全 文 ：植物学报 Chinese Bulletin of Botany 2010, 45 (3): 345–353, www.chinbullbotany.com
doi: 10.3969/j.issn.1674-3466.2010.03.006

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收稿日期: 2009-12-11; 接受日期: 2010-03-18
基金项目: 国家自然科学基金(No.39870423)
* 通讯作者。E-mail: shechaowen@yahoo.com.cn
玉米rRNA基因的组织和表达模式
佘朝文1, 2*, 蒋向辉1, 2, 宋运淳3
1怀化学院生命科学系, 怀化 418008; 2怀化学院民族药用植物资源研究与利用湖南省重点实验室, 怀化 418008
3武汉大学生命科学学院植物发育生物学教育部重点实验室, 武汉 430072
摘要 玉米(Zea mays)只有1对45S rDNA位点并在分裂期染色体形成次缢痕, 是研究植物细胞rRNA基因组织和表达模式
的简单模型。采用荧光原位杂交(fluorescence in situ hybridization, FISH)、CPD(PI与DAPI组合)染色和银染技术, 分析了
玉米根尖分生细胞rRNA基因的组织和表达模式。45S rDNA探针在所有间期细胞核中显示2种杂交信号: 荧光强烈地位于核
仁周边的纽, 而相对较弱地分布于核仁内的点。在部分细胞中可观察到点与纽相连或从纽发出; 点的数目越多, 纽变得越
小; 点的数目多少与细胞的活性呈正相关。研究结果表明, 纽代表了处于凝缩状态的非活性的rDNA染色质, 纽解凝缩形成
的点是rRNA基因活跃转录的细胞学表现; 不同阶段间期核的点的数目变化反映了被活化的rRNA基因数目不同。间期和前
期细胞的CPD染色和相继的银染结果显示, 大部分rDNA染色质没有参与核仁的形成。rDNA FISH显示, 同一间期细胞的2
个同源rDNA位点的表达水平存在差异, 同源染色体次缢痕的长度差异以及Ag-NOR和银染核仁的异态性进一步证实了这
种差异的存在。FISH结果显示, 早中期细胞的rDNA染色质相对解凝缩, 银染在所有早中期细胞和部分中期细胞显示了明显
的核仁, 表明玉米的rRNA基因在有丝分裂早中期有较活跃的转录, 其转录在晚中期才停止。
关键词 CPD染色, 表达模式, 荧光原位杂交, rRNA基因, 银染, 玉米
佘朝文, 蒋向辉, 宋运淳 (2010). 玉米rRNA基因的组织和表达模式. 植物学报 45, 345–353.
核仁是真核生物间期细胞内非常显著的细胞核
结构, rRNA基因的转录、转录后的加工及核糖体颗粒
生成都在其中进行(Shaw and Jordan, 1995; Scheer
and Hock, 1999; Huang, 2002; Sirri et al., 2008)。长
期以来, 人们更多地关注核仁的结构和功能研究, 因
为它是一个既可以在分子水平又可以在细胞水平研
究特定基因(即rRNA基因)表达的一种细胞核结构。动
植物体细胞和酵母细胞的核仁都是由界限分明的3种
结构组分构成, 即纤维中心(fibrillar center, FC)、致
密纤维成分(dense fibrillar component, DFC)和颗粒
成分(granular component, GC)(Shaw and Jordan,
1995; Scheer and Hock, 1999; Raška, 2003)。细胞
生物学研究表明, FC是核仁组织区(nucleolar organ-
izer region, NOR)的对应物, 含有rRNA基因(Koberna
et al., 2002; Tao et al., 2003), 而DFC和FC/DFC边界
则是rRNA前体合成的主要地点(Koberna et al., 2002;
Huang, 2002; Raška et al., 2004)。
采用45S rDNA探针对间期核的rRNA基因进行
荧光原位杂交 (fluorescence in situ hybridization,
FISH)定位能够显示rDNA染色质在间期核中的组织
和表达模式(Rawlins and Shaw, 1990; Leitch et al.,
1992; Highest et al., 1993)。对一些动植物的研究表
明, 在基因组rDNA位点的几百乃至上千个rDNA重复
单位拷贝中, 具有活性的rRNA基因只占很少部分。例
如, 在豌豆(Pisum sativum)中只有大约5%的rDNA单
位被转录(González-Melendi et al., 2001)。目前根据
rDNA染色质的组织模型可以认为rDNA位点的一部
分rRNA基因被封装成异染色质, 因而不能接近转录
机器 , 而另一部分则是常染色质化的和转录的
(Carmo-Fonseca et al., 2000)。FISH分析表明, 植物
间期核rDNA信号主要有2种类型: 较大并显示强荧光
的纽(knob)和较小且荧光相对较弱的点(spot or fo-
