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萜类化合物是植物中最大的一类次生代谢产物,在植物生长发育过程中起着非常重要的作用。在植物中萜类化合物通过两条途径合成,一条是位于细胞质中的MVA途径,另一条是位于质体中MEP途径。其中,3-羟基-3-甲基戊二酰辅酶A还原酶(HMGR)是MVA途径的限速酶,直接影响着细胞质萜类化合物合成所需前体物质的合成。萜类合成酶(TPS)催化中间产物合成各种各样的萜类化合物,其种类和功能决定着植物合成萜类化合物的多样性。棉属植物特有的萜类化合物——棉酚及其衍生物是一类植保素,防御其免受病虫的侵害。在长期的自然选择过程中,棉属植物这一特征的获得与其基因组中萜类化合物合成途径相关基因的进化密切相关。目前,越来越多的物种,特别是棉属两个二倍体棉种雷蒙德氏棉和亚洲棉,已经完成基因组测序,为通过比较基因组学方法探究棉花合成棉酚的分子机理提供了数据支持。棉酚的合成过程中,HMGR是棉酚合成所需前体物质合成途径中的关键酶,而(+)-δ-杜松烯合成酶(CDNS)作为一种萜类合成酶,是棉酚合成的另一关键酶。本研究利用两个二倍体棉种的基因组数据,并结合其它植物基因组数据,对棉花萜类化合物合成过程中两个关键酶HMGR和TPS基因家族,进行全基因组鉴定和系统发育研究,以探索棉属植物合成棉酚的分子机理和进化原因。主要结果如下：1.利用20种植物的基因组数据,分析MVA途径相关基因在绿色植物中的存在状况,重点研究MVA途径关键酶HMGR基因家族的系统发育关系和分子进化规律。结果表明：①在进化过程中绿藻门藻类已经丢失MVA途径,而陆生植物同时保持着MVA途径和MEP途径的分室运行；②植物HMGR基因可能起源于一个祖先基因,并且最终在单子叶植物和双子叶植物中都分化为两个亚族；③HMGR基因在玉米、雷蒙德氏棉、毛果杨和大豆中发生物种的特异性扩增,其中片段复制可能是导致玉米、毛果杨和大豆HMGR基因扩增的主要原因,而雷蒙德氏棉HMGR基因的扩增是片段复制和串联复制共同起作用,推测雷蒙德氏棉中HMGR基因这种以物种特异性的方式进行扩增,可能与其生长发育过程中需要合成大量的棉酚及其衍生物有关；④HMGR基因发生复制后,功能的分化受到严格限制,这符合HMGR在萜类化合物合成过程起着关键作用这一特点。2.利用雷蒙德氏棉和亚洲棉基因组数据,对HMGR基因在两个基因组中进行全面的比较分析。结果表明：①HMGR基因在雷蒙德氏棉和亚洲棉中均发生明显的扩增,都存在一个包括四个HMGR基因的基因簇,进化分析表明这种HMGR基因的扩增在雷蒙德氏棉和亚洲棉共同的祖先种中已经发生；②在雷蒙德氏棉和亚洲棉中,大多数HMGR基因都是在根中表达量最高,符合棉属植物在根中合成大量的棉酚这一特征；③在两个棉种之间的直系同源HMGR基因的表达已经开始分化,这可能与雷蒙德氏棉和亚洲棉适应不同的生长环境有关；④与雷蒙德氏棉相比,亚洲棉有一个HMGR假基因。3.利用雷蒙德氏棉和亚洲棉的基因组数据,在全基因组水平上对棉花TPS基因进行系统鉴定,结果表明：①串联复制导致TPS基因在棉属植物中显著扩增,其中TPS-a亚家族基因的串联复制更明显；②TPS基因发生扩增后,在雷蒙德氏棉和亚洲棉之间的进化明显不同；③棉花CDNS基因是TPS-a亚家族祖先基因发生串联复制后,功能分化产生的,有些CDNS基因形成后又发生串联复制而导致基因数目的增加；④CDNS基因在雷蒙德氏棉和亚洲棉物种形成以后,经历了物种的特异性进化,但是有一个CDNS基因簇在两个棉种基因组中非常保守,推测该基因簇可能在棉属植物合成棉酚途径中起着极其重要的作用。综上所述,本研究通过比较基因组学方法发现萜类化合物合成途径关键酶HMGR基因家族在棉属植物中发生特异性扩增,TPS基因家族在棉属植物中存在大量的串联复制,进一步通过功能分化,出现CDNS基因。这些结果为最终解释棉属植物独特地合成棉酚及其衍生物提供理论依据。