全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2012, 47 (3): 226–235, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3724/SP.J.1259.2012.00226
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收稿日期: 2012-01-19; 接受日期: 2012-03-15
基金项目: 国家自然科学基金(No.31070162)和北京市自然科学基金(No.5102022)
* 通讯作者。E-mail: gaobjfu@yahoo.com; liuzhtony@163.com
拟南芥叶绿体分裂突变体cpd111的基因定位与分析
刘霞1, 高岳芳1, 石玉红1, 沈鑫曌 1, 刘忠华1*, 高宏波1, 2*
1北京林业大学生命科学与技术学院, 北京 100083; 2北京林业大学林木育种国家工程实验室, 北京 100083
摘要 通过EMS(ethyl methane sulphonate)诱变从拟南芥(Arabidopsis thaliana)突变体库中筛选到一个叶绿体分裂突变体
chloroplast division111 (cpd111)。遗传学分析表明, 该突变体的表型是单基因控制的隐性性状。与野生型相比, 突变体植
物细胞的叶绿体数量少, 叶绿体形态和大小多样化, 并且细胞体积与叶绿体数量之间无相关性。利用图位克隆的方法确定
cpd111的突变基因为FtsZ1。进一步的分析表明, 该突变影响FtsZ1基因mRNA的正常剪切和稳定性, 使蛋白质翻译提前终
止, 最终导致叶绿体分裂异常。该工作为研究FtsZ1在叶绿体分裂中的作用提供了新的材料和线索。
关键词 拟南芥, 叶绿体分裂, FtsZ1, 图位克隆, mRNA剪切
刘霞, 高岳芳, 石玉红, 沈鑫曌, 刘忠华, 高宏波 (2012). 拟南芥叶绿体分裂突变体cpd111的基因定位与分析. 植物学报
47, 226–235.
根据内共生学说, 叶绿体起源于蓝细菌(Raven
and Allen, 2003)。叶绿体的分裂是由一组蛋白复合物
调控的。在电子显微镜下观察到, 叶绿体分裂时, 内
膜和外膜的分裂位点各形成一个环状结构(Kuroiwa et
al., 1998), 有多种蛋白定位在环状结构周围并最终在
分裂位点形成一个大的复合物(Maple et al., 2005)。
叶绿体分裂位点的蛋白复合物既有原核细胞起源的
FtsZ(Osteryoung et al., 1998)和ARC6(Vitha et al.,
2003), 也包括一个真核起源的, 在藻类和陆生植物
中都很保守、具有GTPase活性的发动蛋白家族成员
ARC5(Gao et al., 2003)。陆生植物的叶绿体分裂复合
物还包括PDV1和PDV2, PDV2是陆生植物所特有的
蛋白, 而PDV1是维管植物所特有的蛋白(Okazaki et
al., 2009)。
陆生植物的叶绿体分裂首先会在基质侧的分裂位
点形成一个FtsZ环(Maple and Møller, 2007)。FtsZ环
的稳定靠叶绿体内膜蛋白ARC6维持, 它的正确定位
则由MinD、MinE和ARC3共同调控(Shimada et al.,
2004; Maple et al., 2007; Yang et al., 2008; Naka-
nishi et al., 2009b)。陆生植物所特有的内膜蛋白
MCD1也参与调控FtsZ环的正确定位(Nakanishi et
al., 2009a)。FtsZ环形成后, 通过PDV2和ARC6的相
互作用, 使PDV1和PDV2聚集到分裂位点(Glynn et