cus)(Rawlins and Shaw, 1990; Leitch et al., 1992;
Highest et al., 1993; Montijn et al., 1994; Delgado et
·研究报告·
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al., 1995; Morais-Cecílio et al., 2000; Caperta et al.,
2002; Pontes et al., 2003)。在有些植物(如黑麦)中还
可观察到从纽发出的rDNA染色质细丝(Caperta et
al., 2002)。
CPD(PI与DAPI组合)染色是检测45S rDNA和其
它GC丰富的染色体区的有效方法, GC丰富的染色体
区被染成红色带纹或块而与其它染色体区相区分
(She et al., 2006)。银染(Ag staining)是用于检测核
仁 和 NOR 在 染 色 体 上 位 置 的 最 普 通 的 方 法
(Goodpasture and Bloom, 1975; Howell and Black,
1980; Rufas et al.,1982)。这一技术是基于对一套与
活性rRNA基因相关联的嗜银蛋白的检测。这些蛋白
质存在于整个间期细胞的核仁内, 能够在酸性条件下
将银还原, 使核仁显现为深褐色, 也使分裂期染色体
的NOR(往往是次缢痕)产生深褐色的Ag-NOR。因此,
Ag-NOR可以作为先前细胞间期rRNA基因转录的指
示物(Hubbel, 1985; Jimenez et al., 1988; Robert-
Fortel et al., 1993; Morais-Cecilio et al., 2000)。一些
研究证明, 中期染色体的Ag-NOR的大小及银染的强
度与先前间期细胞rRNA基因的转录活性的强弱呈正
相关(Robert-Fortel et al., 1993; Zurita et al., 1997,
1998, 1999; Morais-Cecílio et al., 2000)。因此, 通
过显示银染核仁和Ag-NOR, 不仅可以判断 45S
rDNA位点的表达情况, 还可以分析同源(或非同源)
rDNA位点的表达差异(Zurita et al., 1999; Caperta et
al., 2002; She et al., 2004)以及基因组重建对rDNA
位 点 表 达 的 影 响 (Delgado et al., 1995; Mo-
rais-Cecílio et al., 2000; Caperta et al., 2002)。
玉米(Zea mays)(2n=20)是经典的细胞学研究材
料。它只有1对位于6号染色体短臂上的45S rDNA位
点, 而且分裂期染色体在rDNA位点处形成次缢痕,
因此它是研究植物rRNA基因组织和表达模式的简单
模型。尽管采用FISH技术或综合FISH和银染技术已
经对几种植物的间期核rRNA基因的组织和表达模式
进行了研究(Rawlins and Shaw, 1990; Leitch et al.,
1992; Highest et al., 1993; Delgado et al., 1995;
Caperta et al., 2002; Pontes et al., 2003), 但对玉米
rRNA基因的组织和表达模式的研究尚未见报道。本
研究采用荧光原位杂交(FISH)、CPD染色和银染技
术, 分析了玉米根尖分生细胞rRNA基因的组织和表
达模式, 以期为玉米细胞学研究提供新的资料。
1 材料与方法
1.1 染色体制片
玉米(Zea mays L.)自交系黄早四由山东农业大学宋
建成教授提供。用垫有双层滤纸的培养皿培养玉米种
子, 待根长至1–1.5 cm时切取根尖, 用饱和α-溴萘在
室温下预处理2.5小时。预处理后的根尖用固定液(甲
醇:冰醋酸＝3׃1, v/v)固定。制片时, 先用双蒸水充分
清洗根尖, 然后用1%纤维素酶(cellulase RS)、1%果
胶酶(pectolyase Y23)及1%蜗牛酶(cytohelicase)的
混合液(用柠檬酸缓冲液配制, pH4.5)在28°C下酶解3
小时。吸出酶液, 用双蒸水冲洗根尖1–2次, 固定液
(甲醇:冰醋酸＝3׃1, v/v)固定后用火焰干燥法制片。染
色体装片于–20°C下贮存备用。
1.2 原位杂交及检测
45S rDNA克隆自番茄(Perry and Palukaitis, 1990),
由美国Nebraska大学Arumuganathan教授提供。采
用Dig-16-UTP用缺口平移反应试剂盒(购自华美生物
工程公司)标记45S rDNA。
原位杂交及其检测按照She等(2006)的方法进
行。用抗地高辛-FITC和兔抗羊-FITC(Roche Diag-
nostics, Mannheim, Germany)检测和放大杂交信号。
用 DAPI 复染染色体 , 在装有 Sensys CCD
1401E照相系统的Olympus BX60荧光显微镜下观察
标本。照相系统采用V++图像软件控制。分别用紫外光
(UV)和蓝色(WB)激发滤色片, 之后观察和拍摄染色体
