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地黄属(Rehmannia Libosch.ex Fisch.et Mey.)是隶属于列当科(Orobanchaceae)的一个非寄生小属,包含6个物种,除传统中药材地黄(Rehmannia glutinosa(Gaetn.))的分布区从华北到朝鲜半岛、日本外,其余均为中国特有植物。由于潜在的杂交和多倍化现象,其系统位置和属内种间关系一直备受争议。基于叶绿体基因片段的系统发育研究未能很好地解决地黄属的系统位置和属内种间关系。植物叶绿体基因组数据是探讨物种进化和系统发育关系的重要数据来源。本研究首次利用高通量测序技术获得地黄属6种植物的叶绿体基因组序列,运用生物信息手段注释所有的叶绿体基因组序列并进行比较基因组学分析,还基于已有唇形目的23个叶绿体基因组序列构建进化树。本研究的主要内容及结果如下:生物信息学分析表明,地黄属6个叶绿体基因组高度保守,均呈现四段式结构(LSC、SSC、IRa、IRb),总长度为 153,622-154,055bp,LSC、SSC 及 IR 的长度为84,605-84,966bp、17,579-17,680bp、25666-25735bp。每个基因组均包含 133 个基因,其中18个分布在反向重复区为双拷贝,有115个不同的基因。地黄属6个叶绿体基因组的碱基组成高度相似,AT/GC含量基本相同,氨基酸和密码子的使用情况基本一致,均偏好使用A、T碱基。以烟草叶绿体基因组为参考进行的叶绿体全基因组结构比较分析(MAUVE alignment)表明,地黄属叶绿体基因组并不存在重排现象,所有基因完全共线。通过比较地黄属叶绿体基因组的IR/SC边界,发现LSC/IR在6个种中存在较大差异。通过mVISTA分析结合对编码区、非编码区变异率的统计显示,地黄属种间序列整体的遗传分化程度较低,反向重复区比单拷贝区保守,编码区比非编码区保守。在整个基因组中检测到一个变异热点区域,筛选出了变异率较高的8个编码区和9个非编码区作为潜在的DNA条形码发掘区域。地黄属6个叶绿体基因组中共检测到411个重复序列,其类型和分布在种间高度相似,而SSR则以单碱基重复类型居多,主要为A或T。对地黄属叶绿体基因组中蛋白编码基因的同义替换和非同义替换数目进行统计发现,同义替换和非同义替换数目在基因间和物种间均存在异质性。茄叶地黄(Rehmannia solanifolia Tsoong et Chin)和湖北地黄(Rehmannia henryi N.E.Brown)、高地黄(Rehmannia elata N.E.Brown)和天目地黄(Rehmannia chingii Li.)分别具有一致的替换模式,而地黄(Rehmannia glutinosa(Gaetn.))和裂叶地黄(Rehmannia piasezkii Maxim.)分别具有单独的替换模式。地黄属中检测到三个基因(accD、rpoA、rpoC2)受到正选择。基于叶绿体基因组的四个数据集(全序列、蛋白编码序列、LSC、SSC),对唇形目的23个物种进行系统发育重建,所有进化树显示地黄属是一个单系类群,且具有较高的支持率。基于全序列和蛋白编码区序列构建的进化树表明地黄属与列当科的其他物种构成姐妹类群,这与APGIV的分类结果一致。对于地黄属的种间关系得到的结果为:茄叶地黄与湖北地黄聚为一支,位于系统树的基部,其余四个物种中天目地黄与高地黄聚为一支,呈姐妹关系。