al., 2008; Yang et al., 2008)。最新研究表明, PDV1
定位到分裂位点受PARC6(维管植物所特有的ARC6
同源蛋白)调控(Glynn et al., 2009)。在PDV1和PDV2
的作用下, 发动蛋白ARC5聚集到细胞质侧的叶绿体
分裂位点(Miyagishima et al., 2006)。此时, 参与分裂
的蛋白复合物就形成了(李大朋等, 2009; Okazaki et
al., 2010)。
在大多数的原核生物中, FtsZ由单一基因编码,
但在拟南芥 (Arabidopsis thaliana)和其它植物中 ,
FtsZ有2个亚家族即FtsZ1和FtsZ2(Osteryoung et al.,
1998)。研究发现, FtsZ2与ARC6之间有相互作用,
FtsZ1与ARC3之间有相互作用 (McAndrew et al.,
2008), 并且这2个蛋白的一级结构及二级结构之间也
都有差异(El-Kafafi et al., 2005)。因此, FtsZ1和FtsZ2
在叶绿体分裂过程中的作用是不相同的(El-Kafafi et
al., 2008)。通常FtsZ1和FtsZ2以蛋白复合物的形式发
挥作用。在叶绿体分裂过程中, FtsZ1和FtsZ2共定位
于叶绿体基质侧的分裂位点(McAndrew et al., 2001),
它们的作用都是不可替代的。本实验筛选到一个拟南
芥隐性单基因突变体, 运用图位克隆技术定位突变基
因为FtsZ1, 然后利用半定量和定量RT-PCR技术检
·研究报告·
刘霞等: 拟南芥叶绿体分裂突变体 cpd111的基因定位与分析 227
测FtsZ1基因的mRNA含量, 并探讨了FtsZ1突变引起
拟南芥叶绿体分裂异常的原因。
1 材料与方法
1.1 植物材料与生长条件
野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)有Landsberg
erecta(Ler)和Columbia(Col)2种生态型。种子经表面
消毒后种植于1/2MS培养基, 放置于人工培养间培
养。培养条件为20–22°C和16小时光照/8小时黑暗,
光照强度为120 μmol·m−2·s−1。拟南芥叶绿体分裂突变
体chloroplast division 111 (cpd111)是本实验室用甲
基磺酸乙酯(ethyl methane sulphonate, EMS)诱变一
批拟南芥Col野生型的种子, 然后从M2代植物中筛选
得到的。
1.2 叶绿体表型分析
取生长4周左右的拟南芥植物叶片放于1.5 mL离心管
中, 然后加入1 mL3.5%戊二醛置于暗处1小时。1小时
后将戊二醛吸出, 加入1 mL 0.1 mol·L–1EDTA (pH9),
55°C水浴2小时。固定后的叶片可立即在光学显微镜
下进行观察, 也可将材料放入4°C冰箱内保存待以后
观察。用北京睿智公司的MJ300C数码相机采集叶绿
体照片, 再用Photoshop软件处理。用相机附带的图
像分析软件计算叶绿体和细胞面积。叶绿体个数由人
工计数。利用微软公司Office软件中的Excel对相关结
果进行统计分析。植物细胞的选取原则为: 首先测量
30个拟南芥成熟植物叶片细胞的平面面积, 然后取平
均值, 再选取接近平均值的10个拟南芥成熟植物叶片
细胞进行测量分析。
1.3 遗传分析
以拟南芥野生型Ler为父本, Col遗传背景的突变体植株
为母本进行杂交, 得到F1代。F1代植株自交得到F2代,
F2代便是所需要的作图群体。将F2代种植于1/2MS培养
基中, 约20天后在光学显微镜下观察叶绿体表型, 统
计F2代中叶绿体分裂正常植株与突变体植株的比例。
1.4 突变基因的粗定位
在光学显微镜下, 观察种植于1/2MS固体培养基中的

