全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (4): 404–410, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.04.002

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收稿日期: 2009-09-09; 接受日期: 2009-12-01
基金项目: 国家自然科学基金(No.30971553, No.30671127)、上海市教委科研创新项目(No.09YZ168)和上海师范大学科研项目(No.sk-
200827)
* 通讯作者。E-mail: senzhang@shnu.edu.cn
拟南芥雄性不育突变体ms1142的遗传定位与功能分析
常玉花, 周鹊, 杨仲南, 张森*
上海师范大学生命与环境科学学院, 上海 200234
摘要 经EMS诱变野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana)群体筛选得到一株雄性不育突变体ms1142, 突变体的果荚短小, 不
含种子。细胞学观察和扫描电镜结果表明, 突变体花药发育过程中, 花药中小孢子外壁异常、破裂, 最后没有花粉形成。遗
传分析表明, 该突变体为隐性单核基因突变所致; 利用图位克隆的方法将MS1142基因定位于第1条染色体的BAC克隆
F16P17上44 kb区间内, 目前尚未见该区间内有雄性不育基因的报道。以上结果结合生物信息学分析表明, MS1142是一个
新的调控花药发育的关键基因。该工作为花药发育关键基因MS1142的克隆及功能分析奠定了基础。
关键词 花药发育, 拟南芥, 雄性不育突变体, 图位克隆
常玉花, 周鹊, 杨仲南, 张森 (2010). 拟南芥雄性不育突变体ms1142的遗传定位与功能分析. 植物学报 45, 404–410.
花药及花粉的发育是植物功能基因研究的一个
重要方向, 花药及花粉发育异常通常会导致雄性不
育。这种雄性不育现象大多与花药形态、体细胞与生
殖细胞的发育、小孢子发生、花粉发育、花药的开裂
以及花粉粒的功能等相关(Sanders et al., 1999)。在
拟南芥(Arabidopsis thaliana)中, 正常的花药发育过
程包括14个时期, 每个时期都有其特征性的细胞事
件发生, 这14个时期又被分为4个阶段: 第1个阶段,
在花药原基中进行细胞分裂从而形成花药全部组织;
第2个阶段, 小孢子母细胞经过减数分裂形成含有小
孢子的四分体; 第3个阶段, 小孢子从四分体中释放,
并且发育成含有三细胞的花粉粒; 第4个阶段, 成熟
花粉释放(Sanders et al., 1999)。
在被子植物中, 成熟的花粉粒有2层壁: 花粉外
壁(exine)和花粉内壁(intine)(Heslop-Harrison, 1971;
Piffanelli et al., 1998)。外壁的主要成分来源于绒毡
层的孢粉素, 构成花粉外壁的复杂纹饰结构。内壁是
花粉壁的最内层 , 位于小孢子质膜和外壁之间
(Heslop-Harrison, 1971)。花粉内壁主要由花粉粒本
身合成。通常在花粉外壁表面的腔或间隙中充满花粉
覆盖物。这些花粉覆盖物也称花粉鞘(pollenkitt)或含
油层(tryphine), 是绒毡层细胞分泌的物质。
花粉壁的发育, 特别是外壁的形成, 依赖于小孢
子和绒毡层细胞两者之间的协调发育 (Paxson-
Sowders et al., 1997; Piffanelli et al., 1998)。在四分
体时期小孢子壁已开始发育, 当小孢子从四分体胼胝
质壁中释放后, 由绒毡层产生的孢粉素沉积在花粉
上, 形成花粉外壁。在拟南芥中, 已报道许多基因的
突变影响花粉外壁的形成。如MS2基因(Aarts et al.,
1993, 1997)、转录因子AtMYB103(Zhang et al.,
2007)、DEX1基因(Paxson-Sowders et al., 2001)、
FLP基因(Ariizumi et al., 2003)、NEF1基因(Ariizumi
et al., 2004)、RPG1基因(Guan et al., 2008)、胼胝
质合成酶-5(callose synthase 5, CalS5)基因(Dong et
al., 2005)和转录因子MS1(Wilson et al., 2001; Ito
and Shinozaki, 2002; Yang et al., 2007)等。尽管对
这些基因克隆和突变体的研究使我们对小孢子外壁
的形成有所了解, 但这些基因在小孢子外壁发育过程
中的作用机理还不清楚, 而且还有许多新的基因没有
被克隆。
本文通过EMS(ethyl methane sulfonate)诱变处
理野生型拟南芥群体, 分离得到一株雄性不育突变体
ms1142。细胞学观察表明, 突变体花药中小孢子发
育出现异常, 导致最后没有花粉形成, 果荚中不结种
·研究报告·
常玉花等: 拟南芥雄性不育突变体ms1142的遗传定位与功能分析 405
子。扫描电镜观察发现小孢子外壁异常、破裂。遗传
分析表明, 该突变体的性状是由单个隐性核基因控制
的。利用图位克隆的方法对突变基因进行定位, 结果
表明MS1142基因位于第 1条染色体的BAC克隆
F16P17上44 kb区间内。这些结果为进一步克隆
MS1142基因及研究其功能奠定了基础。
1 材料与方法
1.1 植物材料
本研究所用的野生型拟南芥(Arabidopsis thaliana L.)
分别以Columbia(Col)和Lansberg erecta (Ler)为遗
传背景, 突变体ms1142(Ler遗传背景)是由本实验室
经EMS诱变得到的雄性不育株系。植物种植采用易君
等(2006)的方法。突变体和野生型(Ler)回交3次。
1.2 方法
1.2.1 突变体的遗传分析
以野生型Ler植株作为父本、突变体作为母本进行杂
交得到F1代, 收获F1代种子。F1种下后自交, 获得F2
代种子, 种植下去, 观察F2代的表型, 并统计F2代中
可育植株与不育植株的比例。

