二倍体典型籼粳稻亚种间杂种F1(以下简称为“二倍体杂种”)具有明显的生物学优势，但杂种F1的育性都普遍偏低，严重影响其产量的发挥，从而难以在生产上直接利用。为了克服二倍体杂种不育性，提高结实率，有人提出将二倍体水稻加倍成同源四倍体以组配四倍体典型籼粳亚种间杂种F1(以下简称为“四倍体杂种”)。已有的一些研究表明，四倍体杂种育性比相应的二倍体杂种的有明显提高，具有利用的潜力，但结实率仍然难以达到正常的水平，值得进一步深入研究。结实率是水稻生殖过程的表达产物，包括花粉育性、胚囊育性、受精、胚胎发生和胚乳发育，以及环境因素等都直接影响结实率。本研究侧重通过二倍体杂种和相对应四倍体杂种胚囊发育及育性、受精、胚胎发生和胚乳发育的细胞学比较研究，首先解决二倍体杂种有关胚囊败育长期存在的一些疑问，包括杂种败育胚囊的结构特点、类型、频率、发生机理和受精特点等；然后，结合研究杂种F1花粉育性和不同季节条件下的结实率表现等，以进一步弄清引起杂种育性降低的生殖原因及不同倍性杂种F1的异同，为克服杂种不育性和可能利用四倍体杂种的优势提供理论依据。主要研究结果如下： (1)成熟胚囊的结构与育性。利用本室建立的整体染色透明激光扫描共聚焦显微术(Whole-mountstainclearingConfocalLaserScanningMicroscopy，简称WCLSM，下同)对35份二倍体杂种及24份对应的四倍体杂种的成熟胚囊进行观察表明，两个倍性的杂种均存在不同程度的败育，败育类型包括：胚囊退化、卵器退化、雌性生殖单位退化、极核位置和数目异常、异常小胚囊(胚囊体积不到正常大小的1/3)等5种类型。在二倍体杂种中首次发现存在大量的胚囊未正常膨大(即大小约为正常胚囊的一半至3/4)的异常类型。不同倍性杂种间、同一倍性内的杂种间、不同季节间败育胚囊各种类型的频率都存在差异。就倍性而言，二倍体杂种败育胚囊的频率明显高于四倍体杂种的，前者败育胚囊的频率高达48.55％(杂种平均)，后者则为31.92％(平均)；二倍体杂种败育胚囊以胚囊退化(平均为15.20％)和胚囊未正常膨大(平均为13.21％)为主，四倍体杂种以雌性生殖单位退化(平均为13.34％)、胚囊退化(平均为6.16％)及卵器退化(平均为5.28％)为主。就同一倍性内不同杂种间而言，败育胚囊的频率高低主要受亲本基因型的影响，其中二倍体杂种以广陆矮-4号-2x为父本的组合，败育胚囊的频率最高(58.35％)，其次以PDER-2B-2x为父本的组合(50.81％)，以南海早银占-2x为父本的组合，败育胚囊的频率较低(40.72％)；以饶平扫帚-2x为父本的组合，败育胚囊的频率也较低(43.38％)，四倍体杂种以细川-4x为父本的组合败育胚囊频率较高(44.77％)，以大叶白-4x为父本的败育胚囊较低(20.33％)。就季节而言，二倍体杂种与四倍体杂种的败育胚囊的频率均是晚季高于早季，不同组合间败育胚囊的频率也受季节的影响，说明胚囊败育除遗传因素外，也受环境因素的影响。 由于以上发现的各种败育胚囊要么缺乏卵细胞，要么极核异常，所以从理论上讲，这些胚囊都难以正常受精，引起不孕。所以本研究将这些胚囊都归为不育胚囊，以相应的正常胚囊作为可育胚囊，计算胚囊的育性。通过统计分析，表明四倍体杂种的胚囊育性普遍高于二倍体杂种的，其中四倍体杂种平均胚囊育性为68.08％，育性最高的达88.44％；二倍体杂种平均胚囊育性为51.45％，最高的育性只有74.01％。