和杂交信号。用Adobe Photoshop软件处理图片。
1.3 CPD染色
CPD染色参照Andras等(2000)的方法。在Olympus
BX60荧光显微镜下观察装片, 分别用绿色 (WG)和
紫外光(UV)激发滤色片, 之后观察PI和DAPI染色。利
用Sensys CCD 1401E系统和V++图像软件拍摄和合
成照片。CPD图像通过合成PI和DAPI染色的灰度图
来获得。用Adobe Photoshop软件进行染色体测量和
图片处理。
1.4 银染
将CPD染色的染色体装片进行银染。完成CPD染色和
观察后的制片用2×SSC浸洗3次, 每次5分钟, 然后
佘朝文等: 玉米 rRNA 基因的组织和表达模式 347
用70%、95%和100%乙醇系列脱水, 风干后进行银
染。银染参照Howell和Black(1980)的方法并略作修
改。染色体装片在65°C下干燥30分钟, 然后加20%的
明胶溶液100 μL和新配制的50%的硝酸银溶液200
μL, 混匀, 涂布于装片的材料部位。将装片置于培养
皿, 60°C水浴5–6分钟, 然后用流水冲洗, 加5%的硫
代硫酸钠处理4–5分钟, 再用流水冲洗, 并在空气中
自然干燥。用Olympus BX60荧光显微镜在普通光源
下观察并拍照, 并记录先前CPD分析过的间期核和
分裂相的银染情况。用Adobe Photoshop软件测量玉
米次缢痕的长度和45S rDNA位点的大小(共测50个
细胞), 计算次缢痕占整个rDNA位点长度的比例。用
χ2方法对玉米同源rDNA位点的次缢痕长度差异进行
显著性检验。
2 结果与讨论
2.1 有丝分裂早中期和中期rDNA位点的FISH特征
在有丝分裂的中期细胞中, 45S rDNA探针在2条第6染
色体的短臂上产生了大小和强度相同的凝缩杂交信号
(图1A)。在有丝分裂早中期细胞, 第6染色体具有伸长
的次缢痕, 次缢痕上的rDNA杂交信号比中期染色体信
号的凝缩程度低, 可以看出由许多杂交点组成(图1B)。
2.2 间期核rDNA染色质的FISH特征
玉米间期核的rDNA染色质能够被地高辛标记的45S
rDNA探针清楚地显示(图1C–J)。经DAPI染色后, 间
期细胞的核仁表现为圆形或不规则形状的弱荧光区
或非荧光区(图1C–J)。在所有间期核中都能观察到2
种rDNA FISH信号: 一种是位于核仁周边的较大且荧
光强的纽, 它所对应的染色质是DAPI亮染的异染色
质块; 另一种是位于核仁内的较小且荧光相对较弱的
点, 它们一般呈圆形, 相互间在大小和荧光强度上比
较接近, 有些大的点可明显看出是由2个或多个小的
点紧密靠在一起形成的(图1C, E–J)。点所对应的染色
质在DAPI染色的间期核中通常难以观察到(图1C,
D)。在部分间期核中可观察到点与纽相连或明显地从
纽发出的情况(图1C, E, F, H, I), 还可明显观察到部
分杂交点排列成一条直线, 像项链的串珠, 但多数点
的排列并没有规律。有的细胞的点很分散, 相互间距
离很远(图1F, I)。在所有间期核中都没有观察到点之
间有rDNA细纤丝相连, 点只分布在部分核仁区。在有
些间期核中, 所有的点都离纽较远, 纽与点之间没有
rDNA细纤丝相连(图1G, J)。
不同间期细胞的点的数目变化很大。点的数目的
变化呈现明显的规律性, 即间期细胞的核仁越大、越
显著, 其点的数目越多。点数目的多少与纽的大小有
明显的相关性, 即点的数目越多, 纽变得越小(图1C,
E–J)。对50个间期细胞的分析表明, 核仁内点最多为
50个。即使间期核显示最大数量或接近最大数量点的
时候, 其纽也没有彻底解凝缩而消失, 仍可区分(图
1I, J)。我们还观察到, 同一间期核的2个同源rDNA位
点的点数目不同, 且具有明显的差别(图1C, H)。在玉
米的所有间期细胞中, rDNA位点彼此分离, 或2个位
点虽然靠得较近, 但并没有发生融合(图1C, E–J)。
2.3 间期核与分裂期染色体的CPD染色和银染特征
为了进一步分析玉米rDNA位点的基因表达情况, 我
们对间期核及有丝分裂染色体进行了CPD染色和相
继的银染分析(图1K–Q)。间期核在CPD染色后显示
了2个位于核仁周边的红色异染色质块(图1K), 随后
的银染显示, 这2个异染色质块没有参与核仁的形成
(图1L)。对早中期细胞CPD染色和相继的银染分析也
证实, 大部分的rDNA染色质没有伸入到核仁中(图
1K, L)。在间期和早中期细胞中, 没有伸入核仁的
rDNA染色质不被硝酸银深染, 其颜色与其它的染色
质(体)部分接近(图1K)。对于中期细胞, 银染信号(即
Ag-NOR)只出现在染色体的次缢痕, 而处于近着丝
粒端的大部分rDNA染色质没有深色的银染信号(图
1M, N)。对50个CPD染色的中期分裂相的rDNA位点
总长度和次缢痕长度的测量表明, 次缢痕长度平均占
rDNA位点总长度的28%。这些研究结果表明, 玉米
rDNA位点的大部分rRNA基因(位于近着丝粒端)没有
参与核仁的形成, 没有转录活性, 在间期和分裂期呈
高度凝缩的异染色质状态, 而只有位于远着丝粒端的
少部分rRNA基因具有转录活性, 参与核仁的形成。这
部分rDNA染色质在间期和早中期细胞都处于解凝缩