F2代植株的叶绿体表型。从中随机挑选24棵叶绿体分
裂突变体植株并粗提它们的DNA, 然后取等量混匀构
建一个DNA池作为PCR扩增模板。用均匀分布于拟南
芥5条染色体, 并且在两亲本Ler与Col之间有明显多
态性的23对分子标记进行PCR扩增(Lukowitz et al.,
2000)。
1.5 FtsZ1基因表达的RT-PCR分析
用普利莱基因技术有限公司的Plant RNA Extraction
Kit, 提取分离种植于1/2MS固体培养基上2周左右以
及土中4周左右的突变体cpd111和Col野生型植物叶
片RNA, 然后用Fermentas公司的RevertAidTM First
Strand cDNA Synthesis Kit对所提取的RNA进行反转
录, 合成cDNA。
用半定量RT-PCR技术分析cpd111中FtsZ1基因
的mRNA含量。以反转录产生的cDNA为模板, PCR
扩增程序如下: 94°C预变性5分钟; 94°C变性30秒,
56°C退火30秒 , 72°C延伸1分30秒 , 共30个循环 ;
72°C延伸5分钟。以ARC5、PDV1、PDV2和HTA9
基因的mRNA含量为对照。FtsZ1基因表达分析所用
的引物序列为: FtsZ1F, 5′-GATATTTTCTTCGTCG-
ACACTAAAACCC-3′; FtsZ1R, 5′-TGATATTTGAG-
CCTGAAGATCGTTACA-3′。ARC5基因引物序列为:
ARC5F, 5′-GCTAATACCGAATGCAGGGATG-3′; A-
RC5R, 5′-GCCTTCGCAACTGCTATAACAC-3′。PD-
V1基因引物序列为: PDV1F, 5′-CCAGCTCGAGTT-
TTTCCATACTATAC-3′; PDV1R, 5′-CCGTCTGGG-
TTTCGAGAGG-3′。PDV2基因引物序列为: PDV2F,
5′-GCTTGCTTCTTTACAGAATCTAAGGC-3′; PDV-
2R, 5′-CCCATTCGCATCCGATTTCTTC-3′。HTA9
基因引物序列为: HTA9F, 5′-GGTCTCCAGTTCCC-
AGTTGG-3′; HTA9R, 5′-CTCCTCATCTCCACGAA-
TCGC-3′。
采用荧光定量RT-PCR技术检测cpd111中突变
位点上游和突变位点下游FtsZ1基因的mRNA含量。
PCR扩增使用ABI公司的Power SYBR® Green PCR
Master Mix。以反转录产生的cDNA为模板, PCR反应
条件如下: 95°C预变性10分钟; 95°C变性15秒, 56°C
退火40秒, 72°C延伸40秒, 共扩增40个循环; 72°C延
伸5分钟。对照为相同条件下生长的Col野生型中,

