利用12个同源四倍体水稻品系为亲本，组配一套(4×12)不完全双列杂交组合，首先采用加性-显性模型对主要数量性状的遗传方差、杂种优势以及性状间的遗传相关性等遗传参数进行估算，以揭示同源四倍体水稻主要数量性状的遗传规律；然后从中选出结实率接近正常和结实率偏低的杂种F1各一个，采用整体染色透明激光扫描共聚焦显微术(WCLSM)、超薄切片技术、DIC技术和染色体压片等技术，进一步从原种和杂种的生殖特性和细胞遗传等方面进行深入研究，以探讨同源四倍体水稻杂种结实率偏低的细胞学机理。取得的主要结果如下： 1.同源四倍体水稻主要数量性状的遗传 同源四倍体水稻主要数量性状受加性效应、显性效应和基因×环境互作效应共同作用，表现较为复杂的遗传规律。多数性状表现出明显的杂种优势，特别是千粒重、单株总粒数、株高和穗长都具有稳定的正向杂种优势。在后代中对有效穗数、单株总粒数和结实率等产量性状进行选择能够取得一定的效果，但以中高世代选择效果较佳，其中以单株总粒数的选择效果为最好。 对同源四倍体水稻原种、杂种F1及定向选择后代的结实率分析表明，原种的结实率普遍偏低，早、晚季平均结实率分别为33.844％和41.741％，变化幅度分别为19.622％～58.071％和3.157％～59.531％。杂种F1早、晚季的平均结实率分别为55.795％和65.666％，变化幅度分别为10.379％～75.820％和15.230％～90.083％。两季平均结实率高于70％的杂种有9个；50％～70％的有28个；低于50％的有7个。其中广陆矮4号-4x×L202-4x、广陆矮4号-4x×Jackson-4x、广陆矮4号-4x×陆香97-4x、L202-4x×饶平扫帚-4x和L202-4x×大叶白-4x等杂种晚季的结实率均超过80％，接近正常的水平，显示出利用的潜力。以E24-4x为父本配制的2个爪粳型杂种的结实率极低，2季平均结实率分别为12.805％和23.875％。对杂种广陆矮4号-4x×L202-4x的后代从F2至F6按结实率高和低2个极端类型进行定向选择，发现高结实率单株的后代出现高结实率株的频率随世代增加而有所提高，上下代结实率呈显著的正向相关关系，说明在同源四倍体水稻后代群体中对结实率进行定向选择具有一定的效果。 2.同源四倍体水稻生殖过程的细胞学研究。主要包括原种和杂种成熟花粉育性和胚囊育性以及小孢子发生和发育的细胞学变化等。 (1)同源四倍体水稻原种和杂种F1成熟花粉育性和胚囊育性 同源四倍体水稻原种成熟花粉育性普遍较高(77.06％～96.405％)，平均花粉育性为89.148％。杂种F1平均花粉育性为82.607％。除了以E24-4x为父本的2个爪粳型杂种L202-4x×E24-4x和Jackson-4x×E24-4x的花粉育性较低外，其余杂种的花粉育性均在65％以上，其中3/4以上的杂种均达到75％以上的可育率。L202-4x×E24-4x和Jackson-4x×E24-4x的花粉育性分别只有29.439％和37.99％，花粉败育类型主要为典败和圆败；2个杂种的裂药性也明显低于原种和其他的杂种，导致落在柱头上的花粉量明显减少，严重影响进一步的受精。 WCLSM观察表明，同源四倍体水稻胚囊属蓼型，除正常结构的胚囊外，原种和杂种都存在不同程度的异常结构胚囊，包括胚囊退化、雌性生殖单位退化、卵器退化、极核数目和位置异常、小胚囊等类型，这些异常结构胚囊由于缺乏受精所必需的结构而无法正常受精，表现为不育。低结实率杂种L202-4x×E24-4x2005年早季的胚囊败育频率达65.734％，严重影响结实率。 (2)同源四倍体水稻小孢子母细胞减数分裂期间的染色体行为 小孢子母细胞减数分裂期间染色体行为观察结果表明，同源四倍体水稻原种、杂种F1和定向选择的杂种后代减数分裂终变期的四价体数目存在显著差异，其中原种的四价体数目最多，终变期染色体平均构型为： 2n=4x=(7.475±0.248)Ⅳ+(O.051±0.029)Ⅲ+(8.932±0.497)Ⅱ+(0.085±0.056)Ⅰ。高结实率杂种F1的四价体数目相对较少，终变期染色体平均构型为： 2n=4x=(5.357±0.239)Ⅳ+(13.238±0.493)Ⅱ。低结实率杂种F1后代的数目变化幅度大，表现不稳定，且较高的细胞还形成多个单价体或三价体，终变期染色体平均构型为： 2n=4x=(6.222±0.344)Ⅳ+(0.167±0.087)Ⅲ+(11.056±0.715)Ⅱ+(O.796±0.176)Ⅰ。原种和杂种减数分裂终变期以后的过程均出现不同类型的异常现象，其中，原种和高结实率杂种的异常频率较低，低结实率杂种的异常频率较高。这些异常主要表现为：中期Ⅰ和中期Ⅱ出现染色体拖曳及中期Ⅱ纺缍体方向异常；后期Ⅰ出现落后染色体和染色体桥；末期Ⅰ和末期Ⅱ形成微核、染色体不均等分配和分裂不同步等。其中中期Ⅰ染色体拖曳的频率与原种、杂种间的结实率存在一定正相关性，表现为原种和低结实率杂种F1在中期Ⅰ都出现较高频率的染色体拖曳现象，相反，高结实率杂种F1出现的频率则较低，暗示减数分裂染色体行为异常可能是造成低结实率杂种F1花粉败育的原因之一。 小孢子母细胞减数分裂前和期间超微结构观察发现，低结实率杂种(L202-4x×E24-4x)超微结构的异常主要发生在小孢子母细胞减数分裂前和前期Ⅰ期间，此期间的小孢子母细胞主要表现为核明显异常和胞质为主异常两种情况。其中，核异常的主要特征是核膜降解、形成复合膜状结构或产生核液泡，核质糜散，核仁萎缩，呈现出细胞凋亡的特征，这类小孢子母细胞很快就停止发育并降解。胞质为主异常主要表现为小孢子母细胞液泡化，当小孢子母细胞液泡化程度较轻时，细胞器结构正常但分布不均匀，引起减数分裂时细胞质的不均等分裂，形成不对称的二分体或四分体；当小孢子母细胞液泡化程度较重时，细胞内产生大量的液泡，细胞质稀薄，细胞器退化，最终导致小孢子母细胞退化：并发现少量细胞的胞质和核同时出现异常。超微结构研究的结果初步说明，低结实率杂种也可能存在杂种不育基因的互作，导致花粉育性降低。 (3)同源四倍体水稻花粉发育的特点 同源四倍体水稻花粉发育过程与二倍体水稻基本一致。同源四倍体水稻原种和杂种花粉发育过程中均存在一些异常现象，其中低结实率杂种(L202-4x×E24-4x)的异常频率明显比其他材料高，前者的异常主要包括小孢子或花粉出现多萌发孔、异常液泡化、发育不同步和细胞畸形等。 综合认为，同源四倍体水稻主要数量性状受加性效应、显性效应和基因×环境互作效应共同作用，表现较为复杂的遗传规律。同源四倍体水稻杂种具有比原种明显的生物学优势，主要表现在：千粒重提高，单株总粒数和穗长增加、植株变高。与同源四倍体水稻原种相比较，杂种的结实率有较大幅度的提高，有些杂种的结实率已接近正常二倍水稻的水平；以广陆矮4号-4x、Jackson-4x、L202-4x和96025-4x为亲本组配杂种有望获得较高结实率的杂种。杂种结实率偏低的主要细胞学原因是杂种花粉育性和胚囊育性下降、裂药性差等。低结实率杂种小孢子母细胞在减数分裂前和期间出现的各种异常，包括超微结构异常和染色体行为异常等的频率明显高于高结实率的杂种，由此推测引起同源四倍体水稻杂种育性偏低的原因可能有多方面，包括杂种不育基因互作、染色体配对和分离异常和加倍后基因表达异常等。