状态, 并在中期染色体上形成次缢痕。大部分玉米的
间期核被银染后显示1个大核仁, 少数显示2个核仁,
而且2个核仁的大小常常差异较大(图1Q)。对50个
CPD染色的中期分裂相的测量表明, 次缢痕长度在
同源染色体间差异显著(P＜0.05)。此外, 银染结果显
348 植物学报 45(3) 2010
示, 部分晚中期细胞还存在染色较深, 但较间期、早
中期细胞浅的核仁区(图1O, P)。
2.4 讨论
2.4.1 间期核活性rRNA基因的结构基础
本研究的rDNA FISH分析揭示, 纽和点是玉米间期核
rDNA染色质的组织模式, 这与前人对几种高等植物
间期细胞的 rDNA染色质的研究结果相似 (Rawlins
and Shaw, 1990; Leitch et al., 1992; Highest et al.,
1993; Montijn et al., 1994; Delgado et al., 1995;
Morais-Cecílio et al., 2000; Lim et al., 2000; Ca-
perta et al., 2002; Pontes et al., 2003)。本研究结果
表明, 显示强荧光的纽不仅通常比点大许多, 而且还
对应于DAPI亮染的异染色质块 , 显然它是凝缩的
rDNA异染色质。CPD染色和相继的银染证明, 位于
核仁周边的rDNA染色质块不参与核仁的形成, 这说
明纽是凝缩的非活性的rDNA染色质。我们的研究结
果显示, 点无一例外地存在于核仁内, 在一些细胞中
明显可见点与纽相连或从纽发出; 间期细胞点的数目
与DAPI染色所显示的核仁显著程度呈正相关, 而且
间期细胞的核仁内点的数目越多, 位于核仁周边的纽
就变得越小。以上结果表明, 核仁内的点是凝缩的
rDNA染色质(即纽)解凝缩的结果, 点数目的差异是
rDNA异染色质解凝缩的多少和程度不同所致。因此
可以肯定, rDNA位点解凝缩形成点是rRNA基因活跃
转录的表现, 而且点越多说明间期细胞的rDNA转录
越活跃。
然而, 关于点代表什么及rDNA的转录发生在核
仁的什么结构中, 至今仍然有不同的解释。核仁内的
点最初被认为是把转录的rRNA活性基因隔开的不表
达的rDNA凝缩区, 而表达的rRNA基因则是点之间的
rDNA细纤丝部分(Leitch et al., 1992)。这种解释与我
们所得到的玉米间期核rDNA的FISH结果相矛盾。我
们的结果显示, 细胞越活跃点就越多。FISH实验没有
显示出在黑麦间期核中发现的那种点之间的rDNA细
_________________________________________________________________________________________________________
→
图1 45S rDNA荧光原位杂交、CPD染色和银染后的玉米根尖有丝分裂染色体和间期核
(A)–(J) 45S rDNA荧光原位杂交 (A) 有丝分裂中期染色体, 显示大小相等的2个rDNA位点的杂交信号; (B) 有丝分裂早中期细胞,
其次缢痕伸展得较长, 显示许多杂交点; (C)–(J) 间期核, 各图均显示了核仁周边的2个纽(箭头所示)和数目不同的位于核仁内的点,
(C)和(H)中与2个纽相连或靠近的点数目不同, (C)与(D)是同一个核, (D)只显示了DNA的DAPI染色, 可见与2个纽对应的异染色质块
(箭头所示)大小不同; (G)中的点都远离2个纽; (I)和(J)都显示大量的点, 但2个纽仍然显著; (K)–(Q) CPD染色和银染 (K) CPD染色
的间期和早中期细胞, 显示凝缩的rDNA染色质部分(红色, 箭头所示); (L)和(K)是相同的细胞, 显示银染核仁, 可见凝缩的rDNA部
分(箭头和剪刀号所示)没有参与核仁形成; (M) CPD染色的中期细胞, 箭头显示同源rDNA位点的次缢痕长度有差异; (N)与(M)是同一
个细胞, 大小有差异的2个Ag-NOR位于次缢痕(箭头所示); (O)和(P)是同一个中期细胞的CPD染色和银染, 存在明显的核仁区; (Q)
2个银染间期核, 其中1个间期核有2个大小差别很大的核仁。Bar=10 μm

Figure 1 Mitotic chromosomes and interphase nuclei of maize after FISH with 45S rDNA probe, CPD staining and silver stain-
ing
(A)–(J) FISH with 45S rDNA probe (A) A mitotic metaphase cell showing two hybridization sites in an identical size; (B) A mitotic
prometaphase cell whose secondary constrictions are distended and consist of many spots; (C)–(J) Interphase nuclei, all show
