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自然界中,多倍化现象存在于多种生物体中,在新物种形成和物种进化中具有重要的意义。对多倍体生物和多倍体化现象的研究,是非常有价值的,它不仅有利于研究多倍化在生物进化理论中的重要作用,对于动植物中的多倍体育种也具有重要的指导意义。在作者实验室以往多年的研究中,进行了雌性红鲫（Carassius auratus red var.）（2n=100）与雄性鲤（Cyprinus carpio）（2n=100）杂交,获得F3-F24的异源四倍体鱼（4n=200）。雄性和雌性四倍体个体都是可育的。然后,雄性四倍体与雌性二倍体红鲫倍间杂交获得不育的三倍体鱼。四倍体鲫鲤（AT）的精巢发育正常并且能稳定地产生正常的二倍体精子,而三倍体鱼的精巢虽然能正常的发育,但是不能产生正常的精子。雄性三倍体鲫鲤中生殖细胞能发育至圆形的精细胞阶段,然后退化。不育的三倍体鱼和可育的四倍体鱼群体的获得,为研究倍性的改变对鱼类育性的影响机制提供了不可多得的宝贵的材料。此外,人工两性可育四倍体品系在鱼类中是首次获得,并且可能是脊椎动物中的第一个,为我们研究杂交导致的多倍化现象也是非常有意义的。本论文主要利用转录组测序技术和蛋白质组学技术,分别进行了三种不同倍性鲤科鱼成熟精巢的全转录组分析和鲤鱼精子、四倍体鱼精子的全蛋白质组分析。利用不同倍性鱼成熟精巢的转录组,在筛选出不同倍性鱼精巢间差异表达基因的基础之上,我们进行了雄性三倍体鱼不育分子机制的探讨以及雄性四倍体鱼可育性机制的探讨。利用构建的鲤鱼精子和四倍体鱼精子全蛋白质图谱,分析了部分差异表达蛋白质,以此揭示雄性四倍体鱼繁殖特性的改变即二倍体精子产生的意义。1、三种不同倍性鲤科鱼成熟精巢转录组测序利用Illumina2000测序平台进行RNAseq测序,分别获得了二倍体、三倍体和四倍体鲤科鱼类精巢转录组中的53,332,260、51,228,856和53,421,604条clean reads。通过De novo拼接,最终有71,006、94,968和95,276条转录本分别在二倍体、三倍体和四倍体鱼精巢中表达。其中,在二、三和四倍体鱼精巢中分别有60,562（85.29%）,78,165（82.31%）和77,402（81.24%）条转录本被注释。在三个转录组中,从GO、COG和KEGG注释和富集结果显示:尽管不同倍性鱼精巢在表型上发生了变异,但是,精巢中表达转录本的范围是有限的和相似的,部分基因表达水平的差异才是引起表型变异的最主要的因素。2、三倍体鱼精巢中差异表达基因分析及不育性分子机制的探讨通过生物信息学分析,二倍体鱼与三倍体鱼精巢间有2,779条差异表达的转录本,四倍体鱼与三倍体鱼精巢间有1,591条差异表达的转录本。此外,与二倍体和四倍体鱼精巢同时相比,三倍体鱼精巢中450条转录本低表达,179条转录本高表达。GO功能分析表明,与二倍体、四倍体精巢相比,一部分与生殖、发育、细胞运动和轴丝相关基因在三倍体精巢中差异表达。KEGG分析表明,在蛋白质合成相关途径、氧化磷酸化途径和泛素介导的蛋白水解途径中部分基因差异表达对雄性三倍体鱼的不育性影响较大。此外,精子鞭毛装配和运动相关基因（DNAHs,DNALs,IFTs和DNAAFs）,精巢特异性候选标记基因（Tcte1、Tekt1、Tsga10和Spef1等）在三倍体鱼精巢低水平表达。通过对5个有代表性的差异基因（DNAH1,DNAH3,DNAH7,DNAH9l,和DNAH10）定量qPCR的验证,证实筛选的三倍体鱼精巢差异表达基因的可靠性。此外,与二倍体、四倍体鱼精巢相比,在三倍体精巢中有19个推测的转录因子、1个推测的染色质重塑因子和8个推测的转录辅因子差异表达。