水稻作为世界上的主要粮食作物之一,在粮食安全中具有特殊的重要性。随着世界人口的不断增加,水稻产量的提高愈发为科研工作者,特别是水稻育种家们所关注。近些年来,由于一些高产水稻品种的大面积推广和应用,使得水稻遗传基础变得越来越狭窄,有利基因在育种过程中丢失,从而使得当前的水稻产量徘徊不前。亚洲栽培稻(Oryza sativa)的野生及近缘种中存在有丰富的遗传变异,通过利用这些亚洲近缘种与当前主栽品种的种间杂交,引进远缘种的有利基因,从而对现有的推广品种进行遗传改良,创造出新的种质资源,是突破水稻产量瓶颈的有效方法。而非洲栽培稻中具有许多亚洲栽培稻所急需的优良基因,如果能将这些优良基因引入到亚洲栽培稻中,将会对水稻育种产生重大的影响。但是,非洲栽培稻与亚洲栽培稻杂交后代常常出现严重的杂种不育,从而导致非洲栽培稻中有利基因难以在亚种栽培稻中直接利用。因此,迫切需要深入解析水稻种间杂种不育的分子机理,为种间杂种优势利用提供理论基础。本研究以粳稻品种滇粳优1号(DJY1)为轮回亲本,非洲栽培稻IRGC102375为供体亲本,构建了一个近等基因系(NIL),发现DJY1与NIL杂种F1败育(同时表现为花粉半不育和小穗半不育)受一对杂合基因座位控制,根据现已报道的不育基因,暂将这个不育基因位点命名为S37,本研究详细阐明了杂种F1花粉败育和胚囊败育的细胞学机理,并且对S37进行精细定位,比较了非洲栽培稻与亚洲栽培稻S37位点基因组序列的差异,为进一步的S37基因图位克隆,并最终阐明水稻栽培稻种间杂种不育的分子机理奠定了坚实的基础。本论文的主要研究结果如下:1.粳稻滇粳优1号与NIL杂交F1同时表现为花粉半不育和小穗半不育。细胞学观察显示:杂种F1花粉的败育类型为染败,败育时期为二核花粉晚期,败育的原因主要是小孢子在第二次有丝分裂后期出现异常,从而导致生殖核的败育。对花药半薄切片观察显示:杂种F1花药能够正常发育,花药内壁的绒毡层也能够正常形成和降解,花粉育性的降低与绒毡层无关。对亲本和杂种F1成熟胚囊进行激光共聚焦扫描观察显示:杂种F1胚囊出现不同程度的败育,败育的类型主要是胚囊不分化和空胚囊。随后利用石蜡切片方法对杂种F1胚嚢发育过程进行连续切片,实验结果表明F1胚囊的败育时期为功能大孢子第二次有丝分裂时期,此时期F1不能形成正常的四核胚囊,从而无法进行下一步发育。苯胺蓝染色观察发现亲本的柱头有大量花粉粒附着,并有花粉管伸入到花柱中;杂种F1柱头上花粉粒的附着较亲本稍少,花粉管能正常伸入花柱中。辅助授粉实验表明,对亲本DJY1授以杂种F1的花粉能够使DJY1的结实率达到正常水平;而对杂种F1授以亲本DJY1的花粉,F1的结实率只有41.6±3.5%。综合以上结果表明,杂种F,结实率的降低主要是由于胚囊的部分败育造成的,杂种F1花粉育性的降低对小穗结实率影响并不大。2.F2群体中出现严重的偏分离现象,半不育的植株明显偏少。为了研究雌雄配子后代传递效率,配制4个BC1F1群体,结合与S37位点紧密连锁的分子标记数据及表型数据,发现携带S37j(j:粳稻)的雌雄配子后代传递效率都极低。3.连锁分析将S37初步定位于第1染色体分子标记RM140和B1-5间的20.6cM遗传区间内,该区间包含第1染色体的着丝粒。随后,利用包含有25600个单株的F2群体(DJY1×NIL-S37)对S37位点进行了精细定位,最终将S37基因精细定位于InDel标记A16和S1之间,两标记在日本晴基因组序列间的物理距离为205kb,而在非洲栽培稻基因组序列间的物理距离只有108kb,非洲栽培稻比亚洲栽培稻缺失了97kb的序列片段。4.DJY1为典型的粳稻品种,与测序的日本晴基因组序列非常相似,对包含S37位点的205kb区域内的基因组序列进行基因预测分析,在这个区域内存在54个ORFs;而由于NIL-537相对于DJY1存在97kb片段的缺失,所以近等基因系NIL-S37预测只有29个ORFs。DJY1和非洲栽培稻序列间差异较大,亲本间的ORFs大多数都没有相同的结构和功能,除了DJY1定位区域内的ORF53和ORF54,对应于NIL-S37定位区域内的ORF28和ORF29,这两对基因可能为S37位点的候选基因。5.分离群体中与S37紧密连锁的分子标记A16到标记S4之间的重组率急剧下降,表明亚洲栽培稻和非洲栽培稻间的序列差异可能抑制了正常的重组事件。通过序列比对,发现DJY1的205kb序列和NIL-S37的108kb序列存在显著差异,在NIL-S37上存在三个分布在不同位置片段的缺失。利用S37位点附近DJY1序列设计的引物对21个非洲栽培稻品种和42个亚洲栽培稻品种进行进化分析,反应了非洲栽培稻和亚洲栽培稻是独立驯化的。