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FtsZ1基因在突变位点上游和突变位点下游的mRNA
含量。选用PDV2基因为内参基因, 因为在cpd111和
Col野生型中, PDV2基因的mRNA含量没有差异。另外,
前人研究发现在一些叶绿体分裂突变体中其它叶绿体
分裂基因的表达基本不受影响(Maple et al., 2011; Cho
et al., 2012)。突变位点上游的引物为FtsZ1F(序列如
前所述)和RT-1R: 5′-GAAATCAACACTCTGTAAAC-
CGC-3′; 突变位点下游的引物为RT-2F: 5′-CCGAG-
TATCACAGGTCGTG-3′和RT-2R: 5′-GGGAGAAG-
ACGATTTGGTAGAGATAG-3′。内参基因PDV2的引
物为PDV2F和PDV2R, 序列如前所述。用ABI公司的
7500 FAST仪器分析实验结果。
1.6 RNA二级结构预测
在GeneBee-Molecular Biology Server网站上 , 对
RNA二级结构进行预测 (http://www.genebee.msu.
su/genebee.html)。具体方法见参考文献(Brodsky et
al., 1992)。
2 结果与讨论
2.1 叶绿体分裂突变体cpd111的分离
cpd111是经化学诱变剂EMS诱变一批拟南芥野生型
Col种子, 从M2代中筛选得到的。尽管该突变体的叶
绿体分裂异常, 但它表现出正常的营养生长和生殖生
长表型。与野生型相比, 突变体植株每个细胞中的叶
绿体数量少, 形状和大小多样化(图1A)。此外, 从图中
还可以看出, 在Col野生型植物中, 植物细胞大小与
叶绿体数量之间呈正相关, 即植物细胞的平面面积越
大, 叶绿体数量越多, 反之则越少; 而在cpd111突变
体植株中, 植物细胞大小与叶绿体数量之间没有明显
的相关性(图1B)。Col野生型植物中, 单个叶绿体的平
面面积很相似; 而在cpd111突变体植株中, 叶绿体的
平面面积有较大差异, 最大叶绿体与最小叶绿体的平
面面积甚至相差100倍(图1C)。
为了鉴定突变表型的分离比例, 将cpd111与野
生型Ler进行杂交得到F1代, F1代植株的叶绿体表型正
常, 表明该突变为隐性突变。由F1代自交得到的F2代
出现性状分离, 共种植129棵F2植株, 其中叶绿体分
裂正常的植株有96棵, 分裂异常的植株有33棵, 比例
接近3:1(χ2=0.035<χ20.05=3.84), 符合孟德尔遗传定
律, 表明cpd111是单基因控制的隐性突变。
2.2 cpd111中突变基因的分离鉴定
为了进一步研究cpd111并最终成功克隆该突变基因,
我们对该突变体进行了粗定位以确定突变基因在染色
体上的位置(Lukowitz et al., 2000)。利用PCR技术以
及凝胶电泳分析发现, 突变基因与第5号染色体上的
分子标记LUG861、CER455841连锁较紧密。然后, 我
们在分子标记LUG861与CER455841之间又重新设
计了2个新的分子标记CH5-18.07和CH5-19.09, 并单
独分析作图群体的24棵突变体植物分别与CH5-
18.07、CH5-19.09和CER455841三个分子标记的连
锁情况, 结果如图2A。从图中可以看出, 24棵突变体
植物中, 有19棵植物在CH5-18.07分子标记位点为
Col纯合子, 有20棵植物在CH5-19.09分子标记位点
为Col纯合子, 有21棵植物在CER455841分子标记位
点为Col纯合子。由此可知, 突变基因与该区间紧密连
锁, 在3个分子标记中, 可能与CER455841连锁最为
紧密(图2B)。
生物信息学分析显示, 在上述区间内有3个已知
候选基因, 包括PDV1、CRL1和FtsZ1(AT5g55280)。
crl1突变体植物非常瘦弱, 其表型与cpd111突变体非
常不同。pdv1突变体的叶绿体常呈哑铃形, 与cpd111
的表型也不一样。测序结果显示, cpd111突变体中
PDV1基因没有发生突变。然而, cpd111的表型与
FtsZ1突变后的叶绿体表型有点相似(El-Kafafi et al.,
2008)。因此, 推测cpd111可能为FtsZ1突变。对候选
基因的测序分析结果也显示, cpd111的FtsZ1基因中
位于第2个内含子与第3个外显子拼接位点的第589位
碱基由鸟嘌呤(G)变为腺嘌呤(A), 即taatagGCAC变
为taataaGCAC(图3A, B)。根据以上测序结果推测, 碱
基的突变可能影响mRNA的拼接。对FtsZ1基因的
cDNA进行测序, 发现cpd111中FtsZ1基因第3个外显
子中的第1个碱基鸟嘌呤被剪切掉, 即CTTGGCAC变
为CTTGCAC(图3C)。这说明, 由于碱基的突变形成
了一个新的AG剪接位点, A位于内含子, G位于外显子
(taatagGCAC变为taataaGCAC)。mRNA中鸟嘌呤的
缺失造成碱基移码 , 使得从第132位氨基酸开始 ,
mRNA序列发生改变, 第165位氨基酸变为终止密码
子, 发生无义突变, 导致蛋白翻译过程提前终止(图
3D)。为了检测mRNA中碱基的缺失对其二级结构
刘霞等: 拟南芥叶绿体分裂突变体 cpd111的基因定位与分析 229