two perinucleolar knobs (indicated by arrows) and intranucleolar spots with different numbers; The numbers of spots associated
with or near knob are obviously different between the two knobs in figure (C) and (H); (D) The same nucleus as in figure (C) only
showing DAPI staining for DNA; The heterochromatic blocks (indicated by arrows) corresponding to the two knobs in figure (C)
are different in size; (G) All the spots are away from the knobs; (I), (J) A large number of spots and the knobs are still obvious;
(K)–(Q) Sequential CPD and silver staining (K) Interphase and prometaphase cells stained with CPD, showing condensed rDNA
(red, indicated by arrows); (L) The same cell as in figure (K) stained with silver, revealing the existence of nucleoli and that the
condensed rDNA is not involved in the formation of the nucleoli (indicated by arrows or scissors); (M) A metaphase cell stained
with CPD showing that the secondary constrictions corresponding to homologous rDNA sites are different in size; (N) The same
cell as in figure (M), showing two heteromorphic Ag-NORs (indicated by arrows) corresponding to the secondary constrictions in
position and size; (O), (P) A same metaphase cell sequentially stained with CPD and silver, showing the existence of nucleolus;
(Q) Two silver-stained nuclei, one of them shows two nucleoli in different sizes. Bar=10 μm

佘朝文等: 玉米 rRNA 基因的组织和表达模式 349
纤丝(Caperta et al., 2002), 但观察到部分点呈明显
的串珠状排列, 说明点之间应该有rDNA细纤丝相连,
但其可能极度解凝缩, 在FISH方法的灵敏度范围内
不能被检测出来。也有观点认为, 没有被FISH显示的
点之间的间隙可能是 rDNA重复单位的 IGS (inter-
genic spacer)部分, 因为它们与rDNA探针的IGS没
有同源性而不被检测出来(Lim et al., 2000)。本研究
结果不支持这一推测, 因为有些点之间可以相距很
远, IGS不可能有那么长。更重要的是, 本实验使用的
探针来自番茄, 含有番茄rDNA重复单位的IGS(Perry
and Palukaitis, 1990), 但此探针也没能在番茄间期
核的点之间显示出rDNA细纤丝(未发表资料)。
另一种解释认为, 核仁内的点对应于1个或几个
rRNA基因(Montijn et al., 1994)。采用BrUTP掺入和
18S rRNA基因FISH双标记的方法对豌豆的分析显
示, rDNA的FISH杂交点与BrUTP标记的rDNA转录单
位对应, 但核仁周围的纽则没有显现转录标记信号
(González-Melendi et al., 2001)。Koberna等(2002)
对人类HeLa细胞的rDNA及其转录物进行的共定位
研究也发现, 核仁内的全部转录信号与rDNA的FISH


350 植物学报 45(3) 2010
杂交点共定位, 只有少数的位于核仁周边的rDNA杂
交点(相当于我们在植物中描述的纽)没有与转录信号
共定位。因此, 在光学显微镜的分辨范围内, 大多数
的rDNA杂交点被确定为具有转录活性的中心, 少数
没有显示转录活性的杂交点是没有转录活性的沉默
的rRNA基因。Koberna等(2002)结合光学显微镜和电
子显微镜对rDNA转录物进行的共定位进一步证实,
光学显微镜下的核仁BrUTP信号对应于电镜下的单
个FC及其周围的DFC。基于以上研究成果和我们的
研究结果, 可以推测, FISH所显示的玉米细胞核仁内
