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裸子植物包含12科86属1000多种，广布于世界各地。裸子植物具有重要的生态价值，包括多种生态系统的建群种，其中松柏类在北温带和亚热带地区的许多森林生态系统中占据了统治地位。裸子植物有重要的经济价值，特别是松柏类生长快且木材质地优良，是世界重要的木材资源。解析系统发育关系对深入研究裸子植物的演化具有重要的意义。一系列分子系统学研究基本解析了裸子植物5大分支间的系统发育关系，但买麻藤类的系统发育位置仍存在争议。裸子植物科的系统发育关系多已确定，但仍存在一些尚未解决的问题，如金松科系统位置。裸子植物属间系统发育关系尚未完全解析，至今尚未构建一棵高解析和高支持的属级系统发育树。叶绿体基因组已经用于解析裸子植物主要分支间的系统发育关系，但针对科间和属间系统发育关系的研究多使用少数基因片段，且取样较少。本研究通过整合裸子植物86属的叶绿体基因组数据，基本解决了裸子植物5大分支、科和属的系统发育关系，同时探讨了利用叶绿体基因组解析困难系统发育关系的方法。此外，本文还系统研究了整个裸子植物范围的叶绿体基因组结构变异的演化模式，分析不同分支间叶绿体基因组结构变异的多样化规律，探讨导致结构变异多样化的相关驱动因素，并以柏亚科为例深入探讨由重复序列介导的特殊的叶绿体基因组结构变异一同分异构现象。 本研究主要内容包括：⑴通过整合裸子植物所有86属的叶绿体基因组数据，重建了一棵高解析率和高支持率的裸子植物属间系统发育树。5大分支间系统发育关系获得解析，苏铁类和银杏是姐妹群，是裸子植物最基部分支。叶绿体蛋白编码基因支持买麻藤类与柏类是姐妹群，但移除快速演化位点后买麻藤类与松科形成姐妹群关系。科间系统发育关系得到很好的解析，金松科是红豆杉科和柏科分支的姐妹群。通过移除快速演化位点的方法，动态呈现了金松科的系统发育位置及支持率变化情况，证实了比对矩阵中存在非系统发育信号影响金松科系统发育位置确定。大多系统发育重建结果支持三尖杉与红豆杉科是姐妹群。裸子植物其它科的系统发育关系与已有研究一致。属间系统发育关系也获得很好解析和支持，泽米苏铁科、松科、罗汉松科一个分支以及柏科属间关系得到了高支持的解析，解决了以前基于少量分子片段尚未完全解析的属间关系。综上所述，基于叶绿体基因组数据构建出裸子植物属间系统发育树，解决了前人争论很久的分支、科以及属的系统发育关系，并探讨了造成系统发育关系不稳定的因素。⑵通过对柏亚科三分支Juniperus(J)、Cupressus(C)和Hesperocyparis-Callitropsis-anthocyparis(HCX)进行分支内取样，探讨了多种方法解析此困难系统发育关系的有效性。对叶绿体蛋白编码基因构建的超级矩阵进行系统发育重建，初步揭示了J和C两个分支具有比分支HCX更长的stem枝长。分化时间估计表明三分支在短时间内(1.15 My)经历了古老的快速分化，分支间短枝长和分支的长枝长容易造成长枝吸引，可能是导致三分支系统发育关系难以解析的主要原因。采用了包括数据矩阵过滤、演化模型选择和溯祖系统发育重建在内的多种策略探讨长枝吸引对三分支系统发育重建的影响。通过移除比对不可靠的区域、删除替换饱和基因以及去除快速演化位点这三种数据矩阵过滤方法能够显著的缩短分支J和C的枝长，并且支持J(C，HCX)。另外，运用溯祖系统发育重建方法能够有效减轻长枝吸引，获得J(C，HCX)。然而，一些能够在其它类群有效减轻长枝吸引影响的方法并不适用于柏亚科三分支。我们的研究说明减轻系统发育重建中长枝吸引影响，不同的类群需要综合考虑和评判不同的方法。⑶在裸子植物系统发育框架下探讨了叶绿体基因组结构演化及其相关驱动因素。裸子植物不同分支叶绿体基因组大小变异很大，苏铁类、银杏、松科、买麻藤类以及柏类已测叶绿体基因组的平均大小分别为164.8kb、156.9kb、119.9kb、114.7 kb和132.7 kb。主要原因是苏铁类、银杏和买麻藤类叶绿体基因组有完整的反向重复区，而松科和柏类分别丢失了不同的反向重复区拷贝;银杏丢失了ycf2基因导致反向重复区的收缩，松科和买麻藤类丢失了大量的ndh基因家族的基因;买麻藤类基因间隔区发生了非常显著的收缩。裸子植物叶绿体基因组呈现出从泽米苏铁科（苏铁类）到柏科（柏类）结构变异升高的趋势，并与GC含量的降低趋势呈现出明显的关联性，说明GC含量变化对于裸子植物叶绿体基因组结构变异具有重要的作用。另外，裸子植物叶绿体基因组结构变异与核苷酸替换率以及选择压具有显著的正相关性。DNA错配修复机制发生错误这一假说可用来解释这种相关性，因为DNA错配修复机制发生错误会造成替换率的变化，从而导致叶绿体基因组结构变异的产生。通过对柏亚科进行广泛取样，半定量PCR和读长比对两种方法共同验证了8个柏亚科类群共存反向重复序列trnQ-IR通过同源重组方式介导产生的同分异构体。在翠柏Calocedrusmacrolepis这个类群中，一种新的同分异构类型被发现，这种类型极有可能是由11bp的反向重复序列通过同源重组方式介导产生的。另外，在柏亚科4个种9个居群176个个体中检测到同分异构体的存在。结果说明，同分异构体的普遍共存以及同分异构主要和次要构型之间相对含量的转变，共同促进了柏亚科叶绿体基因组结构变异的多样化。综上所述，GC含量、核苷酸替换率和选择压以及重复序列对于裸子植物叶绿体基因组多样化结构变异的产生发挥了重要作用。