图1 拟南芥野生型Col和突变体cpd111中叶绿体形态和大小的比较
用光学显微镜观察植物叶肉细胞中的叶绿体, 共统计10个叶肉细胞中至少100个叶绿体的平面面积。(A) 叶绿体的形态(Bar=10
μm); (B) 生长4周左右的拟南芥成熟植物叶片细胞的平面面积与叶绿体数量之间的关系; (C) 生长4周左右的拟南芥成熟植物叶片细
胞中单个叶绿体平面面积大小的分布规律

Figure 1 Phenotype analysis of the chloroplasts in Arabidopsis wild-type (Col ecotype) and cpd111 mutant
Chloroplasts in leaf mesophyll cells were observed with an optical microscope, and at least 100 chloroplasts were measured from
10 different mesophyll cells. (A) Morphology of chloroplasts (Bar=10 μm); (B) The relationship between chloroplast number per
mesophyll cell and mesophyll cell plan area in the wild-type and cpd111 mutant of 4 weeks old; (C) Frequency distributions of
chloroplast plan areas for chloroplasts from fully expanded leaves in the wild-type and cpd111 mutant of 4 weeks old


的影响, 我们利用GeneBee-Molecular Biology Server
网站上的RNA二级结构预测软件(http://www.gene-
bee.msu.su/services/rna2_reduced.html), 对野生型
Col和cpd111中FtsZ1基因mRNA的二级结构进行预测
分析。结果如图4, 从图中可以看出, 这2段序列的
mRNA的二级结构差别不大, 自由能也没有变化。
230 植物学报 47(3) 2012


图2 突变基因FtsZ1在拟南芥染色体上的粗定位
(A) 突变基因与分子标记CH5-18.07、CH5-19.09和CER455841的连锁情况分析, 图中显示了24个F2突变单株的PCR分析结果(其
中上边的一条带来自Col生态型, 下边的一条带来自Ler生态型); (B) 突变基因和分子标记在第5号染色体上的位置, 下面的数字表
示物理位置, 突变基因FtsZ1(At5g55280)位于分子标记CH5-19.09和CER455841之间

Figure 2 Rough mapping of the mutant gene FtsZ1 on Arabidopsis chromosome
(A) The molecular markers CH5-18.07, CH5-19.09 and CER455841 are linked to the FtsZ1 locus and used for identification of
recombinants in 24 mutant individuals from a F2 mapping population (The upper band is from Col ecotype and the lower band is
from Ler ecotype); (B) Genetic linkage map of FtsZ1 gene and the molecular markers on chromosome 5 (Numerals below indi-
cate physical positions, and FtsZ1 gene (At5g55280) is located between markers CH5-19.09 and CER455841)


2.3 cpd111中FtsZ1基因mRNA含量的分析
已有报道显示 , 动物体内基因的无义突变会引起
mRNA的降解, 导致突变基因mRNA含量下降(Ross,
1995)。为了探究本实验中FtsZ1基因的无义突变对其
mRNA含量的影响, 分别提取在土中和培养皿中种植
的cpd111以及相同条件下生长的Col野生型植株的
RNA, 进行半定量RT-PCR分析, 检测突变基因FtsZ1
的mRNA含量。已有研究表明, arc3、arc5和arc11等
叶绿体分裂突变体中其它叶绿体分裂基因的表达水平
不会受到明显影响(Maple et al., 2011; Cho et al.,
2012)。HTA9编码组蛋白H2A, 是一个持家基因。因
此, 选取ARC5、PDV1、PDV2和HTA9基因作为对照
基因。结果如图5所示, 无论是在土中还是培养皿中培
养, cpd111中FtsZ1基因的mRNA含量都明显低于Col


野生型中FtsZ1基因的mRNA含量 , 而作为对照的
ARC5、PDV1、PDV2和HTA9基因, 其mRNA含量在
野生型和突变体之间没有明显差别。
为了检测碱基的突变是对突变位点上游还是下游
FtsZ1基因的mRNA稳定性影响更显著, 分别在突变
位点的上游和下游各设计1对引物 , 进行定量RT-
PCR分析, 结果如图6所示。从图中可以看出, 种植在
培养皿中的cpd111中, FtsZ1基因在突变位点上游的
mRNA含量为野生型含量的7.5%, 下游的mRNA含量
为野生型含量的9.5%(图6A); 种植在土中的cpd111
中, FtsZ1基因在突变位点上游的mRNA含量为野生型
含量的7.1%, 下游的mRNA含量为野生型含量的
16.6%(图6B)。总之, 无论是在培养皿中还是土中种植
的植物, 其突变位点上游FtsZ1基因的mRNA含量都
明显低于突变位点下游FtsZ1基因的mRNA含量。

刘霞等: 拟南芥叶绿体分裂突变体 cpd111的基因定位与分析 231


图3 cpd111突变体中FtsZ1基因的突变
(A) FtsZ1基因的结构及在突变体cpd111中碱基的变化。黑色框和直线分别代表基因的外显子和内含子, 白色框代表非编码区
(untranslated region, UTR)。FtsZ1F、FtsZ1R、RT-1R、RT-2F和RT-2R代表RT-PCR中所用引物; (B) 突变体cpd111中FtsZ1基因
发生碱基替换突变的位点; (C) 突变体cpd111中FtsZ1基因cDNA发生缺失突变的位点; (D) 突变体cpd111中FtsZ1基因的突变导致
蛋白质翻译发生移码, 蛋白翻译过程被提前终止