的点代表了核仁内活性rRNA基因组织的结构单位,
是rRNA合成发生的地方。

2.4.2 同源rDNA位点的差异表达活性
CPD染色与rDNA FISH分析显示, 玉米中期染色体
的同源rDNA位点的杂交信号大小和强度一样,表明玉
米同源rDNA位点之间具有等量的rRNA基因(Zurita
et al., 1998)。但是, 玉米同一间期核的2个同源rDNA
位点的解凝缩情况常常不同, 表明它们的表达活性存
在差异。同源染色体之间次缢痕的长度差异以及
Ag-NOR和银染核仁的异态性, 进一步证明玉米具有
相同基因数的同源rDNA位点间表达活性不同。
根据内或种间 rDNA转录调节的研究提出的
“rDNA位点间竞争浓度有限的基本转录因子”的模
型(Zurita et al., 1998, 1999; Pikaard, 1999)尚不能解
释这种同源rDNA位点差异表达的现象。因为这一模
型认为, 不同的rDNA位点有自己独特的募集转录因
子的能力 , 这种能力主要取决于该位点所含有的
rRNA基因数。有证据显示, 尽管单个的转录单位可能
在整个细胞分裂中显示不同的表达模式, 但特定的
rDNA位点在细胞分裂之间仍保持自己相对稳定的转
录水平(Damman et al., 1995; Roussel et al., 1996;
French et al., 2003)。因此, 我们所观察到的这种
rDNA同源位点间的差异性, 可能来自每次细胞分裂
之后建立的差异表达模式或发育过程中较早决定并
保持下来的模式。

2.4.3 有丝分裂期rRNA基因的表达
一般认为, rRNA基因在细胞分裂间期活跃转录, 在有
丝分裂期则被抑制。已有研究表明, PtK1细胞(有袋大
鼠肾细胞)的rDNA转录在前期仍然活跃, 从早中期至
早后期停止 , 在晚后期又被活化(Gébrane-Younès
et al., 1997)。我们的rDNA FISH分析显示, 玉米早中
期细胞存在延伸的次缢痕, 其FISH信号也处于相对
解凝缩的状态, 说明玉米的rDNA转录在早中期还没
有停止, 对玉米的早中期细胞的银染分析进一步证实
了这一点。部分中期细胞的银染结果显示还存在明显
的与NOR相连的核仁, 说明玉米rRNA基因的转录在
有丝分裂晚中期才完全停止。
对于有丝分裂期中, 由RNA聚合酶I驱动的rRNA
基因转录的停止时间要比由RNA聚合酶II和RNA聚合
酶III驱动的基因转录的停止时间晚一些的原因, 目前
已有一些研究。在早中期, rDNA位点以外的其它染色
体区已多呈高度凝缩的状态, 这种高度凝缩的染色质
构型已经不允许RNA聚合酶和其它转录因子进入
(Kornberg and Lorch, 1992; Zlatanova and van
Hoide, 1992), 因而这些染色体区所含基因的转录应
该已经停止。许多研究证明, RNA聚合酶I转录机器在
整个有丝分裂期都没有脱离, 仍然与NOR的rRNA基
因结合在一起 (Weisenberger and Scheer, 1995;
Jordan et al., 1996; Roussel et al., 1996; Gébrane-
Younès et al., 1997; Sirri et al., 1999), 这使有丝分
裂期间rRNA基因的表达在转录延长水平受到调节
(Weisenberger and Scheer, 1995)。可能正是这样的
结合和表达调节机制, 允许rDNA染色质在较晚的时
候凝缩, 其中的基因转录也停止较晚, 使得rRNA基
因在有丝分裂后期能够立即重新活化, 以满足随后蛋
白质合成的需要(Weisenberger and Scheer, 1995)。
本研究结果显示, 玉米rRNA基因的转录较动物细胞
停止更晚, 其原因和机制有待进一步研究。
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佘朝文等: 玉米 rRNA 基因的组织和表达模式 353
Analysis of Organization and Expression Pattern of
rRNA Gene in Maize
Chaowen She 1, 2*, Xianghui Jiang 1, 2, Yunchun Song3
1Department of Life Sciences, Huaihua University, Huaihua 418008, China; 2Key Laboratory of Research and Utilization of
Ethnomedicinal Plant Resources of Hunan Province, Huaihua University, Huaihua 418008, China; 3Key Laboratory of Minis-
try of Education for Plant Developmental Biology, College of Life Sciences, Wuhan University, Wuhan 430072, China
