白刺属植物是荒漠生态系统中的重要建群树种,具有显著的生态效益和经济效益。我国蕴藏着丰富的白刺种质资源,也是现代白刺分布和演化的中心之一。白刺属植物在生态建设和科学研究等方面的重要价值日益受到人们的关注和重视。本研究从甘肃、青海、新疆等地共采集到我国分布的白刺属7种植物,包括：唐古特白刺(N.tangutorum Bobr)、齿叶白刺(N.roborowskii Kom)、西伯利亚白刺(N.sibirica Pall)、泡果白刺(N.sphaerocarpa Maxim)、毛瓣白刺(N.praevisa Bobr)、盐生白刺(N.schoberi)和帕米尔白刺(N.pamirica Vas),并对这7种白刺植物进行了叶部和茎部的超微结构观察分析、主要次生代谢产物的测定和比较分析、基于AFLP分子标记的种间遗传多样性和亲缘关系分析,以及基于叶绿体和核基因ITS片断的系统发育关系研究。经过全面的采样和合理的实验设计与操作,对所获得的实验数据进行科学分析,得出结论如下：1.从电镜观察结果看,白刺属植物具有典型的旱生特性。从叶部扫描电镜观察结果可以看出,7种白刺在结构上总体体现了旱生植物的特点,但各个种之间某些特征又相对比较独特。它们的共同特点是：具有较厚的角质层,叶片正反面有或多或少的腊质表皮毛；叶表面气孔密度较大,向内凹陷成孔下室,且周围有蜡质颗粒；有较发达的栅栏组织和维管束；叶肉细胞内有白色晶体状物质。从茎端超微结构观察结果可以看出,这7种白刺都表现出明显的旱生特征。如茎表皮上有皮孔和表皮毛。薄壁组织发达,细胞腔较大,细胞壁较厚,细胞内有蜡质晶体颗粒或丝状填充物出现。细胞内含有大量晶体填充物,对增强其抗萎焉能力、发挥支撑作用有重要意义。对唐古特白刺、齿叶白刺、西伯利亚白刺、泡果白刺、毛瓣白刺等5种白刺的叶或茎部结构进行了透射电镜观察分析,其共同特征为：叶绿体内基粒完整,液泡膨大,多为双层膜结构,细胞内多高密度电子致密物质,并含有较多的锇酸滴。茎部透射电镜观察结果表明,白刺茎表皮细胞内都含有数目较多的叶绿体,叶绿体片层结构明显,嗜锇滴较多。表皮中大薄壁细胞中有高电子密度物质存在,不同细胞中电子密度不同,与叶片类似。2.从主要次生代谢产物成分测定结果看,白刺属植物这些成分之间差异明显,有较好的开发利用前景。从测定结果上看,7种白刺属植物叶片中脯氨酸含量是霸王的4-16倍,依据脯氨酸含量多少的排列顺序是：唐古特白刺>盐生白刺>泡果白刺>西伯利亚白刺>齿叶白刺>毛瓣白刺>帕米尔白刺。叶片中生物碱含量是霸王的4-6倍,从总生物碱的含量上看,7种白刺之间的差异不显著。依据生物碱含量多少的排列顺序是：唐古特白刺>泡果白刺>盐生白刺>西伯利亚白刺>帕米尔白刺>毛瓣白刺>齿叶白刺。白刺属植物叶片中黄酮的含量相对较高,显著高于另外几种成分的含量。从数量上比较而言,泡果白刺的黄酮含量最高,唐古特白刺的次之,而毛瓣白刺的含量最低。3.盐生白刺叶部和茎部无机元素的含量分析一般而言,不同种之间不同营养成分含量差异显著。在盐生白刺叶片横断面中,其无机离子以氧的含量最高,最低的为Mg,其余元素含量高低顺序为O>Na> Ca>P> Cl>Si>Mg。叶片细胞中丝状物元素中含量最高的是O,最低的为Mg,其余元素含量高低顺序为Ca>C>K Na>Si,其中Ca离子、K离子和Na离子含量大幅度提高。在茎断面韧皮部薄壁细胞元素含量高低顺序为0>C>K>Na> Cl>Ca> Si>Mg,其中C、O含量较高,K离子和Na离子含量大幅度提高。4.利用AFLP分子标记技术成功地将白刺属7个种分为三个分支本研究采用AFLP技术对21份白刺属植物进行分子标记分析,并获得了数目较多的有效多态性条带,通过AFLP图谱分析可以获得较为理想的分辨效果,能较好地把7个种予以区分开来。共用8对引物组合对白刺属的7个种各3份样本共21份植物样本和1份霸王样本进行了AFLP分析,共获得清晰可靠的DNA谱带6245条,其中多态性条带1327条,多态位点百分比为21.24%,结果表明白刺属内种间存在较为丰富的遗传多样性。