水稻具有丰富的遗传资源,亚洲栽培稻分为籼稻和粳稻两个亚种,籼粳亚种间具有很强的杂种优势,但是亚种间的杂种不育却阻碍着这种杂种优势的利用。已克隆和定位的杂种不育基因尚不能完全解释籼粳杂种不育机制,如何完全克服亚种间杂种不育障碍,利用籼粳亚种间杂种优势,是绿色超级稻新品种培育中亟待解决的问题。生殖隔离是新物种形成的标志,杂种不育是生殖隔离的主要形式之一,如何理解新物种起源演化的分子机制,一直是生物学研究的基础内容。以水稻为模式研究亚种间杂种不育,在理论上和应用上都具有重要意义。围绕这一主题,本研究主要从以下三个方面展开:1.为了更全面解析籼粳亚种间杂种不育的遗传结构,我们选取了三个具有代表性的水稻品种材料:日本晴(粳稻)、珍汕97(籼稻)和明恢63(籼稻),构建了三个相应的F2群体。考察了胚囊、花粉和小穗育性三种杂种不育性状,通过RADseq(restriction-site associated DNA sequencing)方法进行了简化基因组测序,构建了超高密度遗传连锁图谱和物理图谱。在单位点水平,一共检测到了27个影响育性的QTLs,包括胚囊育性7个、花粉育性7个和小穗育性13个,其中10个为本研究新检测到的QTLs。利用卡方检验,Nip×ZS97、Nip×MH63和ZS97×MH63群体分别鉴定到7个、7个和2个偏分离位点,有一半以上的偏分离位点不会对育性造成显著影响。在两位点水平,三个群体中一共鉴定到了41对影响三种育性的互作位点。两位点上遗传因子不亲和性互作会导致其偏离孟德尔自由组合定律,表现为两位点偏分离。使用卡方检验,我们在三个群体一共鉴定到了192对此类型两位点遗传不亲和互作位点。详细比较发现,通过两位点基因型偏分离鉴定到的遗传不亲和性互作位点大部分并不能直接检测到对三种育性的互作效应。2.S5位点是第一个克隆的控制籼粳杂种胚囊育性的主效位点,我们以其为模型,详细的研究了杂种不育位点的起源、演化形成机制。通过序列比对,我们在水稻第5染色体鉴定到了三个相邻的基因为S5的同源基因,命名为Ospara3-5位点。共线性分析发现两个位点所在的染色体区域并不共线,同时两个位点上有多个Helitron转座子元件,侧翼序列也高度同源,由此推定可能是由Helitron转座子介导的转座而不是基因组复制事件,将第5号染色体的Ospara3–5复制到第6号染色体,产生了原始的S5位点。进一步,我们利用635份囊括了多个稻属种群的种质资源,通过PCR测序获得了ORF3-5三个基因的完整序列,单倍型分析发现ORF3+ORF4+ORF5+是最古老的单倍型,然后逐步突变产生籼稻主要单倍型ORF3+ORF4-ORF5+和粳稻类型的主要单倍型ORF3-ORF4+ORF5-。利用529份亚洲栽培稻全基因组遗传多样性和分子演化分析发现,籼稻单倍型主要受到水稻驯化中选择作用,粳稻单倍型受到的瓶颈效应,造成相应等位基因频率上升,进而建立了S5位点的生殖隔离系统。3.为了更好里的利用籼粳亚种间杂种优势,我们选取了21份具有代表性的水稻品种材料为亲本,构建了包含210个杂交组合的双列杂交群体,考察了相关农艺性状。全基因组高通量测序鉴定到了2621064个SNPs,我们用g BLUP模型,采用5-倍交叉验证策略,对210个杂交组合表型进了预测。粒长、粒宽、千粒重、单株分蘖数、每穗颖花数、株高和单株干重7个性状,平均预测准确性分别为0.946、0.956、0.784、0.819、0.824、0.405。基于此模型,我们用籼籼和粳粳亚种内杂交组合的产量值对籼粳亚种间的组合产量进行了预测。结合其他农艺性状表型,预测产量靠前的杂交组合对应的亲本,可以作为以后广亲和新品种培育中重点关注的基础材料。本研究首先在不同方面、不同层次,系统的剖析了亚种间杂种不育遗传结构,同时鉴定到转座子引起的基因复制事件和随后的自然选择和奠基者效应对生殖隔离基因起源演化的贡献,进一步将全基因组选择育种方法运用到亚种间杂交品种选育工作。这些研究成果可以为促进亚种间杂种优势的利用提供有益信息。