杓兰属(Cypripedium L.)隶属兰科(Orchidaceae)杓兰亚科(Cypripedioideac)，全属50余种，主要产于东亚、北美、欧洲等温带地区和亚热带山地，向南可达喜马拉雅地区和中美洲的危地马拉。东亚是杓兰属植物的分布中心，产38种；其次是北美，有13种；中美洲产3种。我国四川和云南西北部是全球杓兰属植物分布最多的地区。杓兰属植物因其唇瓣特化呈兜状而素有“拖鞋兰”之美称，多数种花大而艳丽，是观赏兰花中的“旗帜”类群。杓兰属是杓兰亚科中进化和分布式样最为复杂的类群。作为极具观赏价值和理论研究意义的类群，杓兰属植物倍受青睐。前人对杓兰属开展了大量的研究工作，包括经典分类学、细胞学、孢粉学和传粉生物学等，但迄今该属的系统发育与生物地理学仍然存在一些没有解决或有争议的问题。前人对杓兰属分子系统学的研究，主要涵盖该属美洲类群，而占该属约2/3的东亚种类却很少被研究。特别是产于中国西藏东南部的C.subtropicum，其形态特征与分布于中美洲的杓兰亚科原始类群Selenipedium和C.irapeanum非常相似，确定该物种的系统位置对解决杓兰属的系统发育关系和杓兰亚科的生物地理学研究有着重要作用。因取样困难，前人仅对C.subtropicum的形态学进行了研究。本研究首次将C.subtropicum及其近缘物种C.singchii纳入分子系统学与生物地理学研究中。　　 本研究收集覆盖杓兰属12个组2亚组，48种5变种，及其近缘6个属的10个外分类群植物，依据核基因组片段(ITS)和四个叶绿体基因组片段(trnL-F、psbA-trnH、trnS-trnfM和atpI-atpH)的序列，重建该属的系统发育关系，估算该属主要谱系的分歧时间，推测该属植物的生物地理历史，并深入分析杓兰属植物在时间和空间上的演化历史。在此基础上，本研究对杓兰属的物种形成和多样化进行了初步探讨。　　 1.杓兰属的系统发育　　 本研究首次确定了C.subtropicum和C.californicum的系统位置。Cypripedium subtropicum及其近缘物种C.singchii，与C.wardii组成姐妹分支，但没有与中美洲类群C.irapeanum和C.molle聚成一支。Cypriedium californicum与Sect.Cypripedium组成姐妹分支，而与中美洲类群C.irapeanum和C.molle没有直接亲缘关系。本研究还首次提出C.debile是杓兰属东亚-北美间断谱系中最早分化出来的一支。　　 在五个片段的联合分析中，贝叶斯方法和最大似然法得到的拓扑结构高度一致，杓兰属的单系性得到了很强支持，80％的节点在两种分析中均得到很强支持。杓兰属由两个分支组成，一支由分佰于中美洲的C.molle和C.irapeanum组成；另一支包括东亚-北美间断分布的该属所有类群，C.debile是该支的最基部类群；随后Sect.Arietinum与Sect.Subtropica依次分化出来；其余类群分成五支，即Sect.Obtusipetala与Sect.Bifolia聚成一支，C.palangshanense与C.fasciculatum组成姐妹类群，Sect.Sinopedilum与Sect.Trigonopedia组成姐妹分支，Sect。Flabelinervia、C.californicum与Sect.Cypripedium聚成一支，Sect.Acaulia独立一支，这五支之间的关系没有得到很好地分辨。Section Cypripedium的成员分为两支，一支由分布于东亚的该组类群组成，另一支包括产于北美的该组物种。本研究结果表明，在前人划分的该属12个组中，Sect.Retinervia和Sect.Irapeana为并系类群，其余10个组的单系性均得到了很强支持。Section Cypripedium的两个亚组Subsect.Cypriedium和Subsect.Macrantha为并系类群。　　 2.杓兰属的分歧时间估算和生物地理分析　　 本研究首次估算了杓兰属各类群的分歧时间。杓兰属干群出现的时间为晚渐新世至早中新世(～25 MYA)，该属所有组在中新世出现，属内现存种自上新世开始涌现。　　 我们还首次重建了杓兰属祖先节点的分布区。杓兰属的祖先类群在中美洲和东亚地区都有分布。在杓兰属的迁移过程中，该属东亚类群至少发生了11次扩散，首先从东亚向北美东部扩散，随后发生了多次从东亚向北美东部或西部的扩散，及北美东、西部之间的扩散。杓兰属类群早期的两次扩散事件均是从东亚至北美东部的扩散。杓兰属中美类群没有向北美和东亚扩散。　　 结合系统发育关系、分歧时间估算和生物地理分析，我们推测：始新世时，杓兰亚科原始类群在北半球热带地区广泛分布；晚始新世至早渐新世时，全球气温急剧下降，导致杓兰亚科类群向南迁移，并在热带美洲和热带东亚地区保存下来。自中新世开始，杓兰属东亚原始类群在北半球亚热带和温带地区迁移扩张，并发展分化。在杓兰属植物的演化历史中，该属中美洲类群几乎没有发生分化，也没有向北美和东亚扩散；该属北美类群没有向东亚和中美洲扩散；该属东亚类群陆续扩散至北美，并在北半球繁荣发展，活跃分化。可见，东亚既是杓兰属物种早期的分化中心，也是该属近期物种演化的摇篮。　　 3.杓兰属的物种形成和多样化　　 杓兰属的三次快速分化事件主要发生在东亚-北美间断分布的类群中。自中新世开始，杓兰属东亚类群向北美扩散，并在北半球亚热带和温带地区多次迁移，并快速分化。我们推测，在杓兰属植物的迁移过程中，气候、海拔、生境和传粉系统等多种因素导致了该属物种在东亚和北美地区的多样化。而分布于中美洲的杓兰属类群没有发生多样化，产于东亚的该属原始类群在热带东亚地区也没有辐射分化。