton, 2010; Drummond 等，2012）。例如，Brownstein 等（2025）发现，正是解剖、生理和生命周期性状的二次爆发，以及极端生态系统中的少数奠基者事件，驱动了栖息地殖民脉冲期间的鳕鱼超科多样化。这两个假说并非互斥，而是相互关联。最近，生态位保守性假说被提出在某种程度上解释物种多样性（Wiens and Donoghue, 2004; Wiens 等，2010）。在环境条件与该类群祖先生态位相似的地区，该类群的物种多样性往往较高（Wiens 等，2010）。例如，Wang 等（2018）发现，蒺藜科（Zygophyllaceae）的物种多样性随着水分可利用性的降低而显著增加，这可能归因于其水分相关生态位的系统发育保守性。目前尚不清楚预适应和生态位进化在多大程度上塑造了谱系的宏观进化过程中的物种多样性。

此后，我们评估是预适应还是生态位进化塑造了中高纬度地区陆生兰科植物杓兰属（Cypripedium L.）的现代分布和多样性。迄今为止，杓兰属已确认有 51–54 个物种（Chen 等，2013; https://powo.science.kew.org/），该属是北半球最受著名的保护旗舰物种之一。所有杓兰属物种均被列入《濒危野生动植物种国际贸易公约》（CITES; https://cites.org/eng）附录 II。其中，六个物种被记录为“极危”，22 个物种为“濒危”，13 个物种为“易危”（国际自然保护联盟（IUCN）红色名录，https://www.iucnredlist.org/）。该属分布在欧亚大陆和北美的亚热带到温带地区，部分物种延伸至中美洲，多样性中心位于东亚（38 种）和北美（16 种）（Pridgeon 等，1999; Li 等，2011）。该属出现在多种多样的生境中（包括森林、湿地和草地），从海平面到喜马拉雅山脉 4900 米（Frosch and Cribb, 2012）。传统上，该属物种以其皱叶和具有侧膜胎座的单心皮子房而被识别（Cox 等，1997; Cribb, 1997）。具有特征性袋状唇瓣的艳丽花朵使其成为园艺师渴望的对象（Szlachetko 等，2021）。特别的是，杓兰属物种的特征是具有地下根茎，这被认为是适应季节性气候波动的进化适应（Pridgeon 等，1999）。Guan 等（2011）揭示，杓兰属的叶片结构和生理功能反映了在有限生长季中对丰富土壤养分和水分可利用性的适应。由于它们在不同气候区的广泛分布和多样的形态变异，了解物种如何在气候波动关联的进化历史中适应多变环境至关重要。

迄今为止，杓兰属的生物地理学已取得相当进展。例如，Guo 等（2012）建议杓兰属起源于古新世，并且白令陆桥（BLB）被认为是该属从中生代到新生代的交流通道。Liu 等（2021）发现杓兰属起源于渐新世早期的中美洲，其当前分布归因于通过 BLB 的长距离扩散事件。此外，杓兰属对季节性温度变化经历了大量的生态位进化（Liu 等，2021）。最近，Lagou 等（2024）发现该属的系统发育不一致性归因于杂交和不完全谱系分选（ILS），并建议该属起源于渐新世的新热带界地区。Liao 等（2024）推断杓兰属与其姐妹属的分化发生在晚古新世，并且从晚渐新世到更新世期间的多次扩散事件导致了温带东亚和北美之间的间断分布。这些关于杓兰属的显著进展为调查亚洲和北美亚热带及温带地区高物种多样性的原因提供了重要基础。

在本研究中，我们首先量化了从核基因座重建的系统发育树与质体基因组系统发育树之间拓扑结构不一致性的来源。其次，我们利用核基因座估算了分歧时间并重建了分布区域的祖先状态。第三，我们推断了解剖形态特征和生态位进化在杓兰属北半球亚热带和温带地区高多样性中的作用。最后，我们预测了从中生代中新世到未来（SSP 2-4.5 情景下 2090 年代）的潜在适宜分布区域。