这项研究获得了三倍体雄性不育的靶生物学途径和靶基因,加深对雄性三倍体鱼不育分子机制的了解。3、四倍体、二倍体鱼精巢中差异基因分析及雄性四倍体鱼可育性机制的探讨通过生物信息学分析,相对于二倍体精巢,四倍体精巢有663条高表达和1449条低表达的转录本。在这些差异表达基因中,有部分基因富集到axoneme（GO:0005930）和axoneme part（GO:0044447）的分类中,表明这些差异基因与精子鞭毛形成相关;部分基因富集到reproduction（GO:0000003）、sexual reproduction（GO:0019953）、reproductive process（GO:0022414）、cell motion（GO:000692）、microtubule-based process（GO:0007017）、cell proliferation（GO:0008283）、actin filament-based process（GO:0030029）、microtubuleorganizingcenterattachmentsiteorganization（GO:0034994）、gamete generation（GO:0007276）、cell motility（GO:0048870）等分类中,表明这些差异基因与生殖生理和精子形成直接相关。此外,差异表达基因富集到了“氧化磷酸化”、“细胞周期”、“嘧啶代谢”、“mRNA监视途径”、“卵细胞减数分裂”和“黄酮体介导的卵细胞成熟”等代谢途径。不管是从单个基因,还是系统地从代谢通路着手,在四倍体精子发生过程中,一些参与精子发生的重要基因的表达水平发生了改变。差异基因的变异是直接还是间接导致了四倍体鱼生殖特性的改变,还需要做系统和深入的验证。4、二倍体精子DNA含量和运动能力的检测通过流式细胞仪的测定,得知雄性四倍体产生的二倍体配子的平均DNA含量是雄性鲤鱼产生单倍体配子DNA平均含量的两倍。对两种倍性精子的运动能力进行测量,不管是在低渗的双蒸水还是低渗的精子激活液中,二倍体精子的快速泳动时间和泳动寿命比单倍体精子都长。以此,验证了二倍体精子运动能力的变化。5、四倍体雄性配子与鲤雄性配子间蛋白质组学差异利用双向电泳技术和生物质谱技术,进行了二倍体和单倍体精子间蛋白质比较分析。结合二维电泳和LC-MS/MS,对其中表达量发生变化的21个蛋白点进行鉴定。鲤鱼和四倍体鱼是没有完全公布注释基因组的物种,我们通过Mascot索引斑马鱼NCBI蛋白质数据库,并且通过精巢转录组预测获得的同源蛋白质序列进行了进一步的验证。二十个差异蛋白质被成功鉴定,分为四类:细胞骨架蛋白,能量代谢相关蛋白,泛素-蛋白体系相关蛋白和其他功能的蛋白质,表明这些蛋白质表达水平的变化可能是导致二倍体精子形态和运动能力改变的因素。二倍体精子蛋白质组成的变化为雄性多倍体化研究提供新的支撑观点。当然,各类蛋白质的表达差异在二倍体精子中所起的作用,需要进一步的研究去确认。同时,在此项研究中,也验证了转录组数据对于缺乏参考蛋白质序列物种的蛋白质组学分析,是非常有价值的。综上所述,从转录组水平和蛋白质组水平对雄性三倍体和雄性四倍体的生殖机制进行了较系统地研究。转录本差异表达分析揭示了雄性三倍体鱼的不育的分子机制与精子形成过程中部分基因表达的紊乱是密切相关的。特别值得注意的是,精子鞭毛组装和鞭毛运动相关的基因和一些精巢特异性基因在三倍体精巢中表达下调,直接导致了精子形成过程中鞭毛的非正常形成。利用转录组学和蛋白质组学对雄性四倍体鱼生殖特性的改变进行了研究,特别是利用蛋白质组学对雄性四倍体鱼产生的二倍体配子的蛋白质组成进行了分析,结果表明:二倍体精子中高丰度的细胞骨架蛋白和能量代谢相关蛋白,低丰度的泛素蛋白酶相关蛋白质,可能是二倍体精子更长的运动时间的直接原因。