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荞麦,属蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyrum),是一种重要的食药同源作物,拥有巨大的经济价值和开发潜力。我国西南地区是学界公认的世界荞麦起源中心,拥有丰富的野生荞麦资源。如何全面掌握野生荞麦遗传信息,准确阐述荞麦属植物系统进化关系,已成为一个亟待解决的重要问题。同时,深入挖掘我国丰富的野生荞麦种质资源,也急需开发可用于荞麦属植物新种鉴定及种内亲缘关系研究的高效分子标记。于此同时,随着生物信息学和分子生物技术的快速发展,也需要大量的荞麦基因组信息作为数据支撑。然而,荞麦属植物基因资源的缺乏也极大得阻碍了荞麦种间亲缘关系和系统进化研究的进程,影响着荞麦分子育种工作的深入开展,进而制约了野生荞麦优良遗传资源的开发与利用。叶绿体基因组因其独特的优势,已经成为系统进化和遗传资源评价研究的理想材料。充分挖掘我国西南地区丰富的野生荞麦资源,开展对野生金荞麦和螺髻山野荞麦的叶绿体基因组测序及全面的比较分析,挖掘潜在分子标记,辅助荞麦属植物系统进化和亲缘关系研究,继而应用于野生荞麦资源的准确鉴定与开发利用,将对于荞麦属植物的深入研究具有重要的科研价值和应用意义,本研究主要结果如下:1)通过对野生荞麦资源进行考察与统计,结果发现:目前所报道的荞麦属植物在我国西南地区均有分布,但不同种之间的分布范围存在较大差异。野生金荞麦(F.cymosum)、细柄野荞麦(F.gracilipes)和齿翅野荞麦(F.gracilipes var.odontopterum)的分布区域较广,而羌彩野荞(F.qiangcai)、皱叶野荞(F.crispatifolium)及海螺沟野荞麦(F.hailuogouense)的分布区域则较为狭窄,在四川北部、西南部和云南西北部地区均分布有丰富的野生荞麦种质资源,继而印证了我国西南地区作为世界荞麦起源中心的重要观点。另一方面,通过对野生荞麦营养物质和次生代谢产物的评价与比较,我们发现野生荞麦在蛋白质、氨基酸及总黄酮含量等方面并不逊色于栽培荞麦,充分证明了野生荞麦资源具有较大的开发价值。2)对两个野生荞麦叶绿体基因组进行测序后发现,野生金荞麦和螺髻山野生荞麦的叶绿体基因组长度分别为159320 bp和159265 bp。随后,与已报道的栽培荞麦叶绿体基因组进行比对分析,结果发现:螺髻山野荞麦与其他荞麦叶绿体基因组间的差异最大,其与野生金荞麦、甜荞麦和苦荞麦之间检测出的SNP数量达到5940、6260、5992,而野生金荞麦和苦荞麦叶绿体基因组间的差异最小,其SNP数量仅为317;同时,通过计算叶绿体编码基因中的同义替换(dS)和非同义替换(dN)的比值,发现在四个荞麦属植物间多数基因的dN/dS小于1,仅有ndhK、ycf1、rpoC2、rpl20、petL和rpl32的dN/dS比值大于1,说明上述基因在荞麦属植物的进化过程中发生了正选择;叶绿体基因组不同区域间的边界分析发现,rps19和ndhF处于四个荞麦属植物叶绿体基因组LSC/IRb和IRb/SSC的边界。