Figure 3 The mutation in FtsZ1 gene in cpd111 mutant
(A) Gene structure and the mutation site of FtsZ1 gene in cpd111. Black boxes and straight lines indicate exons and introns,
respectively. White boxes indicate untranslated region (UTR). FtsZ1F, FtsZ1R, RT-1R, RT-2F and RT-2R are primers for
RT-PCR; (B) The sequencing result showing the mutation site in the FtsZ1 gene in cpd111 mutant; (C) The sequencing result
showing the deletion site in the cDNA of FtsZ1 gene in cpd111 mutant; (D) The mutation in FtsZ1 gene in cpd111 results in
reading frame shift and early translational termination

2.4 讨论
叶绿体的分裂被称为二元分裂, 其分裂过程首先从中
部的缢缩开始, 随后收缩进一步加深, 最终2个子代
叶绿体的内膜和外膜依次融合并断开, 形成2个新的
叶绿体(Yoshida et al., 2006)。叶绿体的分裂需要多种
蛋白的参与, 任何一种蛋白水平的变化都将引起叶绿
体分裂的异常。本实验通过EMS诱变筛选得到一株隐
性单基因控制的拟南芥叶绿体分裂突变体cpd111。通
过图位克隆技术定位引起 cpd111突变的基因为
FtsZ1, 说明FtsZ1在叶绿体分裂过程中具有重要作
用。
已有报道指出, 拟南芥中FtsZ1或FtsZ2蛋白的缺
失或过量表达都会引起叶绿体分裂的异常(Stokes et
al., 2000)。由于cpd111中FtsZ1基因发生突变而引起
FtsZ1蛋白缺失, 叶绿体在分裂过程中便不能组装形
232 植物学报 47(3) 2012

图4 FtsZ1基因mRNA的二级结构预测图
图中标注突变体cpd111中FtsZ1基因mRNA开始发生移码的第395位碱基, mRNA结构的自由能标注在下方。

Figure 4 Secondary structure prediction of the FtsZ1 gene mRNA
The frame shift at position 395bp in the FtsZ1 mRNA in cpd111 mutant is indicated. Free energy of the mRNA structure is shown
below the predicted structure.

图5 野生型Col和突变体cpd111植株中FtsZ1基因的半定量
RT-PCR分析
1: 培养皿中种植的野生型Col植株; 2: 培养皿中种植的突变体
cpd111植株; 3: 土中种植的野生型Col植株; 4: 土中种植的
cpd111植株。PDV1、PDV2、ARC5和HTA9为内参基因。

Figure 5 Semi-quantitative RT-PCR analysis of the ex-
pression level of the FtsZ1 gene in the wild-type (Col eco-
type) and cpd111 mutant
1: The wild-type grown on culture medium; 2: cpd111 mutant
grown on culture medium; 3: The wild-type grown in the soil; 4:
cpd111 mutant grown in the soil. PDV1, PDV2, ARC5 and
HTA9 genes were used as controls.
成正确的分裂蛋白复合物, 最终导致叶绿体分裂异
常。本研究发现的cpd111突变体进一步证明了FtsZ1
在叶绿体分裂过程中的重要性, 为研究FtsZ1的相关
功能增添了新的实验材料。同时我们还对cpd111突变
体的表型进行了详细的研究, 发现其细胞大小与叶绿
体数量之间没有明显的相关性, 叶绿体形状更加多样
化, 且单个叶绿体的体积也有很大的差异。这些结果
将有助于进一步揭示FtsZ1蛋白的功能及其影响叶绿
体分裂的机制。
研究发现, mRNA的稳定性与它的结构和序列均
有很大的关系(Ross, 1995)。首先, mRNA的5′端帽子
结构可以防止5′端被5′→3′的核酸外切酶切割, 3′端
poly(A)结构则可以防止3′→5′核酸外切酶对3′端的切
割。其次, mRNA中的一些特殊序列元件也可以起到稳
定或者加速降解mRNA的作用。最典型的加速降解元
件存在的位点是mRNA的3 ′非编码区 , 它能缩短
mRNA的寿命。最后, 无义突变, 也就是在编码区中产
生终止密码子的突变, 可以导致mRNA降解加速, 这
可能是一种用于去除细胞质中非功能性mRNA的监督
系统。本实验通过测序分析发现, cpd111突变体中
刘霞等: 拟南芥叶绿体分裂突变体 cpd111的基因定位与分析 233


