同源四倍体水稻是二倍体水稻通过染色体加倍形成的新种质。利用不同的同源四倍体水稻组配的亚种间杂种具有强大的生物学优势和明显的增产潜力。然而，绝大多数的同源四倍体水稻亚种间杂种的育性偏低，无法在生产上直接利用。所以，研究同源四倍体水稻亚种间杂种育性偏低的细胞学和分子细胞学机理对于克服杂种育性低具有重要的作用。为此，本研究以4个同源四倍体水稻(以下简称“四倍体水稻")品系及其组配的5份同源四倍体水稻亚种间杂种(以下简称“四倍体水稻杂种")，并以相应的二倍体水稻原种和亚种间杂种作为对照，结合花粉育性和结实率，综合运用醋酸洋红压片和细胞荧光显微术对四倍体水稻及其亚种间杂种在减数分裂过程中的染色体行为进行详细的研究；同时，选取一份结实率接近正常(70％以上)和一份结实率低(25％以下)的四倍体水稻杂种，结合减数分裂时期的染色体行为，采用间接免疫荧光标记-激光扫描共聚焦显微术对高、低结实率的四倍体水稻杂种在减数分裂过程中微管骨架的组织变化进行研究。取得的主要研究结果如下： 1.四倍体水稻及其亚种间杂种花粉母细胞减数分裂期间的染色体行为研究。研究内容主要包括：四倍体水稻及其亚种间杂种减数分裂过程中的染色体构型和异常染色体行为。 (1)四倍体水稻及其亚种间杂种减数分裂终变期和中期I的染色体构型。 利用醋酸洋红染色压片的方法，对四倍体水稻及其亚种间杂种减数分裂终变期和中期I的染色体构型进行详细地观察和统计。观察到的四价体构型有：环形、链形、勺形、“Y"形、双环形、“OK”形、“X"形，“-O-”形和“>-<"形等。这些四价体构型在不同的细胞中是以不同的频率出现的，其中最常见的四价体构型是环形和链形。统计分析表明：无论是在终变期还是中期I，4个四倍体水稻品系之间、四倍体水稻杂种之间的环形四价体数、四价体总数、环形二价体数和二价体总数都存在显著性差异。 在4个四倍体水稻品系中，广陆矮4号-4x在终变期所含的四价体数目最多，平均的染色体构型为： 2n=48=(0.43±2.68)I+(10.54±3.80)II+(0.13±0.37)Ⅲ+(6.53±1.99)Ⅳ。而E24-4x在中期I所含的四价体数目最多，平均的染色体构型为： 2n=48=(1 25±1.71)I+(12.88±3.54)II+(0.14±0.35)Ⅲ+(5.14±1.82)Ⅳ。 对于四倍体水稻杂种，在中期I，以E24-4x为父本的两个低结实率四倍体水稻杂种平均每个细胞中的四价体数都比两个高结实率杂种的多。低结实率杂种L202-4x×E24-4x所含的四价体数目最多。其在终变期平均染色体构型为： 2n=48=(0.59±1.06)I+(10.55±3.98)II+(0.10±0.31)Ⅲ+(6.50±2.02)Ⅳ；在中期I的平均染色体构型为： 2n=48=(0.76±1.45)I+(10.8±4.22)II+(0.134±0.34)Ⅲ+(6.27±2.09)Ⅳ。 相关分析结果表明：四倍体水稻亚种间杂种平均每个细胞所含的环形四价体数、四价体总数分别与其花粉育性和结实率呈显著的负相关关系，而二价体总数，环形二价体数分别与其结实率、花粉育性呈显著的正相关关系。 (2)四倍体水稻及其亚种间杂种在减数分裂过程中的异常染色体行为及其频率。 采用荧光染料DAPI对花粉母细胞进行染色，通过荧光显微镜对四倍体水稻及其亚种间杂种在减数分裂期间(主要是从中期I到末期II)的染色体行为进行详细地观察。结果表明：四倍体水稻的减数分裂过程与二倍体水稻的基本一致。在四倍体水稻及其亚种间杂种的减数分裂过程中观察到多种异常现象，主要有：染色体滞后、染色体落后、微核和细胞分裂不同步等。在4个四倍体水稻品系中，花粉育性和结实率最低的材料(E24-4x)在减数分裂各个时期的异常频率都是最高的。在5个四倍体水稻杂种中，以E24-4x为父本的两个低结实率杂种在减数分裂时期的异常频率比两个高结实率杂种的高。其中，以结实率最低的杂种L202-4x×E24-4x的染色体异常频率最高。以上的研究结果说明，染色体异常行为是影响四倍体水稻及其亚种间杂种育性的一个重要细胞学原因。 2.四倍体水稻及其亚种间杂种花粉母细胞减数分裂过程中的微管骨架变化。 采用间接免疫荧光标记-激光扫描共聚焦显微术，对四倍体水稻及其亚种间杂种减数分裂过程的微管骨架组织变化进行研究。发现四倍体水稻及其亚种间杂种的微管骨架组织变化具有与二倍体水稻不同的变化特点。在四倍体水稻及其亚种间杂种的减数分裂过程中，微管骨架组织变化出现各种各样的异常。低结实率杂种(L202-4x×E24-4x)的微管骨架组织变化异常的频率高于高结实率杂种(广陆矮4号-4x×L202-4x)；其微管骨架组织变化异常发生的时期主要集中在中期I和中期II。在中期I，异常主要表现为纺锤体异常，包括纺锤体形态异常、纺锤体位置异常和纺锤体微管数量异常等。其中，纺锤体形态异常为主要的异常类型，表现为：纺锤体拉长成狭长形，纺锤体两极发散和纺锤体微管呈波浪状等。这些异常的纺锤体将影响染色体在减数分裂后期的正常分离。在中期Ⅱ的异常类型也主要是纺锤体异常，表现为：纺锤体定向异常和纺锤体形态异常。其中，纺锤体形态异常为主要的异常类型，表现为：多极纺锤体，纺锤体两极发散，纺锤体向两极拉长和小型纺锤体等。四倍体水稻及其亚种间杂种的微管骨架组织变化的研究初步说明：花粉母细胞减数分裂过程中的微管骨架组织变化的异常也是造成四倍体水稻杂种花粉败育的重要原因之一。微管骨架组织变化造成花粉败育的细胞学机理可能是：异常的微管骨架组织变化影响了减数分裂期间的染色体行为，并与异常染色体行为协同作用于花粉母细胞的发育。综合以上的研究结果，四倍体水稻及其亚种间杂种花粉母细胞在减数分裂终变期和中期I的环形四价体数和四价体总数与花粉育性和结实率成显著的负相关关系；低结实率的四倍体水稻杂种的环形四价体数和四价体总数都高于高结实率的杂种；而且，减数分裂期间异常的染色体行为和微管骨架组织变化的频率也显著的高于高结实率杂种。由此推测四倍体水稻杂种花粉育性低在减数分裂方面的主要细胞学原因有：四价体的构型和数目(主要是环形四价体数，四价体总数)，异常的染色体行为和微管骨架组织变化。