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中草药是我国传统文化的瑰宝,是华夏民族智慧的结晶。近年来,快速发展的分子生物学技术,逐渐揭开了中草药基因密码的神秘面纱。作为一种前沿的生物科学手段,高通量测序技术在中草药品种的鉴定、遗传信息的获取、抗性基因的挖掘以及活性成分代谢通路的探究等方面发挥了重要作用。将高通量测序技术应用到中草药的研究中,是传统文化和现代技术的融合,极大的促进了中草药的可持续发展。本论文基于山药、蓼蓝和龙葵三种中草药的研究现状,采用转录组测序和扩增子测序等高通量测序技术,结合生理分析和化学成分测定等研究方法,探究了正常山药中多糖的多样性机制,连作山药中根茎和根际微生物的相互作用机制,蓼蓝叶片中靛蓝、靛玉红的积累机制,以及龙葵幼苗对重金属镉（Cd）的耐受性机制等。本文的研究内容主要包括以下几个方面:（1）基于代谢物分析和转录组测序鉴定山药多糖生物合成的相关基因。山药是一种重要的药用植物和功能性食物,其主要活性成分为山药多糖。目前,关于山药多糖的研究大多停留在其提取、检测及药理作用分析等方面,有关山药多糖生物合成的分子机制还鲜有报道。为了探究山药多糖的生物合成通路,鉴定相关基因,我们对山药的叶、茎、零余子以及块根中的多糖进行了研究;同时,利用高通量测序技术对这些组织进行了de novo转录组测序及分析。研究发现,不同组织中的山药多糖在微观形态和含量上都有一定的差异,说明山药多糖在这些组织中呈现出多样性。转录组分析共筛选到1,756条参与多糖生物合成的基因,其中64条在不同组织中发生差异表达,差异表达的基因参与调控不同单糖的生物合成,从而导致山药多糖因单糖组成种类和比例的不同而展示出多样性。本研究从基因层面解释了山药多糖的生物合成及其多样性机制,为通过次生代谢工程合成山药多糖奠定了理论基础。此外,本研究测得的转录组数据极大的丰富了山药的基因库,为山药的后续研究提供了宝贵的信息。（2）基于扩增子和转录组测序探究连作山药中根茎与根际微生物的相互作用。山药虽然具有重要的食用和药用价值,但是严重的连作障碍限制了其大规模种植和利用。连作植物通过释放特定的化合物导致根际微生物群落变化,从而抑制植物生长、影响作物产量。在本研究中,我们通过16S rRNA基因扩增子测序和de novo转录组测序技术,全面研究了山药根际微生物和块状根茎在连作种植体系中的协同反应。结果表明,连作会导致根际微生物群落的重建,并影响山药根茎的基因表达:在连作体系中,根际微生物群落的多样性减少,有益菌相对丰度降低,导致了微生物群落功能的下降和生长微生态的失衡;与此同时,在连作的山药根茎中,一些功能基因也发生了差异表达,以调节植物与病原菌相互作用、激素信号转导以及相关物质的代谢,从而来响应微生物和环境的胁迫。了解连作体系中根茎与根际微生物的相互作用机制,可以为通过调控根际微生物来促进农业生产提供新的见解。（3）基于代谢物分析和转录组测序揭示靛蓝和靛玉红在蓼蓝中的积累机制。蓼蓝是一种可人工栽培的中草药,常用于生产天然蓝色染料靛蓝和药用代谢物靛玉红。为探讨靛蓝和靛玉红在蓼蓝叶片中的生物合成和积累机制,我们结合代谢物分析和de novo转录组测序,综合研究了不同采收时期（7月、8月和10月）的蓼蓝叶片。结果表明,在8月份采收的蓼蓝叶片中,靛蓝和靛玉红的含量均显著高于7月和10月（p<0.05）。转录组分析发现,相比其他两个时期,8月采收的蓼蓝叶片具有不同的基因表达模式。而且,几乎所有参与靛蓝和靛玉红生物合成的差异表达基因（DEGs）,包括4条邻氨基苯甲酸盐合成酶（AS）基因,2条indole-3-glycerolphosphate合酶（IGPS）基因,3条色氨酸合成酶（TS）基因以及7条细胞色素P450（CYP450）基因,均在8月份显著上调表达（p<0.05）,从而导致了两种代谢物在8月份的积累。本研究为了解靛蓝和靛玉红在蓼蓝中的生物合成和积累机制提供了有用的信息,有望促进蓼蓝的农业育种和工业生产的发展。此外,转录组测序获得的数据为蓼蓝的分子生物学研究提供了宝贵的资源。（4）基于生理分析和转录组测序探究龙葵幼苗对镉的超富集机制。龙葵是一种生命力特别顽强的药用植物,能够在恶劣环境中很好地生长。龙葵不仅具有广泛的药用价值,还具有抵御并富集Cd等重金属的能力。为了探究龙葵抗重金属胁迫的分子机制,我们采用不同浓度的CdCl2（0μM、10μM、25μM、50μM和100μM）对龙葵幼苗进行了处理并开展了一系列相应的分析。结果发现,低浓度的CdCl2对龙葵幼苗的生长影响不大;随着处理浓度的增加,Cd在龙葵幼苗中的积累量也逐渐增加,并且Cd在叶片中的积累量始终占有主导地位。为了进一步探究Cd在龙葵叶片中的积累机制,我们对不同处理的龙葵叶片进行了转录组测序,分析发现,大量响应Cd胁迫的基因参与到细胞壁、抗氧化酶、氨基酸、谷胱甘肽、转运体和转运蛋白等的生物合成中,这为龙葵对Cd的耐受和解毒机制提供了重要的信息。此外,通过加权基因共表达网络分析（WGCNA）,鉴定到了ABC转运体、热休克蛋白（HSP）及Zinc finger蛋白等几个重要的核心基因（hub genes）,为龙葵的生物工程学研究提供了宝贵的资源,并有望用于食品安全以及重金属污染的修复等研究中。