多倍化事件被认为对被子植物的进化与物种形成有着重要推动作用,许多证据表明几乎所有现存显花植物均为多倍体或在进化史上曾经历过多倍化事件。同时多倍体被认为对环境有着更广泛的适应性,因此在面临自然压力下有利于存活。本研究通过MassArray基因分型、焦磷酸测序和实时定量PCR等技术,以由两种水稻粳籼稻亚种日本晴与93-11合成的人工正反交四倍体99NN和NN99为研究对象,并利用相应F1代杂交种9N和N9用来对比多倍化与杂交对水稻的表型和基因型带来的不同影响以及多倍体水稻在低营养环境下的适应性表现。通过对所有材料进行包括株高,叶宽,种子长宽比等表型测量,我们发现与二倍体亲本和F1代杂交种相比,多倍体99NN与NN99在群体水平上呈现出种群内部的表型多样性。基于对水稻群体的52个基因位点的MassArray分型结果表明,与表型情况相似,多倍体水稻的部分同源基因比例无论是基因间还是在群体内部都存在巨大程度的变异,而F1代杂交种则表现出了高度一致性,单株与基因间等位基因相对表达大部分为1:1的均等表达。这种一致性主要由于日本晴与93-11两亲本间反式调控元件的分化所引起。对比由日本晴与93-11按照等分子浓度的机械混合(in virto“hybrid”),F1杂交种多数受测基因的等位基因相对表达模式继承自二倍体亲本中直系同源基因表达比例,而这种情况在多倍体群体中发生了巨大分化,只有不到50%的数据点继承了亲本原始基因表达模式,更多的数据点出现了偏离亲本的新颖表达比例。对比多倍体DNA与RNA的MassArray数据,结果表明多倍体快速分化的部分同源基因相对表达主要由于DNA拷贝数的变化所引起,这意味着多倍化事件所引起的染色体互作行为(例如部分同源染色体间的重组)是该多倍体材料单株间表现出基因表达多样性的主要原因。但是除此之外我们也发现了相当比例的一方亲本的部分同源基因的器官特异沉默,这其中包括基因特异沉默的发生总是偏向于一方亲本,这说明遗传与表观遗传调控在多倍体早期即使在没有自然筛选的环境下仍可以被快速建立。随机选取10个基因进行qRT-PCR分析,结果表明多倍体中基因总表达量的变化范围相较于部分同源基因相对表达变化程度有所下降。这种基因表达水平的“渠限化”现象可能由于日本晴与93-11间的部分同源基因分化程度有限,所以即使多倍体单株间的某些特定基因由具有不同比例的亲本亚基因组片段组成,也最终表现出了相近表达量。此外这种现象也可能涉及到基因平衡理论。在对所有水稻材料进行低氮胁迫后,我们发现多倍体中部分同源基因的相对表达在对照与胁迫环境下没有明显变化,意味着低氮胁迫没有令新合成水稻四倍体中亲本亚基因组在基因表达上的贡献发生改变。对两种条件下的基因总表达量进行比较,我们发现在胁迫条件下,F1杂交种个别基因表达明显高于亲本,并且对照胁迫两种条件下杂交种中多数基因表达变化并不显著;而对于多倍体,在对照环境下虽然大部分基因表达没有明显高于二倍体双亲,但胁迫后四倍体水稻中较二倍体亲本呈现出更多的非加性表达上调基因。鲜重表型数据显示,在低氮胁迫后所有材料的群体内单株间的变化范围均有下降,说明无论是哪种基因型,低营养胁迫都会限制水稻生长。但是与对照条件相比,二倍体亲本在胁迫条件下的鲜重下降程度显著高于多倍体材料鲜重的下降程度。对于四倍体NN99,其在胁迫条件下的下降程度与对照条件下甚至不具有明显统计学差异。这些结果表明与亲本相比新合成四倍体水稻对低氮胁迫具有不敏感性。综上所述,多倍化与杂交对水稻群体中的表型多样性和部分同源基因相对表达的模式会引起不同影响。杂交减少了亲本中同源基因表达水平上存在的固有差异,而相反,多倍化导致水稻群体内表型和亚基因组组成的快速分化。这些变化或为水稻多倍体带来了更强的变异潜力以及相比于亲本群体对环境更广泛的适应性。