同源四倍体水稻（autotetraploid rice）是二倍体水稻经过染色体加倍形成的新种质。同源四倍体水稻亚种间杂种F1具有强大的生物学优势，蕴含着巨大的增产潜力，可望成为未来水稻育种的新途径。然而，其杂种F1普遍存在育性偏低，产量优势难以发挥，在农业生产上难以直接应用。所以，如何创制育性正常且能克服杂种F1不育性的新材料是利用其优势的关键。为了攻克此难题，我室稻种资源课题组刘向东研究团队组经过20多年努力，成功地培育出新型四倍体水稻（neo-tetraploid rice）。该水稻不但本身育性高，且能克服同源四倍体水稻的低育性，也就是说，利用新型四倍体水稻与低育性的同源四倍体水稻杂交可以获得育性正常的杂种F1，使同源四倍体水稻产量优势得以发挥。该课题组培育的“华多1号”和“华多2号”2份新型四倍体水稻于2016年获得国家植物新品种权。据了解，目前国内外还未见有其他四倍体水稻获得国家植物新品种权的报道。
近日，该课题组利用新型四倍体水稻华多3号为材料进行系统深入研究，以“Transcriptome analysis of Neo-tetraploid rice reveals specific differential gene expressions associated with fertility and heterosis”（http://www.nature.com/articles/srep40139）为题，在Nature的子刊“科学报告”上首次报道新型四倍体水稻的选育过程、杂种优势表现，以及杂种高育性和优势表现可能涉及的分子遗传机理。该研究一是利用新型四倍体水稻华多3号与不同类型的同源四倍体水稻杂交组配大量的杂种F1，研究发现该水稻不但可以较好地克服杂种一代的不育性，而且所组配的杂种F1具有明显的产量优势，显示出广阔的利用前景。二是利用代表性杂种F1通过转录组等研究，发现新型四倍体水稻杂种优势所涉及的分子遗传机理十分复杂。研究结果在其F1分别检测到807、663 和866 个花药、子房和叶片特异的表达基因，三者共计1224 个基因表现非加性表达；44个和10 个分别被注释为TFs和甲基化转移酶基因；基因富集和共表达分析显示与花药、子房和叶片特异表达的基因通路，以及涉及育性、抗性和表观遗传因子；42 个减数分裂时期特异和8个减数分裂相关基因，以及38 miRNAs 其靶基因都可能是花粉高育性的决定基因。研究结果为进一步弄清新型四倍体水稻杂种优势的分子机理奠定了重要的理论基础。
据悉，该研究团队之前在同源四倍体水稻杂种不育性研究上也取得突破，发现杂种花粉不育基因多座位互作在多倍性的遗传背景下具有类似“上位性”的加强效应。多座位互作使减数分裂期间重要基因显著下调，使花粉母细胞减数分裂出现明显的异常，进一步引起小孢子发育的异常，最终使杂种花粉高度不育。研究结果先后发表在Plant Physiology和Journal of Experimental Botany等国际知名刊物上。
上述研究先后得到国家自然科学基金（4项）、教育部“高等学校优秀青年教师教学科研奖励计划”和广东省科技计划等项目，以及国家重点实验室创新性团队课题的资助。
