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菊芋(Helianthus tuberosus)为菊科(Compositae)向日葵属(Helianthus L.)的多年生草本植物。菊芋的块茎部分不仅具有食用价值,而且从其块茎提取的相应化学成分,是医药和工业的主要原料之一,也是重要的新型能源植物之一。目前国内外对菊芋的研究主要表现在两个方面,一是研究菊芋的生存环境问题,另一方面是通过现代生物技术对菊芋进行深加工,用于医药食品领域中,尽管已经有大量的学者对菊芋进行了很多的研究,但是对菊芋分子遗传多样性方面的研究还未见有报道。 本研究以内蒙乌海和山西代县两个地区4个品系共90个菊芋的样本为材料,采用PCR扩增直接测序的方法,测定不同品系样本的核糖体DNA_ITS区序列和叶绿体TrnH-psbA、TrnL-trnF区序列,并结合GenBank中相关植物的相应区域DNA序列,通过对这些序列变化差异研究菊芋两个地理区域不同品系的遗传多样性;同时,测得了菊芋叶绿体基因组的16个基因部分序列,并结合GenBank中菊科7属10种植物相应的序列建立系统发育关系,对菊芋的系统发育位置进行了分析。主要研究结果如下: (1)核糖体DNA_ITS区包括ITS1、5.8sDNA和ITS2三部分组成,测得序列总长为674bp,其中A、T、C和G4种核苷酸的平均含量分别为21.7％、25.3%、25.8%和27.2%,A+T含量(47%)低于C+G含量(53%)。变异位点11个,占所有位点1.3%,其核苷酸多样性值(Pi)为0.00242,核苷酸差异平均值(k)为1.631。 (2)测得PsbA-trnH区片段序列长400bp,其中A、T、C和G4种核苷酸的平均含量分别为32.2%、46.2%、9.8%和11.9%,A+T含量(78.2%)高于C+G含量(21.7%)。变异位点11个,占所有位点3.0%,其核苷酸多样性值(Pi)为0.00264,核苷酸差异平均值(k)为0.982。 (3)TrnL-trnF基因片段序列全长为总长900bp,其中A、T、C和G4种核苷酸的平均含量分别为34.3%、29.9%、16.9%和18.9%,A+T含量(64.2%)高于C+G含量(35.8%)。变异位点12个,占所有位点1.8%,其核苷酸多样性值(Pi)为0.00037,核苷酸差异平均值(k)为0.313。 (4)三个DNA片段联合序列检测到变异位点34个,利用DnaSP_5.1软件分析对联合基因序列多样性分析,核苷酸多样性值(Pi)为0.00222,核苷酸差异平均值(k)为4.212,遗传分化系数0.15435,基因流1.37。 (5)基于单倍型的系统树和网络关系图显示,除个别单倍型外,所有各种群的单倍型在系统聚类树中基本表现出一种平行式的分布格局,即单倍型并没有按地理分布形成明显的簇群,Hap4可能为原始单倍型。 (6)以菊科蒿属的冷蒿作为外类群,与菊芋同一科菊科的其它物种一起进行比对,构建菊芋与菊科物种的NJ和MP分子聚类关系,Bootstrap1000循环检验结果的置信度,分析显示菊芋的NJ和MP分子系统树显示出一致的拓扑结构。结果显示,同一物种优先聚在一起,菊芋与菊科向日葵属的向日葵优先聚在一起,说明它们的亲缘关系近。