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杂种优势(Heterosis)是生物界普遍存在的现象，已在作物育种中广泛应用，加强杂种优势机理的研究对进一步提高作物产量具有重要意义。本研究对超级杂交稻F1及其亲本进行了转录组学与生物信息学研究，旨在基因组学水平、基因调控网络水平发现其变化规律，为探讨杂种优势机理，利用杂种优势理论育种提供有价值的信息。
本研究对三个超级杂交稻组合，两优2163(SE21S×Minghui63)、两优2186(SE21S×Minghui86)、两优培九(PA64S×93-11)两个时期(灌浆期与开花期叶片)的芯片转录组数据进行了进一步的分析。结果表明，杂交稻F1-亲本间差异表达基因(DGHP)数分别为1，193，1,630和1,046个；其中136个属于三组合共有，占各组合DGHP的11.4％，8.3％和13.0％。三个组合中的DGHP主要集中在能量代谢、碳水化合物代谢以及次生代谢物质合成三大功能类(Category)中。
进一步对DGHP进行代谢途径分析(Fishers Exact Test)，结果表明能量代谢功能类中涉及光合作用暗反应(碳固定)、光反应(光合作用)，以及氧化磷酸化代谢途径都有明显的变化；其中，碳固定代谢途径变化最为显著，三个组合均达到了极显著差异(P＜0.01)水平，P值分别为6.05E-03、2.15E-06和7.10E-05。在碳水化合物代谢功能类中，淀粉和蔗糖代谢、糖酵解与异生以及柠檬酸循环代谢途径有较大的变化。上述数据暗示，F1杂种可能具有比亲本更强的二氧化碳同化效率和碳水化合物的积累效率。此外，在次生代谢物质合成功能类中类黄酮、生物碱和萜类代谢途径的变化，暗示F1杂交稻在抗光合细胞器光损伤、保障高效光合作用，以及抗逆方面比亲本具有更明显的优势。
对三个杂交稻组合DGHP进行细胞组分(Cellular Component)定位分析(GeneOntology，GO)发现，DGHP主要集中分布在叶绿体、线粒体，以及其它一些细胞器中；在叶绿体中分布最为集中，三个组合均达到了极显著差异(P＜0.01)，其中光合相关DGHP富集最为明显。以上结果与代谢途径分析结果的总体趋势是一致的，此结果进一步表明，在F1杂种中光合效率、以及碳同化效率比亲本有显著提高。
除了芯片数据之外，我们还对从SAGE获得的DGHP(两优2186组合灌浆期叶片)进行了QTL定位分析(Quantitative Trait Loci)。结果表明，定位到QTL的DGHP分别占芯片和SAGE总DGHP的70.1％和85.0％；其中，芯片DGHP定位到的产量相关QTL有90％以上可以得到SAGE数据的支持；这一结果充分说明，杂交水稻F1杂种的高产性状与DGHP密切相关。SAGE数据库中DGHP在代谢途径、细胞组分定位、表达模式等方面的变化趋势也与芯片结果一致。
基因表达调控网络分析(RiCES)结果表明，在三个杂交稻组合中，一些DGHP组分受共同的转录因子的调控。蛋白质相互作用分析(PPI)结果表明，在蛋白质相互作用网络中，一些具有转运功能的DGHP达到了显著、甚至极显著差异水平。深入分析(Pathway Studio)发现，三个组合均存在以生物钟调节基因LHY(LateElongated Hypocotyl)为核心的调控网络；已经报道，LHY基因在拟南芥杂种优势中起重要作用。上述结果表明，在不同杂交水稻组合之间，以及水稻与拟南芥之间可能存在着相似的杂种优势分子机制。
综上所述，本研究揭示：在不同杂交组合中，F1杂种具有比其亲本更高的光合效率和碳同化效率，以及更有效的自身保护机制，决定了超级杂交稻F1杂种的超高产特性；在不同杂交组合中，决定杂交优势的具体基因尽管不尽相同，但相同的代谢途径或相似代谢调控网络变化可能是杂种优势的重要原因；F1杂交稻的这些变化可能受控于LHY基因为核心的基因调控网络，这可能是植物杂种优势产生的共同原因。我们的上述发现对于进一步揭示植物杂种优势分子机理，以及指导杂交水稻(作物)育种具有一定的理论价值和实践意义。