杨树,杨柳科(Salicaceae)杨属(Populus)树种,因具有生长迅速、易无性繁殖、适应性强、木材用途广等特征,是重要的种植树种之一,同时由于其基因组相对较小,又是分子生物学研究的模式植物。基于传统的形态学特征,杨属被分为白杨派、青杨派、大叶杨派、黑杨派、胡杨派和墨杨派6个派。然而,由于杨树种间杂交现象频繁以及表型间形态差异较大,使杨树的系统发育研究存在一定的困难。前期研究者分别采用不同分析方法对杨属派间以及派内不同种间的系统关系开展了研究,结果表明杨属的进化关系仍存在争议。此外,由于所用分子标记的信息量普遍不足或研究取样的不完整,使得近缘种或杂种之间的关系不能明确。随着高通量测序技术的发展,叶绿体基因组因具有结构简单、序列高度保守且为母系遗传的特征,被广泛应用于系统发育研究。此外随着毛果杨全基因组序列的公布,单拷贝核基因已被开发用于杨属系统发育研究。基于此,本研究将母系遗传的叶绿体全基因组与双亲遗传的核基因组结合,共同对杨树系统发育关系进行重建,并得到如下结论:(1)基于叶绿体全基因组杨属系统发育分析:利用Illumina HiSeq X平台对25个杨树基因组DNA进行重测序,每个树种获得约15 G raw data。以毛果杨叶绿体基因组作为参考基因组,采用GetOrganelle成功组装得到25条完整的叶绿体基因组。杨树叶绿体基因组之间存在10个高聚集区:trnK intron+trnK-psbK,rpoB-petN,psbM-trnD,psbZ-trnfM,trnL-ndhJ和ndhC-trnV,ycf1,ndhF-ccsA,ccsA+ccsA-ndhD和rps15-ycf1。基于60个杨柳科叶绿体基因组数据并结合40个杨树的18个形态特征构建杨属系统发育关系。ML及BI分析均支持杨属和柳属为单系起源,并将杨属树种分为5个Clades,Clade I包含3个树种:胡杨、灰胡杨和非洲杨;Clade II由13个树种组成:响叶杨、银白杨、新疆杨、山杨、河北杨、黑杨、琼岛杨、圆叶杨、清溪杨、欧洲山杨、欧洲山杨×银白杨、毛白杨以及窄冠毛白杨。Clade III含有10个树种:德钦杨、康定杨、大叶杨、长序杨、昌都杨、西南杨、小叶杨、川杨、藏川杨和滇杨;Clade IV由青杨、贡嘎杨、香杨、苦杨、三脉青杨、椅杨和乡城杨7个树种组成。Clade V包含窄叶杨、香脂杨、美洲黑杨、四季杨、弗氏杨、墨杨和毛果杨。此外,18个形态特征中,有6个特征支持基于分子数据构建的系统发育树。(2)基于单拷贝核基因杨属系统发育分析:基于16个单拷贝核基因联合1个ITS片段对39个杨树系统发育关系重建,所有杨属树种形成一个单系分支,39个杨树分为4个Clades:墨杨最先从杨树中分离,其次为白杨派树种;Clade III由胡杨派树种组成;青杨派、大叶杨派和黑杨派组成Clade IV。(3)基于核质基因组杨属系统发育分析:基于叶绿体全基因组和17个核基因片段联合构建系统发育树均支持杨属为单系起源,且白杨派和胡杨派为独立分支。核基因树和叶绿体树中部分树种的关系存在不一致:(1)在叶绿体树中,墨杨与分布在北美的青杨派和黑杨派树种在一个分支,而在核基因树中,墨杨作为一个独立的分支最早从杨属中分化出来;(2)欧洲黑杨在叶绿体树中与白杨派树种聚在一起,而在核基因树中与青杨派表现出较近的关系;(3)叶绿体树中,青杨派、大叶杨派和黑杨派分为3个Clades,其中Clade IV和Clade V存在明显的地理分布特征,核基因树中,青杨派、黑杨派和大叶杨派分布在同一个Clade。(4)毛白杨可能亲本:综合核基因与叶绿体基因组构建杨属系统发育分析,推测毛白杨可能是以银白杨为母本,欧洲山杨为父本形成的杂交树种。(5)西南地区杨树系统发育分析:基于叶绿体全基因组序列将西南地区杨树分为Clade III和Clade IV,Clade III中大叶杨派贡嘎杨和椅杨与青杨派乡城杨、三脉青杨、香杨、青杨和苦杨聚为一支,且乡城杨与三脉青杨关系最近;Clade IV中德钦杨与康定杨聚为一支,并与长序杨和西南杨呈姊妹组关系,滇杨和藏川杨聚在一起并位于Clade IV的基部位置。基于核基因联合片段构建的系统发育结果显示,西南地区杨树位于D亚支(D1和D2),D1分支中藏川杨、乡城杨和德钦杨聚为一支且位于基部并与大叶杨派长序杨、大叶杨和贡嘎杨以及青杨派青杨和三脉青杨形成姊妹组关系;D2分支中,西南杨位于基部并与其余6个青杨派树种聚为一支,其中康定杨与小叶杨聚在一起,然后又与滇杨、昌都杨、川杨和缘毛杨形成姊妹种关系。基于叶绿体全基因组和17个核基因联合片段对康定杨、乡城杨、青杨、长序杨和西南杨系统发育关系比较显示,叶绿体树和核基因树均支持康定杨和西南杨、乡城杨与青杨亲缘关系更近。