山药（Dioscoreae Rhizoma）为薯蓣科（Dioscoreaeceae）薯蓣属（Dioscorea L.）缠绕草质藤本植物薯蓣（Dioscorea opposita Thunb.）的干燥根茎,具有补脾养胃、生津益肺、补肾涩精之功。其使用历史悠久,既是临床常用中药之一也是日常生活中常用保健食材。在我国有悠久的栽培历史,分布广泛,各地区形成具有各自特色的地方品种,受多种因素影响,栽培种质形态变异大,分类与鉴别存在困难,缺少对全国山药种质资源系统完整的整理。形态学分析现在仍然是物种分类的最常用方法,但是山药各品种外观性状十分相似,且存在一定的交叉。因此,单一方法不足以解决地方品种的整理分类问题,需要多方面的方法进行系统研究。本研究通过对我国山药种质本草考证、资源调研、形态学分类、基因组遗传学以及代谢组学等部分展开研究,探讨山药种质资源整理分类依据,为研究山药道地药材的形成机制提供研究基础。主要研究结果如下:1.本草考证表明,古代山药来源于薯蓣（D.opposita Thunb.）,存在近缘种混用的现象。古代本草中记载山药品种多样,根据根茎形态主要可分为掌状和棒状两类,棒状山药中又有一种山药“肉白指细紧实”可能是铁棍山药。山药的使用经历了由野生到栽培品入药的转变。至明清时期,山药的道地产区开始集中在河南怀庆府区域,并形成了“白而坚实者入药”的认知观。2.商品调研发现市场上山药商品仍旧沿袭了本草中色白、质坚实的优质山药评价标准。山药主要以怀山药流通,产地来源多样,河南产铁棍山药被认为是优质品种,售价更高。产地调研明确我国栽培作“山药”的基原物种主要为薯蓣和参薯（D.alata Linn.）,全国范围内以薯蓣为主,也可作药用,参薯主要作食用。各地存在引种和品种混乱的问题。从北方至南方地区,我国山药资源的原植物类型、根茎形态等呈现从单一到多样的转变。根据根茎形状可将薯蓣栽培品种划分为铁棍山药、粗柱状、短柱型和掌状四类,其中铁棍山药和掌状山药类型特征明确品种单一,易于区分。四个类型与本草考证中提到的山药根茎形态相符合。3.利用NGS对4种69份薯蓣及其近缘种样本的叶绿体基因组进行了测序,根据系统发育分析结果对山药样本进行分组。结果显示薯蓣叶绿体基因组长度范围在152,958～153,294 bp,参薯叶绿体基因组长度范围为153,143～153,161 bp,日本薯蓣（D.japonica Thunb.）叶绿体基因组长度为153,261～153,303 bp,褐苞薯蓣（D.persimilis Prain et Burk.）叶绿体基因组长度范围在153,219～153,224 bp且均为典型四分体结构。注释得到111个共有基因,包括78个蛋白编码基因,29个t RNA基因和4个r RNA基因。ML法系统发育分析可将样本分为四个物种分支,其中薯蓣种下可进一步分为五个组群,其中铁棍山药类型独立形成一支。对八个组别叶绿体基因组进行比较分析,重复序列和SSR序列的种间差异大于品种间差异;薯蓣叶绿体基因组结构高度保守。核苷酸高度变异区域主要集中在非编码区,共筛选出33个特异变异位点,可用于后续薯蓣品种的特异性分子标记。4.首次对73个薯蓣及其近缘种样品基于全基因组序重测序SNP数据进行群体进化研究。邻接法构建系统进化树显示四个基原物种分别形成独立分支,薯蓣品种可分为铁棍山药、粗柱状山药和短柱状山药三个亚支,群体主成分分析结果也得到相同的结论。三个类型山药均表现出较低的核酸多态性和衰减速率,受到较强的人工选择。遗传多样性（π）结果显示粗柱状山药（Group3）＞铁棍山药（Group2）＞短柱状山药（Group1）;短柱状山药（Group1）遗传分化指数Fst最高。结合分布范围、π和Fst结果表明粗柱状山药可能是薯蓣最早开始分化的栽培类型,薯蓣栽培品种的分化可能是按照粗柱状、铁棍山药、短柱状山药的顺序形成的。5.使用UPLC-MS/MS鉴定和比较8组薯蓣栽培品种的代谢产物,共鉴定得到431个代谢物。发现薯蓣根茎含有较高的氨基酸、多糖和酚酸。聚类分析,铁棍山药具有很高的相似性,地理位置相近的样本代谢物成分更为相似。结合PCA和OPLS-DA分析结果,分组比较分别筛选出172、157及169个差异代谢物。各组的代谢物成分含量存在一定差异。铁棍山药和脚掌山药分别得到了31个和28个特征差异代谢物,其中烟酰胺、熊果苷和6-O-咖啡酰熊果苷3个代谢物在铁棍山药中呈现显著性一致的上调趋势;脚掌山药中发现11个显著一致性上调代谢物,说明部分品种存在特征性差异代谢物,可作为潜在指标性成分。综合所述,山药的基原物种为薯蓣,对薯蓣栽培品种进行多方面的分类和比较研究,建立了薯蓣栽培种质分类模式,将薯蓣种质分为麻山药型D.opposita‘Mashanyao’（粗柱状山药）、铁棍山药型D.opposita‘Tiegun’、蕲山药型D.opposita‘Qishanyao’（短柱状山药）三类。推测薯蓣栽培品种的分化可能是按照粗柱状山药、铁棍山药、短柱状山药的顺序形成的。铁棍山药品种较其他栽培品种具有更为独立的分化,是一个稳定而独立的薯蓣品种。