持续的人口增长、日趋减少的资源和不断变化的气候环境,使得当今社会面临着解决粮食和能源匮乏的难题。幸运的是,对杂种优势的利用,即杂交作物的涌现,在过去几十年间,为提高全球粮食和作物产量做出了巨大贡献。然而,现有的优秀杂交作物似乎还不足以满足人们未来对粮食和能源的需求,选育出新的卓越的杂交组合在保障粮食安全的问题上,显得尤为重要且迫切。现有的育种计划,由于杂交试验和杂交后代表型选育过程较为耗时费力,往往需要大量的时间和精力方能获得为数不多的优良组合。为了更加有效的实现育种计划的目标,育种家从双亲表型、基于不同类型分子标记的双亲遗传距离等各个角度,尝试对F1杂交后代的表型或杂种优势进行预测,得到的结果通常都会存在预测能力偏低或者运用范围有限的缺点。为了寻找到合适的预测途径,本研究以水稻,即地球上每天超过半数人的主食,为试验对象,挑选了分别来源于籼稻和粳稻的常规种为亲本,进行完全双列杂交。分别依据InDel标记评价的亲本遗传距离和亲本代谢谱数据,对F1杂交后代的表现进行了预测。最终,基于InDel标记对单株产量的预测结果表明,当双亲之间的遗传差异指数为0.37时,F1杂交后代既可以避免亚种之间的生殖隔离,又可以利用到亚种之间的杂种优势。随后,结合双亲代谢组数据和偏最小二乘法回归对单株产量、株高和抽穗期进行预测时,均得到了较高的预测能力(r>0.8)。同时,上述两种方法在籼籼交、粳粳交、籼粳交群体或者不同细胞质的正反交群体中,都能为F1杂交后代的表型或者杂种优势提供可靠的预测。从而可为筛选有潜力的优秀杂交水稻组合提供合适的策略,为水稻产量的提高和促进育种业的发展做出贡献。尽管对杂种优势的利用甚为普遍且意义重大,杂种优势产生的机理目前依然模糊。经典的假说包括显性、超显性、上位性等在阐明特定遗传背景下某些表型的杂种优势存在其合理性,然而目前却无法全面的解释不同类型的杂种优势现象。本研究从表型和代谢组两个层次,分别对多个营养性状和生殖性状杂种优势的产生机理进行了剖析。对测交群体的不同表型分析发现,复合性状的杂种优势是在加性效应的基础上,经由分层次的成分性状之间的乘法互作产生,而元性状和相关成分性状之间新的平衡为杂交后代在复合性状中实现理想程度的杂种优势提供了契机。当从代谢组水平进行研究时,一系列的代谢子被鉴定出与不同类别性状的杂种优势相关,代谢组加性效应和亲本起源效应被证明贡献于不同性状的高亲杂种优势。此外,成分性状相关代谢子通过加性积累作用于成分性状的杂种优势,而复合性状的杂种优势则通过成分性状杂种优势相关代谢子的乘法整合实现。将研究重点集中在成分性状,而非复合性状,不同阶段杂种优势的动态变化,以及将成分性状杂种优势相关代谢子视为多分子复合体的亚单元,对进一步揭示杂种优势这一神秘现象的形成机理,可能会得到更丰富和具有普遍意义的结论。