1.2.2 基因的定位
以野生型Col植株作为父本、突变体Ler植株作为母本
进行杂交得到F1代, F1代自交后得到F2代, 收集F2代
中的不育植株用于基因定位。基因定位的方法及所用
分子标记参照易君等(2006)。一旦找到了连锁的分子
标记, 就在该分子标记附近设计新的分子标记(表1),
用高通量DNA提取方法(Xin et al., 2003)提取大批F2
代遗传群体中的突变体单株DNA, 对这些植株进行
基因型分析, 进一步定位目的基因。

1.2.3 DNA的提取
拟南芥基因组DNA的提取参照Zhang等(2003)。

1.2.4 PCR反应
PCR反应参照易君等(2006)的方法。引物由英潍捷基
(上海)贸易有限公司合成。用2.5%的琼脂糖凝胶电泳
验证2个亲本Ler和Col之间的多态性。

1.2.5 花药发育的光学显微镜观察
将野生型与突变体植株的花序在FAA固定液中固定
12–24小时后 , 用50%乙醇漂洗2–3次 , 常规脱水 ,
spurr树脂包埋、切片, 切片厚度为1 μm。1%甲苯胺
蓝染色后在显微镜下观察并拍照(Zhang et al., 2007;
方子君等, 2008)。

1.2.6 花粉粒的扫描电镜观察
在解剖镜下分离野生型和突变体植株13期的花药,
置于金属台上, 真空干燥后喷金, 扫描电镜观察并拍
照记录(Zhang et al., 2007; 方子君等, 2008)。

1.2.7 亚历山大染色
取花药刚刚开裂的花朵(此时花微微张开4片花瓣)于
载玻片上, 用解剖针小心除去花瓣和雌蕊, 尽可能的
不破坏花药, 然后将花药固定在载玻片上。滴1–2滴
亚历山大染液(Alexander, 1969), 小心地盖上盖玻