Abstract Maize (Zea mays L.) has a single pair of 45S rDNA sites that forms secondary constrictions in mitotic cells,
and thus presents a simple model for studying the organization and expression pattern of rRNA genes in plants. We
analyzed the organization and expression pattern of rRNA genes in root-tip meristematic cells of maize by fluorescence in
situ hybridization (FISH), combined PI and DAPI (CPD) staining and silver staining. An 45S rDNA probe revealed two
types of signals in all interphase nuclei: strongly fluorescing perinucleolar knobs and less-strongly fluorescing intranucle-
olar spots. The spots associated with or emanating from knobs were observed in a portion of nuclei. The more spots
shown, the smaller are the knobs, and the number of spots was correlated with the activity of interphase cells. Thus,
knobs represent condensed inactive rDNA chromatin, and the formation of spots decondensed from knobs is the cyto-
genetic manifestation of active rRNA gene transcription. The variation in number of spots among nuclei of different stages
reflects the difference in number of activated rRNA genes. Sequential CPD and silver staining in interphase and prophase
cells revealed that most of the rDNA chromatin did not participate in the formation of the nucleolus. The interphase rDNA
FISH results also showed that the level of expression differed between the homologous 45S rDNA sites, which was further
confirmed by the difference in length of secondary constriction of homologous chromosomes and differences in the size of
homologous Ag-NORs and nucleoli. FISH results showed that the rDNA chromatin in prometaphase cells was relatively
decondensed, and silver staining showed the existence of prominent nucleoli in all prometaphase cells and a portion of
metaphase cells. These findings indicate that rDNA transcription is active during prometaphase and does not stop until
late metaphase.
Key words CPD staining, expression pattern, fluorescence in situ hybridization, rRNA gene, silver staining, Zea mays
She CW, Jiang XH, Song YC (2010). Analysis of organization and expression pattern of rRNA gene in maize. Chin Bull
Bot 45, 345–353.
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* Author for correspondence. E-mail: shechaowen@yahoo.com.cn
(责任编辑: 白羽红)