共生固氮植物是指那些能与细菌相互作用并在其根部形成共生体（结瘤），从而将空气中的无机氮转变成有机氮的类群。大自然中氮素的利用不仅能提高作物的产量，而且可减少化肥的施用和由此带来的土壤变性，从而改善生态环境，提高作物产品质量，保证人类健康。在被子植物412个科中，仅有10个科的部分植物具有共生固氮功能。这10个科与另外18个不固氮的科聚成一支，即固氮分支（N-fixing clade）。以前的分子系统学研究已为固氮分支建立了一个目、科水平的系统发育框架，但由于类群取样，尤其是固氮类群的取样，相对稀疏，致使一些科间和科内各类群间系统发育关系仍然有待解决。　　本研究通过属水平的取样，包括了1008个物种，代表了固氮分支四个目，28个科，整个固氮支1300多个属中的1002个属。包括与放线菌共生的24个属（共25属）和与根瘤菌共生的豆科植物大多数的属以及非豆科植物糙叶山黄麻属（Parasponia）。选取rbcL、matK和trnL-F三个片段作为分子标记，我们构建了两个矩阵:包括1008个物种的大矩阵和包括231个取样的小矩阵。重建共生固氮植物支系的系统发育关系，估算固氮支系各分支的分化时间，揭示了共生固氮起源的次数，以及共生固氮发生的可能环境因素。主要结果和结论如下:　　1.固氮分支的系统发育　　本研究通过联合前人尚未用于大尺度分析的trnL-F片段（包括trnL内含子和trnL与trnF的间隔区）和另外两个叶绿体基因片段(rbcL和matK)，固氮分支内四个目的单系性都得到了98％以上的支持，并且目内科间以及科内主要支系的系统发育关系都得到很好解决。尤为重要的是，我们澄清了绝大多数固氮类群的姊妹群。大矩阵的最大似然法(ML)计算结果和小矩阵的贝叶斯(BI)计算结果相一致，也说明我们重建的固氮分支系统发育关系是可靠的，进化速率较快的基因间隔区也可用于大尺度（目、科水平）的系统发育分析，并且能有效地提高分支的支持率。　　2.共生固氮性状是多次起源的　　我们的研究表明固氮分支祖先并不固氮，即共生固氮是多次起源的（至少经历了11次独立起源）。与根瘤菌共生至少起源了2次:一次是大麻科的糙叶山黄麻属，另一次是豆科的PMCC分支。与放线菌共生独立起源了9次。　　3.共生固氮性状的起源与进化　　两种共生方式在早白垩世晚期已经出现，最早出现的固氮类群是与放线菌共生的胡颓子科。共生固氮的起源主要发生在两个地质时期:晚白垩世和中新世。在晚白垩世，共生固氮起源了8次（与放线菌共生7次，与根瘤菌共生1次）;在中新世，共生固氮起源了3次（与放线菌共生两次，与根瘤菌共生1次）。相对高的温度和高的CO2浓度可能为共生固氮的起源创造了有利的条件。晚白垩世，被子植物占绝对优势的森林已经形成。与放线菌共生固氮类群对光照的需求较高，通常生长在开阔的生境中，因此它们作为先锋物种占领土壤贫瘠的生境，通过固氮作用弥补土壤氮营养的不足，进而改良土壤的质地。而与根瘤菌共生的豆科植物具有更多样的习性，几乎能适应所有类型的生境，从而达到很高的多样性水平。　　中新世以来开阔草原在北美迅速扩张，长期的干旱导致草原土壤中氮元素矿化作用降低，从而使得可被植物利用的氮营养匮乏。低水平的氮营养严格限制了非固氮植物的生长。同时，该时期气候温暖和大气中相对高的CO2浓度，为共生固氮的Ceanothus在美洲的起源提供了适宜的环境。安第斯山的隆起造成了生境的破碎化，冰川作用使原有生境土壤变得贫瘠，这为共生固氮在腊质果族(Colletieae)的演化提供了合适的生态位。中新世晚期，大气中CO2浓度再次出现一个峰值。中太平洋地区由于板块运动和火山活动，形成了新的岛屿，生境遭到了严重破坏，土壤中可利用的氮元素的量极度降低。这为共生固氮在糙叶山黄麻属的起源和演化提供了适宜的生态机会。