表1 突变体ms1142定位中所用的分子标记引物序列
Table 1 The sequences of molecular markers used in genetic mapping of ms1142
Marker Forward primer (5′–3′) Reverse primer (5′–3′)
F24O1 TGACAAATCGTATGAAAGTG TTGGCAAAACATCTTCTTA
F23N19 GAGAAGGTGTATCAGTGGA TAATAGGCTTTTCCGAGAT
F16P17(8) AGAGCAATGATCCCTACTAA AAGTTTGATGTTTGTGCTAA
F16P17(Snp-1) AGGAGATGGCCTCTTCCGTAA GCTGAAGTACTCGAAGGTGCAA
F16M19(Msp) AGGCGAGTCATTGGTGTTC TGAGGAGGACGAGTCTTGTTT
F16M19(BspT104) GTCAAGAGTTAGCACAAGGAT CTTGGAGGTAACAAAAGAAAC
F16M19 GTAGATGATTTCCGATGTTT ATCAATTTTCTGTTTTATGTTC
F13O11 GAGAGGACGAGAAGACAAA TAACCATGATTCGGGATT

406 植物学报 45(4) 2010
片, 6–8小时后在显微镜下观察并拍照。
2 结果与讨论
2.1 突变体ms1142的分离
经EMS诱变野生型拟南芥(Ler)群体, 通过背景纯化
得到ms1142突变体。尽管该突变体植株完全雄性不
育, 但它在生长过程中表现出正常的营养生长和花器
官的发育(图1A), 而且正反杂交实验证明, 其雌蕊是
完全可育的, 说明雌配子体的发育是正常的(数据未
显示)。但是, 与野生型植株相比, 突变体的果荚短
小、萎缩, 且成熟后不含种子(图1A)。对ms1142突变
体和野生型花的解剖观察发现, 在拟南芥刚开放的花
中, 野生型花药完全开裂并释放大量的花粉, 且雌蕊
柱头上面也粘有大量的花粉, 而突变体花药表面则没
有花粉 , 雌蕊柱头表面透明 , 没有花粉的黏附(图
1B)。为了分析突变体植株因何种发育缺陷而导致雄
性不育, 我们用亚历山大染色的方法比较了野生型和
突变体植株的花粉和花药, 结果表明野生型植株的花
药中含有被染成红色的成熟可育的花粉粒, 而突变体
植株花药中则没有花粉粒(图1C)。与野生型相比 ,
ms1142突变体成熟花药中没有花粉粒, 当花药完全
开裂的时候, 没有花粉粒的释放, 这很可能是造成
ms1142完全雄性不育的原因。
2.2 突变体花药发育的细胞学观察
为了进一步分析MS1142基因对花药发育的影响, 我
们利用细胞学手段对野生型和突变体植株的花药发
育过程进行了横切片的观察比较。结果表明, 直到花
药发育的四分体时期, ms1142突变体花药与野生型
相比几乎没有差异(图2A, B)。但在单核小孢子时期,
与野生型相比突变体小孢子已经开始空泡化(图2C,
D)。在双细胞花粉时期, 野生型小孢子外壁明显可见,
而突变体小孢子外壁不明显且空泡化加剧, 部分小孢
子已经破裂, 同时观察到花粉囊中出现一些碎片(图
2E, F)。在三细胞花粉时期, 野生型花药中有成熟的
花粉, 而突变体花药中则看不到花粉, 仅仅在靠近药
室壁的地方残留小部分碎片(图2G, H)。
在拟南芥花药发育的第3个阶段, 主要的生命活
动包括: 单倍体的小孢子形成外壁并通过有丝分裂形



图1 拟南芥野生型(WT)与ms1142突变体植株的表型分析
(A) 野生型和ms1142的植株; (B) 野生型和ms1142的花; (C) 野生型和ms1142花药的亚历山大染色

Figure 1 Phenotypes of the wild type (WT) and ms1142 plant of Arabidopsis
(A) The wild type and ms1142 plant; (B) Flowers of the wild type and ms1142; (C) Alexander staining of the wild type and
ms1142 anthers
常玉花等: 拟南芥雄性不育突变体ms1142的遗传定位与功能分析 407