说明杂种倍性提高有利改善胚囊育性。 (2)胚囊发育的特点。利用WCLSM分别对二倍体杂种(台中65-2x×广陆矮-4号-2x)与对应的四倍体杂种(台中65-4x×广陆矮-4号-4x)的胚囊发育过程进行观察发现，二倍体杂种与四倍体杂种胚囊发育过程与正常二倍体水稻的一致，属蓼型。二倍体杂种胚囊发育过程中存在比四倍体杂种明显高频率的异常发育。两个倍性杂种胚囊的异常发育均可能发生在不同的时期，但主要是发生在胚囊母细胞减数分裂后的各个时期，包括功能大孢子时期、单核胚囊发育期和八核胚囊发育期等。在功能大孢子时期和单核胚囊发育期等早期发生异常的，最后将导致胚囊退化；八核胚囊发育期异常主要产生卵器退化、雌性生殖单位退化、极核位置和数目异常等。由于两个倍性的杂种中“胚囊退化”频率都相对较高，所以早期的胚囊发育异常对胚囊育性的影响是重要的，而二倍体杂种中还存在高频率的胚囊未正常膨大，说明后期的胚囊发育异常对二倍体杂种的育性也很重要。 (3)双受精、胚胎发生及胚乳发育。通过WCLSM对二倍体杂种(台中65-2x×广陆矮-4号-2x)与对应的四倍体杂种(台中65-4x×广陆矮-4号-4x)观察，二倍体杂种和四倍体杂种受精的基本过程与正常二倍体水稻的相似，但两个不同倍性杂种都存在多种的异常类型，主要包括2类：第一类是上面提到的各种败育胚囊，它们无法正常受精；第二类是胚囊结构正常未能受精、单受精和受精停滞等。这些异常都将导致种子不实。进一步比较2个倍性杂种的差异，发现二倍体杂种胚囊第二类的异常明显低于四倍体杂种的，说明二倍体杂种胚囊只要结构正常和花粉量充足基本上都能正常受精。 二倍体杂种与四倍体杂种的胚胎发生和胚乳发育过程与二倍体亲本的相似，但杂种都出现不同程度的异常现象，包括无胚但胚乳正常、无胚伴随胚乳异常、胚和胚乳都缺乏等。二倍体杂种无胚、胚乳异常频率较高，四倍体杂种胚异常、胚乳异常频率较高。 (4)花粉育性与结实率：对35份二倍体杂种及30份对应的四倍体杂种的花粉育性研究结果表明：与四倍体杂种相比，二倍体杂种的裂药性和花粉育性都较差，自然条件下开花后落在柱头上萌发花粉粒数也较少。二倍体杂种的裂药性、花粉育性和柱头上萌发花粉粒数受亲本基因型的影响，其中以PDER-2B-2x作父本所组配的杂种最为明显，其裂药性和成熟花粉育性都很低、柱头上萌发的花粉粒数也很少，严重影响结实率。四倍体杂种的裂药性相对较好，多数杂种花粉育性正常、柱头上萌发的花粉粒数多，基本上对结实率不产生影响。说明倍性增加后，杂种的花粉育性、柱头上萌发的花粉粒数都有改善，有利提高正常受精的比率。 综合认为，二倍体典型籼粳亚种间杂种F1结实率低的主要生殖原因是胚囊严重败育，导致相当一部分胚囊无法正常受精发育成胚和胚乳，使小穗不孕；此外，杂种花粉育性低和裂药性差引起落在柱头上花粉量少，使一部分正常的胚囊也无法获得花粉进行受精，使小穗不孕加重。四倍体典型籼粳亚种间杂种F1胚囊育性明显较相应的二倍体杂种的高，此外，四倍体杂种的花粉育性也较二倍体杂种高，裂药性也基本正常，花粉对受精基本上没有影响。这也是四倍体杂种结实率比相应二倍体杂种高的原因。引起四倍体杂种结实率偏低的主要原因是杂种存在部分的败育胚囊。由此认为要利用四倍体籼粳杂种优势主要是考虑提高胚囊育性，但利用二倍体籼粳杂种优势则较为复杂，除考虑胚囊的育性外，还同时需要考虑提高花粉的育性。