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多倍体（四倍体）水稻具有的强大的生物学和高产潜力,可能成为水稻育种的一种方法。然而,多数同源四倍体水稻育性偏低,成为商业化的主要障碍。为了解决这个问题,本室经过20多年的不懈努力,成功地培育结实率高（＞80%）的新型四倍体水稻品系。这些新品系与同源四倍体水稻杂交产生杂种F1,结实率可增加至90%,具有明显的杂种优势和应用潜力。为了评价其杂种优势及研究其分子遗传机理,本研究利用新四倍体水稻华多3号与不同类型的同源四倍体水稻品系杂交组配杂种F1,开展以下研究:一是调查杂种F1主要农艺性状,统计分析杂种优势的表现;二是利用其中一个代表性杂种F1开展转录组测序分析,研究杂种优势涉及的分子遗传机理;三是对代表性杂种F1双亲,特别是其中的低育性同源四倍体水稻华粳籼74-4x（T452）减数分裂期间的染色体行为进行研究;四是通过二代高通量测序对T452进行重测序,研究全基因组DNA序列变异,并与高育性的新四倍体水稻华多3号进行比较分析双亲的差异,及其对杂种优势的贡献。获得主要研究结果如下:（1）新四倍体水稻具有明显的杂种优势,其中以实粒数、结实率和单株粒重为最明显通过对华多3号与不同类型同源四倍体水稻杂交组配的33个杂种F1主要农艺性状调查统计发现,所有杂交F1的穗数、实粒数、总粒数、结实率和单株粒重等产量性状的平均值比亲本都显著或极显著增加,其中以实粒数、总粒数、结实率和单株粒重为最明显,单株实粒数平均值在266-1295粒之间,总粒数介于385-1372粒之间,结实率在87-56%之间,单株粒重在41.65-9.95g之间,都比亲本有大幅提高。株高、穗数、实粒数、总粒数、单株粒重、十粒长等6个性状的超亲优势平均值为正值,以穗数的超亲优势最大,其他依次为总粒数＞实粒数＞单株粒重＞株高＞十粒长。中亲优势除十粒宽为负值外,其他七个性状的均为正值,依次为实粒数＞单株粒重＞总粒数＞穗数＞结实率＞株高＞十粒长。（2）新四倍体水稻杂种优势遗传机理复杂,涉及许多重要基因的差异表达或非加性表达通过对新型四倍体水稻与同源四倍体水稻杂交F1的转录组分析,分别在减数分裂期花药和子房、抽穗期剑叶中检测到807、663和866个杂种F1特异的差异表达基因（DEGFu-sp）,其中分别有314、578和332（共计1224）个基因表现非加性表达,占比分别为0.09%、1.61%和1.5%（共计3.2%）;16、10和18（共计44）个基因被注释为TFs和甲基化转移酶基因。另外,在花药的特异表达基因中,15个基因与其他46个基因存在共表达现象;子房中26个基因与其他79个基因存在共表达;剑叶19个基因与其他20个基因存在共表达。在花药特异表达的807个基因中,检测到42个减数分裂时期特异和8个减数分裂相关基因,以及38个mi RNAs特异表达。38个mi RNAs靶基因的预测功能与花粉育性有关。基因富集分析共检测到19个显著差异的通路,主要包括光合作用、代谢过程调节、生物合成过程调节和转录调节等,其中13个基因与低亲比较,表达高表达。在子房特异表达的663个基因中,基因富集分析共检测到13个显著差异的通路,主要包括代谢过程、生物合成过程和对生物过程类别中刺激的反应以及微管相关复合物等,其中微管相关复合物可能与胚囊育性有关。在剑叶特异表达的866个基因中,基因富集分析共检测到32个显著差异的通路,主要包括转运、定位和小分子代谢过程等,其中5个基因高表达,分别是醛脱氢酶（LOC＿OS02G43280）、氨基转移酶（LOC＿OS03G7570）、细胞色素P450（LOC＿OS03G12660）、GHMP激酶ATP结合蛋白（LOC＿OS06G48940）和钼因子生物合成蛋白（LOC＿Os12g32230）。（3）新四倍体水稻杂种F1双亲中低育性亲本T452减数分裂期间染色体行为出现多种异常现象,而高育性亲本H3异常率却明显低对杂种F1双亲减数分裂期间染色体行为研究发现,高育性亲本H3虽然出现四价体,但二价体百分率高,异常率明显低于T452。T452花粉母细胞减数分裂过程中异常主要表现在染色体拖曳、落后、纺锤体异常、分离不同步以及细胞不均等分裂等。T452大多数配对成为四价体和二价体,但同时也出现单价体和三价体。T452终变期染色体构型为:（0.89±1.31）Ⅰ+（8.60±4.44）Ⅱ+（0.25±0.60）Ⅲ﹢（7.24±2.25）Ⅳ;中期Ⅰ染色体构型为:（1.23±1.46）Ⅰ+（12.67±4.50）Ⅱ﹢（0.50±0.87）Ⅲ﹢（4.99±0.50）Ⅳ。（4）新四倍体水稻杂种F1双亲全基因组出现丰富的DNA变异,成为其杂种优势形成的基础DNA重测序结果显示T452和H3的基因组序列存在巨大差异。在T452和H3中分别检测到1192412和374460个SNPs,合计2351039个;248194和84196个InDels,合计499448个InDel。双亲SNPs和InDel的多态率分别为66.77%和69.97%,其中65%的SNPs和72%的InDel位于基因区;47.67%的SNPs和53.37%的InDel位于差异表达基因的上下游调节区;4.86%的SNPs和2.16%InDel位于编码区。综上,新型四倍体水稻不但可以较好地克服杂种一代的不育性,而且所组配的杂种F1具有明显的产量优势,显示出广阔的利用前景。新型四倍体水稻杂种优势所涉及的分子遗传机理十分复杂,涉及一系列非加基因的表达,包括与性相关基因和表观遗传基因等。研究结果为进一步弄清新型四倍体水稻杂种优势的分子机理奠定了重要的理论基础。