图2 拟南芥野生型(A, C, E, G)与ms1142突变体(B, D, F, H)花药发育的细胞学观察比较
(A), (B) 四分体时期花药; (C), (D) 单核小孢子时期花药(箭头显示小孢子空泡化); (E), (F) 双细胞花粉时期花药(箭头显示碎片);
(G), (H) 三细胞花粉时期花药。Bar=15 μm

Figure 2 Cytological comparisons of the wild type (A, C, E, G) and ms1142 (B, D, F, H) anther development of Arabidopsis
(A), (B) Anthers at tetrad stage; (C), (D) Anthers at uninucleate microspore stage (arrowhead indicated vacuolated microspore);
(E), (F) Anthers at bicellular pollen stage (arrowhead indicated debris); (G), (H) Anthers at tricellular pollen stage. Bar=15 μm


成三细胞的成熟花粉粒, 同时积累物质; 绒毡层细胞
发生程序性死亡, 并逐渐降解。在此期间, 绒毡层提
供了小孢子发育所必需的营养物质, 并分泌孢粉素形
成花粉外壁。随着绒毡层的逐渐衰亡, 它的分解产物
填入花粉壁, 形成一层由脂类、蛋白质和色素等成分
组成的花粉包被(Chandhury, 1993)。我们的细胞学
观察结果显示, 突变体的小孢子从四分体中释放后,
小孢子的发育出现异常且空泡化, 小孢子内细胞质逐
渐凝聚, 并且小孢子破裂。这很可能是由于突变体小
孢子中没有积累足够的细胞质, 或者小孢子内细胞质
已经渗漏到药室内, 说明小孢子自身的完整性出现问
题。小孢子的不完整性还很可能随着其外壁形成异常
而加剧, 因为随着小孢子的发育, 其内容物逐渐减
少, 空泡化加剧, 而且花粉囊中出现碎片(图2G, H)。
2.3 突变体小孢子发育的扫描电镜观察
为了进一步分析突变体花粉发育异常的原因, 我们在
扫描电子显微镜下观察比较了突变体ms1142与野生
型小孢子的超微结构。结果显示, 与野生型正常花粉
不同, 突变体的花粉发育和外壁形成严重异常。与上
述细胞学观察结果一样, 突变体花粉数量少且破裂
(图3A, B)。野生型花粉具有规则的纹饰结构(图3C),





图3 拟南芥野生型(WT)和ms1142突变体花药花粉发育的扫
描电镜观察
(A), (B) 花药花粉 (Bar=50 μm); (C), (D) 花粉 (Bar=5 μm)

Figure 3 Scanning electron microscopy examinations of the
wild type (WT) and ms1142 anther and pollen of Arabidopsis
(A), (B) Anther and pollen (Bar=50 μm); (C), (D) Pollen
(Bar=5 μm)

408 植物学报 45(4) 2010



图4 MS1142基因在拟南芥第1条染色体上的定位信息
图中线段上方依次标明染色体号、所用部分分子标记的名称及
各分子标记距该染色体最上端的物理距离, 较粗的黑色线段表
示基因定位的区间位置。

Figure 4 Mapping for MS1142 gene on Arabidopsis chro-
mosome 1
Chromosome No., the names and the physical distances of
molecular markers from the upmost end of chromosome are
indicated above the line. The thicker black bar indicates the
position of MS1142 gene on chromosome 1.


