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同源四倍体水稻是由二倍体水稻加倍获得的种质。该种质具有明显的生物学优势,但育性普遍偏低,难以直接应用于生产。本室经过多年努力,培育出高育性的新型四倍体水稻（neo-tetraploid rice）。新型四倍体水稻与低育性同源四倍体水稻杂交,杂种F1不但育性高,而且产量优势明显,具有广阔的应用前景。为了弄清新型四倍体水稻高育性的遗传机理,本研究利用新型四倍体水稻华多3号（H3）和低育性的同源四倍体水稻T452杂交获得F1,F1自交得到F2,从F2开始按照结实率超过80%和低于20%两个标准对子代进行连续定向选择,分别选育高育性定向自交系JG和低育性定向自交系JD 2个群体,并开展以下研究:一是利用WE-CLSM技术（whole-mount eosin B-staining confocal laser scanning microscopy）等对JG和JD及其双亲生殖过程的细胞学开展研究;二是利用JG和JD分别构建混合池,开展BSA（Bulked Segregant Analysis）的关联定位,以及BSR-seq（转录组测序结合BSA）研究,研究与育性关联的候选基因,进一步通过qRT-PCR（Quantitative Real-time Polymerase Chain Reaction）进行验证。主要研究结果如下:（1）高育性定向自交系JG和低育性定向自交系JD及其双亲的生殖特性高育性定向自交系JG和高育性亲本H3,分别与低育性定向自交系JD及低育性亲本T452比较,前两者成熟花粉育性明显高于后两者。JG、H3、JD和T452的成熟花粉育性分别为88.53%、87.45%、25.08%和23.70%。JD花粉主要败育类型有典败（18.44%）、圆败（14.85%）、染败（55.17%）和小花粉粒（1.23%）。通过WE-CLSM技术对成熟胚囊和授粉3d的胚囊观察统计发现,JG和JD及其双亲胚囊育性基本正常,未存在明显差异。但授粉3d后未受精胚囊出现的频率却存在明显差异,JG、H3、JD和T452未受精胚囊的频率分别为7.62%、12.30%、53.76%和64.38%,JD和T452未受精胚囊的频率明显高于JG和H3,说明花粉育性对胚囊受精的影响是显著的。（2）高育性定向自交系JG和低育性定向自交系JD及其双亲花粉母细胞的减数分裂染色体行为及构型JG和JD及其双亲花粉母细胞的减数分裂过程基本一致,但不同时期染色体行为异常的类型存在差异,如中期染色体拖曳、后期染色体落后、末期微核、纺锤体异常、二分体未分裂等。值得一提的是,四份材料中期Ⅱ和后期Ⅱ的异常频率均比其他时期高,其中,JG分别为43.85%和41.44%、JD分别52.35%和56.67%、H3分别为22.27%和44.51%、T452分别为44.93%和44.59%。它们在终变期和中期Ⅰ的染色体构型存在明显差异。无论是终变期还是中期Ⅰ,JG和H3的二价体数目均高于与JD及T452,JG在终变期和中期Ⅰ二价体的数目分别是5.8±0.14和9.43±0.02;JD分别是4.74±0.26和8.52±0.18;H3分别是5.76±0.05和9.28±0.02;T452分别是3.47±0.17和8.50±0.51。以上结果表明,JG和H3的高育性可能与其二价体数目高于与JD及T452有关。（3）新型四倍体水稻高育性基因的BSA关联定位及BSR-seq分析关联定位分二步进行:一是利用JG和JD群体的F2代和F3代分别构建混合池并开展BSA关联定位。其中F2代测序共得到高质量的SNPs位点1346124个,In Dels位点294650个,对这些变异位点进行关联分析,定位到7号染色体上的1个区域（18180000-19500000）,在该区域内共注释到185个基因,其中在子代或亲本间存在非同义突变基因有114个,移码突变基因有26个。F3代测序共得到1343958个高质量的SNPs和295480个In Dels,关联分析同样定位到7号染色体上的1个区域（18400000-22120000）,在该区域内共注释到536个基因,其中在子代或亲本间存在非同义突变基因有33个,移码突变基因有97个。二是利用JG和JD群体的F4代减数分裂时期的花药进行BSR-seq分析,得到65202个SNPs,关联分析定位到位于7号染色体18915234-19692348、19736756-19748279区间内的107个基因,这些基因均在亲本间或子代间发生非同义突变或移码突变。BSA关联定位及BSR-seq综合分析发现,三次结果均定位到7号染色体18915234-19500000的区段,该区段共包含78个可能与四倍体水稻育性相关的基因。（4）新型四倍体水稻高育性相关基因的qRT-PCR验证对利用BSA关联定位及BSR-seq技术筛选到的78个育性相关基因的功能进行分析,发现其中9个基因可能与花粉母细胞减数分裂以及花粉育性相关。这9个基因分别是LOC＿Os07g31870、LOC＿Os07g32010、LOC＿Os07g32020、LOC＿Os07g32040、LOC＿Os07g32170、LOC＿Os07g32406、LOC＿Os07g32480、LOC＿Os07g32650、LOC＿Os07g32660。采用qRT-PCR验证这9个基因在JG和JD及其双亲中的表达量差异,其中LOC＿Os07g32480、LOC＿Os07g32406、LOC＿Os07g32040、LOC＿Os07g318704个基因在高育性和低育性材料间存在差异表达,且均在高育性材料中下调表达。另外,还对LOC＿Os07g32480等24个与减数分裂相关基因进行qRT-PCR表达研究,结果显示LOC＿Os06g41050、LOC＿Os11g40150和LOC＿Os09g35000 3个基因在高育性和低育性材料间表达量存在显著差异。这些结果初步说明,以上7个基因可能与新型四倍体水稻育性有关。综上所述,影响新型四倍体水稻育性的原因是多方面的。从细胞遗传方面来看,花粉母细胞减数分裂终变期和中期Ⅰ二价体数目较多是新型四倍体水稻育性高的原因之一;从分子遗传方面来看,减数分裂相关基因的序列变异及表达量的差异可能决定其高育性,值得进一步研究。