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被子植物种子由双受精过程产生:花粉中的一个精子与卵细胞结合形成受精卵,将来发育为胚;另外一个精子与中央细胞的两个极核结合形成受精极核,将来发育为胚乳。胚中来自母本与父本基因组剂量比例为1m:1p(1 maternal genome to 1 paternal genome),胚乳中来自母本与父本的基因组剂量比例为2m:lp。当胚乳中2m:1p比例改变时,种子发育出现异常。目前,水稻中父母本基因组剂量改变影响种子发育的分子机制并不清楚。本研究以二倍体(2n=2x=24)水稻(OryzasativaL.susp.japonica cv.02428)及其同源四倍体(2n=4x=48)为亲本,配置倍性间杂交组合。二倍体作母本,四倍体作父本,配置父本基因组过量组合(2X4);四倍体作母本,二倍体作父本,配置母本基因组过量组合(4X2)。利用全基因组mRNA与sRNA高通量测序数据,分析水稻倍性间杂交种胚乳内基因与sRNA表达水平,探讨父母本基因组剂量不平衡影响水稻种子发育的分子机制。本文主要结果如下所述:1.水稻倍性间杂交扰乱了种子的正常发育进程。授粉后6天,倍性间杂交种体积小于亲本种子,母本基因组过量组合产生了最小的种子;授粉后9天、13天倍性间杂交种不能继续发育,最终败育。2.水稻胚乳中最丰富的sRNA是24-nt small interfering RNAs(siRNAs),达到总体sRNA的52.5-58.6%。来自蛋白编码基因的24-nt siRNAs在父本基因组过量组合中积累水平显著升高,母本基因组过量组合中24-nt siRNAs继承了两个亲本的表达水平。3.父母本基因组剂量不平衡诱导胚乳内大量基因非加性表达。倍性间杂交种内许多下调表达的基因与淀粉和贮藏蛋白合成等生物学途径密切相关。这些基因的下调表达会降低胚乳储藏物质含量,导致种子异常发育。而倍性间杂交种内许多胁迫应答基因上调表达,可能是对胚乳父母本基因组剂量不平衡的响应。4.印记基因在胚乳正常发育过程中发挥了重要作用,本研究分析了父母本基因组剂量不平衡对印记基因表达的影响。父本基因组过量与母本基因组过量杂交组合中分别有63-72%的母本印记基因与42-58%的父本印记基因非加性表达。此外,24-nt siRNAs与印记基因的表达水平负相关。24%非加性印记基因的侧翼序列有非加性24-nt siRNAs 分布。5.胚乳细胞化时间对种子正常发育非常重要,这一过程主要由多梳抑制复合体2(Polycomb Repressive Complex2,PRC2)介导。水稻倍性间杂交扰乱了部分PRC2基因的表达水平。此外,水稻中维持基因组CG与CHG(H=A,T或C)甲基化的关键基因OsMET1b与OsCMT3a在父本基因组过量组合中上调表达,而在母本基因组过量组合中下调表达。差异表达的PRC2基因或DNA甲基化基因可能引起了种子发育过程中胚乳细胞化时间的提前或延迟,从而导致倍性间杂交种异常发育。6.OsWOX2L(WUSCHEL homeobox2-like)基因在倍性间杂交组合内下调表达,并且在胚乳中高表达。本研究利用CRISPR/Cas9转基因技术编辑水稻中Os WOX2L基因,发现OsWOX2L基因功能缺失导致水稻结实率下降,大部分种子在灌浆阶段不能正常积累淀粉。综上所述,水稻倍性间杂交会扰乱胚乳中sRNA与基因的正常表达,导致种子异常发育;胚乳中维持2m:1p的基因组比例对于水稻或其他禾本科作物种子的正常发育是必要的。