而突变体花粉外壁不规则, 没有网状结构, 并且破裂
(图3D)。根据以上结果, 推测很可能是花粉外壁结构
的缺陷造成了突变体ms1142的雄性不育, 并且在小
孢子发育初期可能已出现问题, 影响了孢粉素等物质
的积累。Wilson等(2001)报道ms1突变体的小孢子中
也出现了细胞质的凝聚和空泡化, 最后导致小孢子破
裂。而且, 在ms1突变体中, 小孢子原外壁(primexi-
ne)形成异常 , 孢粉素随机积累 , 没有外壁的形成
(Wilson et al., 2001; Ito and Shinozaki, 2002)。说明
MS1142基因的功能与MS1基因有相似之处, 或者2
个基因在同一条遗传通路上起作用。
2.4 突变体ms1142的遗传分析
为了确定突变体ms1142是否由单个基因控制, 以野
生型Ler作父本、突变体作母本杂交得到F1代, F1代表
现出野生型表型, 植株可育, 说明该突变体受隐性基
因控制。将F1代自交, 得到的F2代群体中出现性状分
离, 经统计得可育植株130株, 不育植株42株, 两者
比例接近3:1, 符合孟德尔遗传定律 , 表明突变体
ms1142是受隐性单核基因调控的。
2.5 突变体ms1142的遗传定位
为了进一步研究ms1142突变体并最终克隆突变基
因, 我们利用图位克隆的方法对突变体进行了遗传定
位, 以确定该突变基因在染色体上的位置。首先选用
均匀分布于拟南芥基因组5条染色体上的20对分子标
记(易君等, 2006)进行了基因的初定位连锁分析。这
20对分子标记在野生型Ler和Col之间具有序列多态
性。以这些分子标记进行PCR, 结果表明突变基因
MS1142与第1条染色体上的分子标记F7A10连锁。利
用新设计的分子标记(表1)结合高通量PCR方法(Xin
et al., 2003), 最终将雄性不育基因MS1142定位在第
1条染色体的BAC克隆F16P17上44 kb区间内(图4)。
进一步的生物信息学分析表明, 该区间内包括约
12个基因, 根据GENEVESTIGATOR网站提供的这
些基因的芯片信息, 发现有3个基因在花中高效表达,
因此MS1142基因很可能是其中之一。目前我们正在
缩小基因定位区间, 准备克隆目的基因并对基因功能
做进一步的研究。
本文通过EMS诱变, 筛选得到了一个隐性单核
基因控制的拟南芥雄性不育突变体ms1142, 其果荚
短小萎缩, 不能形成种子。突变体小孢子不能正常发
育, 导致外壁形成异常并最终破裂, 因此在成熟的花
药中没有花粉形成, 表明MS1142基因是花粉正常发
育和外壁形成所必需的。
参考文献
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常玉花等: 拟南芥雄性不育突变体ms1142的遗传定位与功能分析 409
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410 植物学报 45(4) 2010
Genetic Mapping and Functional Analysis of Arabidopsis thaliana
Male Sterile Mutant ms1142
Yuhua Chang, Que Zhou, Zhongnan Yang, Sen Zhang*
College of Life and Environmental Sciences, Shanghai Normal University, Shanghai 200234, China
Abstract A male sterile mutant, ms1142, was isolated from a population of ethyl methane sulfonate (EMS)-treated
wild-type Arabidopsis thaliana. The mutant has small siliques with no seed set. Cytological observation showed that dur-
ing anther development, the microspores ruptured and no pollen grains formed in the mutant anther locules. Scanning
electron microscopy revealed an aberrant and broken microspore exine in the mutant. Genetic analysis indicated that the
mutant is controlled by a single recessive nuclear gene. Map-based cloning mapped the mutant gene MS1142 to a region
of 44 kb in BAC F16P17 on chromosome 1. Bioinformatics analysis revealed no previous male sterile gene cloned in this
region, so MS1142 is a new gene involved in anther and pollen development. These results set the basis for cloning and
functional analysis of this gene controlling anther development.
Key words anther development, Arabidopsis thaliana, male sterile mutant, map-based cloning
Chang YH, Zhou Q, Yang ZN, Zhang S (2010). Genetic mapping and functional analysis of Arabidopsis thaliana male
sterile mutant ms1142. Chin Bull Bot 45, 404–410.
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* Author for correspondence. E-mail: senzhang@shnu.edu.cn
(责任编辑: 刘慧君)






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