计算了22个样本间的相似系数F,其变化范围在0.31-0.74之间,平均相似系数为0.57。UPGMA方法对8个种(7种白刺加1种霸王)相似系数进行聚类分析。得到聚类结果。聚类结果显示唐古特白刺和齿叶白刺、西伯利亚白刺和盐生白刺分别较好地聚在一起,表明他们之间的亲缘关系相对较近。而泡果白刺和帕米尔白刺分别聚在系统树的较远的位置,说明它们与其他种的亲缘关系较远。5.用于构建白刺属种间系统发育树的序列psbA-trn H、trn S-trn G和核ITS经过前期试验和筛选,最后确定以psbA-trn H(GUG)|、司隔序列、trn S-trn G (GUG)间隔序列、核基因组的ITS P1-P4间隔区等3个片断序列作为分析序列,除psbA-trn H(GUG)间隔序列只在7种白刺共21个样本中测定外,另外两个片断共还在作为外类群的同属蒺藜科的霸王属霸王(Zygophyllum anthoxylon)中进行了测定。psbA-trn H (GUG)间隔序列的比对长度约559bp,包含34个变异位点(5.8%),其中信息位点19个(3.3%),基于psbA-trn H序列7种白刺间遗传距离为0.0025～0.021,与其近缘属霸王之间的遗传距离为0.032～0.0409。trn S-trn G (GUG)间隔序列比对后的序列长度约832bp,它在白刺属内的长度变异为725-902bp,包含48个变异位点(5.7%),其中信息位点面结31个(3.72%)。基于该序列变异的白刺属种间遗传距离为0.0012～0.0217,与其近缘属霸王之间的遗传距离为0.0235-0.0389。核基因ITS P1-P4间隔区的序列长度约550-620bp,比对后的长度为557bp,其中包含76个变异位点(13.6%),其中信息位点面结47个(8.4%)。基于该序列变异的白刺属种间遗传距离为0.0102～0.1482,与其近缘属霸王之间的遗传距离为0.0295～0.2357。对于上述3段基因片段进行了整合归并处理。合并后的数据矩阵包含白刺属7个种和霸王共22份样本的序列,合并后的序列总比对长度为1792bp,含变异位点95个(5.3%)和信息位点67个(3.7%),基于合并序列变异的白刺种间遗传距离为0.0011～0.0373,而与霸王之间的遗传距离则位于0.014～0.1977之间。6.基于叶绿体psbA-trn H等间隔片段的系统发育树重建分别构建了基于psbA-trn H、trn S-trnG、ITS P1-P4间隔区和联合序列的最大简约树和邻接归并树,从结果上看,虽然基于不同片断的各系统发育树的拓扑结构还是有所差异,但各树所反映的种间系统发育规律还是基本一致。从psbA-trn H的最大简约树和NJ树的大体归类效果来看,基本将这7种白刺归纳为三个分支,第一分支主要包括毛瓣白刺、齿叶白刺和唐古特白刺,第二分支包括盐生白刺、西伯利亚白刺和帕米尔白刺；第三分支只有泡果白刺一种。在trn S-trn G最大简约一致树中和NJ树中,盐生白刺、泡果白刺、西伯利亚白刺和毛瓣白刺的基本排在树的基部,而唐古特白刺和齿叶白刺的系统位置则较为接近。它们只是在盐生白刺和毛瓣白刺的具体位置上有细微差别。在从ITS所构建的两棵树中,泡果白刺基本独立出来为一类,而盐生白刺、帕米尔白刺和西伯利亚白刺较好地聚在一起,唐古特白刺、齿叶白刺和毛瓣白刺相对聚在一起,也就是说,从基于ITS的系统发育关系树上看,可以把我国白刺属的7种白刺大致聚为3类。基于合并序列的系统重建：从结果上看,西伯利亚白刺和帕米尔白刺以及盐生白刺的系统关系较近,唐古特白刺、毛瓣白刺和齿叶白刺的系统关系相对较近,泡果白刺与其他6种白刺的关系则相对较远。这与基于AFLP分子标记的聚类结果基本一致,只不过在AFLP的系统关系中,帕米尔白刺独立出来了。