菊芋(Helianthus tuberosus L.)是菊科向日葵属一种多年生宿根性栽培种,其应用领域非常广泛,主要有生物质能、食品添加剂、家畜饲料、生态修复、园艺观赏等。其中菊糖是一种可溶性膳食纤维,作为食品添加剂,对改善人体机能和一系列重大疾病具有非常有效的作用。尤其值得注意的是,随着化石燃料的日益枯竭和环境污染问题的不断加重,菊芋非粮生物质能开发,已经成为当前以及未来该物种急需研究的重要方向。因此,为了满足市场和产业发展的迫切需求,开展菊芋种质资源及遗传改良相关的研究具有极其重要的现实意义。本文以来自亚洲的39份菊芋种质,欧洲的17份主要栽培种质,以及4份杂交后代为研究对象,基于5对AFLP引物、10个形态农艺性状和7个块茎品质指标数据,研究了菊芋种质资源多样性和遗传分化,分析了表型性状遗传改良的可行性,并以国内已审定的品种为对照,培育出一组高产新品系,并从光合生理角度解释了其高产量形成的机理。主要结果如下：不同种质之间表型性状变异较大,且AFLP检测的多态性较高,多态位点百分率为26.76%,Nei’s基因多样性(H)和Shannon信息指数(D分别为0.0751和0.1159。表型性状聚类分析和主成分分析将所有种质分为两枝5组,分别与白色-红色块茎种质和紫色-棕色块茎种质相对应。AFLP鉴定出3枝,与表型分化鉴定出的两枝5组具有一定的相关性。因此,块茎颜色与遗传背景具有一定程度的关联性。基于AFLP多态性的遗传分化分析表明欧洲与亚洲种质资源间没有明显的遗传分化(5%),但是AFLP鉴定到的三枝之间,遗传分化相对较高,组内表型性状变异较大,且具有各自的优势：Group Ⅰ具有较强的有性繁殖能力、较高的地上生物量和块茎营养含量；Group Ⅱ具有较长的营养生长期；Group Ⅲ具有较高的块茎产量和总糖含量。通过不同品系与参照品种的生物量分配的比较,筛选出了6个在生物量上具有明显优势的新品系,其中国内筛选和培育的品系J115和JN2D总生物量分别为707.84±40.07g(干重／每株,下同)和631.13±15.75g,国外引进的品系DK17和DK5分别为674.69±11.73g和652.16±22.27g,并对J115、DK5和JN2D生长发育的特征特性进行了详细描述；对光合作用光和CO2响应曲线研究的结果显示高产品系具有较低的光补偿点(LCP)和CO2补偿点(CCP),较高的最大净光合速率(Pmax)、表观量子效率(AQE)和初始羧化效率(CE),从光合生理角度对高产量形成机理做出了解释,为高产品系的选育和评价建立新的标准。总之,本文从种质资源多样性研究、遗传改良可行性分析,到高产新品种选育和其独特的光合生理特性研究,形成了一个菊芋种质资源研究的完整流程；并对其在食品领域和生物质能领域的应用前景进行了深入的分析,为未来菊芋产业的长足发展奠定了坚实基础。