图6 FtsZ1基因突变位点上游和下游mRNA含量的实时荧光定量RT-PCR分析
(A) 培养皿中种植2周左右的植物; (B) 土中种植4周左右的植物。野生型植物(Col)中FtsZ1基因mRNA的含量被设定为1; cpd111突
变体植物中FtsZ1基因mRNA的含量为相对于野生型植物的含量。

Figure 6 Comparison of the mRNA level of FtsZ1 gene upstream and downstream of the mutation site by real-time qRT-PCR
(A) 2 week-old plants grown on culture medium; (B) 4 week-old plants grown in the soil. The mRNA level of FtsZ1 gene in the
wild-type (Col) was set as 1 and the mRNA level of FtsZ1 gene in cpd111 mutant was shown as a value relative to that in the
wild-type.


FtsZ1基因发生突变的碱基(鸟嘌呤)正好位于内含子
与外显子的拼接位点, 使得转录产生的mRNA在拼接
过程中误将外显子中的鸟嘌呤剪切掉。生物信息学分
析发现, 由于RNA拼接出现错误, 使得以这段mRNA
为模板进行的蛋白翻译过程会提前遭遇终止密码子,
但Col野生型和cpd111中FtsZ1基因mRNA的二级结
构差别不大, 自由能也没有变化。半定量RT-PCR分
析结果显示, cpd111突变体中FtsZ1基因的mRNA含
量与Col野生型中相比大幅度下降, 说明该突变基因
的mRNA不稳定, 容易被降解。由以上结果我们可以
总结出, 本实验中FtsZ1基因的mRNA之所以不稳定
是因为其编码区第395位鸟嘌呤发生碱基缺失, 导致
蛋白翻译过程提前终止, 即是由细胞内无义突变介导
的mRNA降解造成的。
定量RT-PCR分析发现, 突变位点上游FtsZ1基
因的mRNA含量低于突变位点下游FtsZ1基因的
mRNA含量 , 说明FtsZ1转录产生的这些不稳定的
mRNA有可能是从突变位点上游开始降解的。我们还
发现, 在土中种植的植物突变位点上下游之间FtsZ1
基因mRNA含量的差距比在培养基中种植的植物更加
明显, 这可能是因为在土中和培养基中种植的植物其
生长时间不同(分别为4周和2周左右), 并且两者的生
长环境也不相同, 具体机理有待进一步研究。
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Genetic Mapping and Analysis of a Chloroplast Division Mutant
cpd111 in Arabidopsis thaliana
Xia Liu1, Yuefang Gao1, Yuhong Shi1, Xinzhao Shen1, Zhonghua Liu1*, Hongbo Gao1, 2*
1College of Biological Sciences and Biotechnology, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
2National Engineering Laboratory for Tree Breeding, Beijing Forestry University, Beijing 100083, China
Abstract Ethyl-methane sulfonate mutagenesis revealed a chloroplast division mutant, chloroplast division111
(cpd111), in Arabidopsis thaliana. Genetic analysis indicated that the mutant was controlled by a single recessive gene.
Chloroplasts in the mutant were fewer in number and more heterogeneous in size than those in the wild type. The corre-
lation between chloroplast number and cell size was not obvious in the mutant. Map-based cloning revealed a mutation in
FtsZ1 responsible for the mutant phenotype. The mutation affected the splicing and stability of FtsZ1 mRNA, caused early
translational termination of the protein and resulted in a chloroplast division defect in cpd111. We provide new materials
and information for a better understanding of the function of FtsZ1 in chloroplast division.
Key words Arabidopsis thaliana, chloroplast division, FtsZ1, map-based cloning, mRNA splicing
Liu X, Gao YF, Shi YH, Shen XZ, Liu ZH, Gao HB (2012). Genetic mapping and analysis of a chloroplast division mutant
cpd111 in Arabidopsis thaliana. Chin Bull Bot 47, 226–235.
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* Authors for correspondence. E-mail: gaobjfu@yahoo.com; liuzhtony@163.com
(责任编辑: 刘慧君)