章节片段
序列数据
包含代表杓兰属所有 13 个亚属的 44 个物种和 9 个变种，所有序列数据均从 GenBank 检索（https://www.ncbi.nlm.nih.gov/; 表 S1）。选择九个物种作为外群，包括三个兜兰属（Paphiopedilum Pfitz.）物种、一个墨西哥杓兰属（Mexipedium V.A. Albert & M.W. Chase）物种、一个美洲兜兰属（Phragmipedium Rolfe）物种、一个月兜兰属（Selenipedium Rchb. f.）物种、两个香荚兰属（Vanilla Mill.）物种和一个无冠兰属（Apostasia Blume）物种。两个数据集是

杓兰属内的核质冲突和系统发育关系
我们的系统发育分析在核树和质体基因组树之间至少九个节点检测到了显著的核质不一致（图 2）。例如，在核基因 ASTRAL 物种树中，加州杓兰（C. californicum A. Gray）是簇花杓兰（C. fasciculatum Kellogg）的姐妹群，但在质体基因组最大似然树中未得到支持。Phytop 分析检测到这些九个冲突节点中的八个主要由 ILS 主导，其指数范围从 33.4% 到 97.7%，而这些冲突节点的 IH 指数为零（图 2B）。只有

杓兰属的系统发育和核质冲突
基于核基因座和质体基因组 CDS 数据集的拓扑结构基本一致，特别是两者都以最高的支持值支持杓兰属的单系性（ML-BS: 100%, LPP: 1.00），并且所有亚属都得到了很好的识别（图 2）。结果与之前关于杓兰属系统发育的研究一致（例如，Lagou 等，2024; Liao 等，2024）。此外，在杓兰属内的九个节点检测到核质不一致，其中八个

结论
在本研究中，我们发现 ILS 显著促成了杓兰属内观察到的核质冲突。自中新世中期以来，已观察到七次从亚洲亚热带地区到北美温带地区、亚洲温带地区和北方针叶地区的扩散事件，这些事件与全球变冷相吻合。杓兰属的祖先可能居住在类似于亚热带的环境中，条件为温和温暖且湿润。气候

CRediT 作者贡献声明
魏刘琼（Liu-Qiong Wei）：写作 - 初稿，形式分析，数据管理。周鹏（Peng Zhou）：写作 - 审阅与编辑，写作 - 初稿，可视化。张培阳（Pei-Yang Zhang）：方法论，形式分析。李思贤（Si-Xian Li）：形式分析，数据管理。赖博尼（Bo-Ni Lai）：形式分析，数据管理。叶汝阳（Ru-Yang Ye）：形式分析，数据管理。李计红（Ji-Hong Li）：写作 - 审阅与编辑，资源。罗雁（Yan Luo）：写作 - 审阅与编辑，资源。曾晓红（Xiao-Hong Zeng）：写作 - 审阅与编辑，资源。刘宜真（Yi-Zhen Liu）：

未引用参考文献
Bellard 等，2012
Carter 等，2022
Chandra 等，2023
Crisp and Cook, 2012
Crisp 等，2009
Donoghue and Edwards, 2014
Edwards and Donoghue, 2013
Escudero 等，2012
Evans 等，2023
Hewitt, 2000
Hewitt, 2004
Kerkhoff 等，2014
Lavin 等，2004
Lin 等，2026
Liu 等，2024
Smallwood and Trapnell, 2022
Smith and Donoghue, 2010
Spalink 等，2016
Tang 等，2014
Tkach 等，2014
Wen 等，2016
Wiens and Donoghue, 2025

利益冲突声明
作者声明不存在利益冲突。

致谢
本研究由国家自然科学基金（32060056, 32360063 和 31670212）以及江西省自然科学基金（中国，ZBG20230418029 和 20232ACB205010）资助。

魏刘琼 | 周鹏 | 张培阳 | 李思贤 | 赖博尼 | 叶汝阳 | 李计红 | 罗雁 | 曾晓红 | 刘宜真 | 向晓国
生命科学学院，教育部鄱阳湖环境与资源利用重点实验室，南昌大学，江西南昌 330031，中国