在野生金荞麦和苦荞麦叶绿体基因组中,rps15基因在SSC/IRa的边界发生了位移;于此同时,分别在野生金荞麦和螺髻山野荞麦中发现48和61个SSRs位点;对叶绿体基因组中的重复序列进行检测,分别在野生金荞麦和螺髻山野生荞麦中检测到42和31个重复序列;随后,通过叶绿体基因组比对分析,共发掘出10个荞麦叶绿体基因组高突变区域,分别包括:trnS-trnG、rpoB-rpoC、trnT-psbD、trnT-trnL、rbcL-accD、ycf4-cemA、psbE-petL、ndhF-rpl32、ycf3-trnS以及ndhA内含子区域;结合SNP、基因进化选择、边界分析、SSRs和重复序列检测结果,均证明了野生金荞麦与苦荞麦具有极高的序列相似性,二者的亲缘关系更加密切;最后,基于完整的叶绿体基因组序列信息构建系统进化树,进一步明确了四个荞麦属植物种间的系统进化关系,证明了野生金荞麦与苦荞麦的亲缘关系更近;叶绿体基因组系统进化树展现出螺髻山野荞麦处于一个独特的进化位置,表明野生荞麦物种在进化上与栽培种间具有较大的差别;通过研究,我们首次公布了野生金荞麦和螺髻山野荞麦的叶绿体基因组序列信息,并通过比较分析得出了有力的证据来证明野生荞麦与栽培荞麦间的系统进化关系。研究结果将对于荞麦属植物的种质鉴定、分子标记辅助的系统进化研究、野生荞麦种质资源保护与开发,以及荞麦遗传育种工作都具有重要意义。3)目前,关于荞麦属植物系统进化方面的研究均基于少数基因片段信息,所提供的分子证据还很有限,得出的荞麦属植物种间关系仍不清晰。研究将基于叶绿体基因组比较分析而挖掘出的分子标记,并结合形态学知识,通过构建系统进化树,对我国西南地区荞麦属植物的系统进化关系进行研究。结果证明:通过叶绿体基因组比较分析得出的psbE-petL和ndhA内含子区域可以作为区分荞麦栽培种与野生种的理想分子标记;同时,利用matK+psbE-petL和psbE-petL+ndhA两个组合可以更清晰的阐明荞麦属植物的种间关系;综合系统进化树的分析结果,明确了荞麦属内各种间的系统进化关系。我们认为:荞麦属植物应分为两个大的类群:类群Ⅰ包括栽培甜荞麦(F.esculentum)、苦荞麦(F.tartaricum)及其野生种和野生金荞麦(F.cymosum);类群Ⅱ主要包括荞麦属中其他野生种,包括:线叶野荞麦(F.lineare)、羌彩野荞(F.qiangcai)和皱叶野荞(F.crispatifolium)等野生荞麦。同时,在类群Ⅱ中,丽花野荞麦(F.callianthum)、汶川野荞(F.wenchuanense)和普格野荞麦(F.pugense)的亲缘关系较近,与其他野生荞麦相比较为原始;小野荞麦(F.leptopodum)、金沙野荞麦(F.jinshaense)和线叶野荞麦(F.lineare)的关系较近,三者总是稳定的聚为一支;而F.macrocarpum与细柄野荞(F.gracilipes)、齿翅野荞麦(F.gracilipes var.odontopterum)、皱叶野荞麦间的关系较为密切;红翅野荞(F.gracilipes var.odontopterum-R)、螺髻山野荞麦(F.luojishanense)和羌彩野荞稳定的聚为一支,说明其间的亲缘关系较近。4)本研究以开发适用于荞麦属种间系统进化研究和新种鉴定的分子标记为目的,因而,我们对新发现的荞麦属植物新种——龙肘山野荞麦(F.longzhoushanense)的系统进化地位进行了研究。结果发现,通过形态学、核型分析以及结合matK及psbE-petL分子标记,均证明其作为荞麦属植物新种的地位。实现了利用新发掘的荞麦属植物分子标记对新种的准确鉴定,进一步印证了psbE-petL在荞麦属植物系统进化及新种鉴定中的潜在作用。综上所述,本研究基于西南地区丰富的荞麦种质资源,通过叶绿体全基因组测序,利用基因组比较分析结果,发掘了包括psbE-petL和ndhA内含子区域在内的10个荞麦属植物分子标记,并利用trnT-trnL、psbE-petL和ndhA内含子实现了对荞麦属植物系统进化关系的探讨及分子标记辅助的新种的鉴定。本研究为野生荞麦资源的系统整理,荞麦属基因资源的充实及荞麦种间系统进化研究提供了丰富的材料。