种间杂交及多倍化是植物育种和物种多样性的主要推动力。花粉发育是植物发育的关键步骤,也是成功育种的重要环节。植物有性繁殖的先决条件是形成可育花粉粒,然而调控花粉育性的潜在机制尚不清楚。因此,研究异源二倍体和异源四倍体花粉发育的遗传变化,有助于我们进一步认识异源多倍化在植物雄配子体发育过程中对花粉育性的调控作用。芸薹属作物与模式植物拟南芥的亲缘关系最近,是研究植物多倍化的模式系统。本研究对人工合成异源二倍体埃塞俄比亚芥和染色体加倍后遗传背景相同的异源四倍体埃塞俄比亚芥的花粉发育过程进行细胞学和转录组学分析,以揭示异源多倍化调控育性的分子和细胞遗传学机制。主要研究结果如下:1.首先以黑芥（Brassica nigra）为父本、芥蓝（Brassica oleracea）为母本进行杂交和胚挽救获得异源二倍体埃塞俄比亚芥,再用秋水仙素处理使其染色体加倍获得异源四倍体埃塞俄比亚芥（Brassica carinata）。异源二倍体埃塞俄比亚芥花的大小,叶片厚度与颜色均为亲本的中间型。与异源二倍体埃塞俄比亚芥相比,异源四倍体埃塞俄比亚芥的花和叶片以及叶片上的气孔密度都比较大,花朵颜色相似,为淡黄色,更偏向于母本芥蓝。虽然两个倍性植株的花药都开裂并散出丰富的花粉粒,但异源二倍体埃塞俄比亚芥花粉大多体积小,活力极低,而异源四倍体埃塞俄比亚芥花粉粒形态正常,可染率升高。2.花药石蜡切片的结果显示,异源二倍体和异源四倍体埃塞俄比亚芥的绒毡层均正常的发育和降解,可为花粉发育正常提供营养物质。异源二倍体埃塞俄比亚芥在四分体时期出现可变孢子,大多数花粉发育停滞在小孢子时期,遗传物质丢失且体积不再增大。而异源四倍体埃塞俄比亚芥在四分体时期形成四个对称的小孢子,小孢子经过两次有丝分裂形成成熟的三细胞花粉。3.减数分裂时期染色体行为观察发现,异源二倍体埃塞俄比亚芥染色体的部分联会引发低频二价体形成,进一步导致染色体分离紊乱。而异源四倍体埃塞俄比亚芥中同源染色体稳定配对并完全联会,有助于进行经典的减数分裂。减数分裂过程的细胞骨架动态变化表明,异源二倍体埃塞俄比亚芥中出现了线状微管,或微管严重缺失,而异源四倍体埃塞俄比亚芥中可形成稳定的纺锤体结构,确保染色体的正常分离。4.对雄配子体的形成和发育两个阶段进行转录组分析表明,异源四倍体埃塞俄比亚芥中与DNA重组修复基因RAD51、DMC1、SPO11-2和泛素介导蛋白水解基因UBC9、CDC53上调推进减数分裂细胞周期顺利进行。花粉发育基因PIRL1、PIRL9、DUO1以及苯丙烷生物合成基因CCo AOMT、COMT、CAD可促进成熟花粉粒的形成。特别是细胞周期基因CDKA1、CDKB1;1、CDKB2;1和细胞骨架相关基因TUA2、ACT1、ACT3在两个阶段均上调表达,这对花粉育性有正向调控作用。综上所述,本研究为异源多倍化调控雄配子育性升高的分子细胞遗传学机制提供了理论基础,对作物改良和物种多样性研究具有重要意义。