基因组的多倍化是物种形成与进化的重要推动力。据估计75%以上的被子植物均为多倍体,包括许多重要的农作物,如甘蓝型油菜、小麦、棉花、土豆等。人工合成的多倍体及其衍生的非整倍体是遗传及育种研究的重要材料。白菜（Brassica rapa,AA,2n=20）和甘蓝（Brassica oleracea,CC,2n=18）是中国乃至全球最重要的蔬菜和油料作物之一,具有非常近的亲缘关系。但目前为止,尚没有关于白菜与甘蓝同源四倍体的创建、表型、细胞学及基因表达的系统研究。本研究中,我们对获得的白菜和甘蓝的同源四倍体进行了组织与器官的形态与尺寸、减数分裂特征以及角果皮基因表达分析。此外,我们还创建了四个白菜三体,并分析了其染色体组成、遗传行为及形态学特征。1.同源多倍化对白菜和甘蓝形态、细胞学特征及基因表达的不同影响细胞学观察发现白菜与甘蓝同源四倍体具有预期的40及36条染色体。减数分裂终变期同源四倍体白菜每个花粉母细胞平均具有11.77±2.85个二价体;同源四倍体甘蓝花粉母细胞平均具有5.36±2.291个二价体。减数分裂后期I同源四倍体白菜的染色体分离以20:20,19:21和18:22为主,其中20:20出现频率最高;甘蓝同源四倍体染色体以18:18,19:17和20:16三种分离比为主,其中以17:19的比例出现频率最高。这些结果说明白菜同源四倍体比甘蓝同源四倍体更稳定。与二倍体相比,白菜同源四倍体植株株高、茎秆直径、叶片、花、角果、种子等组织器官比二倍体明显增大、增粗或者增长,但是每角果粒数减少,千粒重增加。另外,四倍体白菜叶片表皮的气孔细胞及花粉粒也比二倍体明显增大,说明白菜同源四倍体组织器官增大及增粗可能是细胞体积增大所导致。与白菜不同,甘蓝同源四倍体甘蓝与二倍体相比除种子外,其他组织或者器官变化较小。这些结果说明,尽管两个物种的亲缘关系近,但是同源多倍体化对二者表型的影响存在差异,表现出物种特异性及组织特异性。利用授粉三周后处于同一发育阶段的角果RNA进行转录组分析发现,与二倍体相比,同源四倍体白菜中共鉴定到2085个差异表达基因,其中上调1200个,下调表达885个,上调表达基因数显著多于下调表达基因数。而同源四倍体甘蓝与二倍体相比只鉴定到241个差异表达基因,其中下调表达146个,上调表达95个,下调表达基因数显著多于上调表达基因数。基因功能富集分析发现,同源四倍体白菜中上调表达的基因主要参与了细胞壁生物合成、糖代谢等生物学过程。在上调表达最为显著的10个基因中,有5个基因均与细胞壁合成有关,包括CESA8,CESA4,EXPANSIN A5,GUT1以及ATFLA1,这可能与同源四倍体白菜具有增加的细胞体积,增大的组织与器官密切相关。在同源四倍体甘蓝中,上调表达基因并未富集到任何特定的代谢途径或者生物学过程。有趣的是,有两个FLOWERING LOCUS T（FT）基因在四倍体角果皮中显著下调表达,结合已有研究结果,我们认为其可能与角果的表型变化密切相关。重测序分析发现白菜与甘蓝基因组的杂合度分别为0.32%与0.74%,相应的在两个基因组中分别鉴定获得1.45%及2.238的SNP,说明甘蓝基因组的杂合度约为白菜的2倍。差异表达基因及SNP在染色体上的分布分析表明,二者之间无显著关联,说明基因组杂合度可能并非是二者多倍化后效应不同的原因。2.白菜三体创建、表型及细胞遗传学分析将二倍体与四倍体白菜杂交获得三倍体,再以三倍体作母本与二倍体杂交并不断回交,通过染色体计数及重测序分析,共鉴定到四个三体植株,分别带有额外的A4,A5,A7以及A9染色体。这些三体植株之间,三体植株与二倍体植株之间存在显著的表型差别。杂交分析表明,三体染色体通过雌配子传递的到下一代的频率显著高于通过雄配子的传递频率。三体植株每角果粒数只有正常植株的5-10%,而且只有41.67-50%成熟种子可以正常萌发。细胞学观察表明,三体植株减数分裂终变期,三体染色体在90%的花粉母细胞中为单价体状态,在10%的花粉母细胞中与另外两条同源染色体形成三价体（<10%）。总之,本研究揭示了同源四倍体化后白菜与甘蓝在表型、细胞学及基因表达上的不同变化,这些变化具有物种特异性及组织器官的特异性;研究指出基因组杂合度的差异并非是导致上述不同变化的原因;研究还创建了四个白菜三体,为芸薹属非整倍体的遗传与表观遗传研究奠定了材料基础。