地黄属(Rehmannia)是东亚特有分布类型,主要分布于我国,全属包含有六个物种。先前基于不同基因片段分析得到的种间关系相互矛盾,并没有统一结论。本文我们从群体水平出发,首先全面分析了地黄属植物叶绿体基因组特征与变异机制,着重解析了密码子使用偏好模式和RNA编辑情况。然后对比分析叶绿体基因组、线粒体基因组、核基因ITS序列、单拷贝核基因以及简化基因组数据,全面地探索了地黄属植物的系统发育关系。主要结果如下:(1)地黄属植物的叶绿体基因组高度保守,具有典型的四分体结构(LSC,SSC,IRa,IRb),全长153,477-154,407 bp,GC含量为37.9-38%,基因组包含133个基因。尽管地黄属植物的叶绿体基因组在结构和大小上非常保守,但在种间种内的IR区域边界处我们仍发现了一定程度的扩张收缩现象。在简单序列重复(SSR)的分析研究中,我们发现最丰富的是单核苷酸SSR(58.32%),六核苷酸SSR最少(0.21%)。在SSR类型的分析中,我们并没有在天目地黄中检测到五核苷酸SSR,同时仅在裂叶地黄中检测到了六核苷酸SSR。在重复序列的分析中,最常见的重复类型是回文重复(45.43%),互补重复(0.53%)是在所有重复类型中最不常见的,仅在四倍体地黄(茄叶地黄和地黄)中检测到了。具有较高变异的两个编码区(rps19和rpl2)和四个非编码区(psb Z-trn G-GCC,psa A-ycf3,cem A-pet A和psb E-pet L),可用作潜在的地黄属植物DNA条形码研究。在密码子的使用偏好(CUB)分析中,影响密码子使用偏性的因素很多,其中主要受到碱基突变和选择压力的作用。我们初步得出在光合作用相关基因中,CUB主要受碱基突变的影响,嘧啶比嘌呤在使用上更具有优先性;而对于转录相关基因而言,选择压力起着一定的作用,嘌呤比嘧啶在使用上更具有优先性。地黄属植物的叶绿体基因组中有20-22个RNA编辑位点,主要发生在密码子第二位上,ndh B是含有编辑位点最多的基因。大多数的RNA编辑都是从亲水性氨基酸到疏水性氨基酸的转变,这样就会使蛋白质的疏水性大大增加,结构更加稳定。此外,我们已经成功地从RNA-seq中获得了完整的叶绿体基因组,初步证实了叶绿体似乎在被子植物的器官和发育阶段中被完全转录。(2)我们基于多组学数据进行了地黄属植物发育关系的研究,比较完整地阐述了其进化历史。其中基于细胞器基因组数据构建的发育关系认为天目地黄为地黄属植物的原始类群,随后湖北地黄分化出来。而基于核基因组数据构建的发育关系表现为天目地黄与湖北地黄聚为一支。我们猜测细胞器基因组与核基因组数据结果冲突原因在于天目地黄对湖北地黄有着强烈的基因渗透。本研究不仅为地黄属种间进化关系提供了大量的分子数据,而且为列当科的系统发育分析提供了参考。