全 文 ：园 艺 学 报 2013，40（4）：767–772 http: // www. ahs. ac. cn
Acta Horticulturae Sinica E-mail: yuanyixuebao@126.com
收稿日期：2012–12–05；修回日期：2013–03–09
基金项目：‘十二五’农村领域国家科技计划课题（2012AA100202-5）；河北省自然科学基金项目（C2010000677）
* 并列第一作者
** 通信作者 Author for correspondence（E-mail：yywyh@hebau.edu.cn；yyzch@hebau.edu.cn）
单倍体大白菜减数分裂分析及单体植株的获得
刘富强，代双艳*，王彦华**，张成合，申书兴
（河北农业大学园艺学院，河北保定 071001）
摘 要：以大白菜小孢子培养获得的单倍体植株为材料，观察花粉母细胞减数分裂行为，测定花粉
生活力和单倍体植株杂交的结实性，并对子代植株的染色体进行了鉴定。结果表明：大白菜单倍体减数
分裂不规则，中期Ⅰ单价体游离于赤道板附近或排列在赤道板上，可见 1 ~ 2 个局部联会的二价体或 1 个
局部联会的三价体；后期Ⅰ单价体大多能够移向两极，包含 0/10、1/9、2/8、3/7、4/6 和 5/5 等分离方式，
少数移向三极，包含 1/4/5 和 2/2/6 等分离方式；减数分裂产物包含二分孢子、三分孢子和四分孢子等；
单倍体植株与二倍体植株杂交表现高度不育，平均每荚结籽仅为 0.068 粒；11 个子代植株中 10 株为二倍
体（2n = 20），1 株为单体（2n–1 = 19）。
关键词：大白菜；单倍体；减数分裂；单体植株
中图分类号：S 634. 1 文献标志码：A 文章编号：0513-353X（2013）04-0767-06

Analysis of Meiotic Behavior of Haploid Chinese Cabbage and Selection of
a Chromosome Monosomic Plant
LIU Fu-qiang，DAI Shuang-yan*，WANG Yan-hua**，ZHANG Cheng-he，and SHEN Shu-xing
（College of Horticulture，Agricultural University of Hebei，Baoding，Hebei 071001，China）
Abstract：Meiotic behavior and pollen viability of the haploid Chinese cabbage derived from
microspore culture were studied and the chromosome numbers of progeny plants of the haploid plants
crossing to the diploid plants were examined in the present report. The results showed the meiotic behavior
of the haploid Chinese cabbage was abnormal. At metaphaseⅠ，the univalents were either moved to the
center of the cell（equatorial plane）or scattered in the cytoplasm，occasionally 1–2 bivalents or one
trivalent occurred；At anaphase Ⅰ，the chromosomes freely went to opposite poles，resulting in 0/10，
1/9， 2/8，3/7，4/6 and 5/5 chromosome distributions，occasionally to three poles，forming 1/4/5，2/2/6
and so on chromosome distributions. The products of the meiosis included tetrads，dyads and triads. The
seed set of the haploid plants × the diploid plants by artificial pollination was very low，only about 0.068
seeds per pod. By chromosome number identification，of the total 11 progeny plants，ten plants were
diploid （2n = 20）and one monsomic plant（2n–1 = 19）.
Key words：Chinese cabbage；haploid；meiosis；monosomic plant

减数分裂是有性生殖生物世代交替的关键环节，它不仅保障了物种世代间染色体数的恒定性，

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也为进化及育种提供了丰富的变异来源（Hernandez-Hernandez et al.，2009）。关于植物二倍体的减
数分裂研究已有许多报道，涉及到减数分裂过程中同源染色体的识别、联会、重组和分离 （Li & Ma，
2006；Scherthan，2007；Murphy & Bass，2012），以及联会复合体的结构和作用（Nonomura et al.，
2004） 等各个方面。对于植物单倍体的减数分裂行为亦有许多观察，但主要涉及非同源染色体在减
数分裂前期Ⅰ或中期Ⅰ的联会行为和次级联会等问题（Armstrong & Keller，1981；Crane et al.，1982；
Neijzing，1982；Gong et al.，2011），而对染色体在后期Ⅰ的分离、小孢子形成、花粉育性和结实
性研究较少。从单倍体植株与二倍体植株杂交子代中分离单体植株的研究尚未见报道。
近年来，本实验室利用小孢子培养获得了许多大白菜[Brassica campestris L. ssp. pekinensis
（Lour.）Olsson]花粉植株，并通过四倍体大白菜小孢子培养获得了系列初级三体（申书兴 等，2006）
和部分单体（罗双霞 等，2012）等新材料。本研究中利用小孢子培养获得的大白菜单倍体植株，对
其减数分裂行为、花粉育性和结实性进行观察分析，并通过对其杂交子代的染色体数鉴定及核型分
析进行单体材料选育，旨在为大白菜单倍体育种和遗传研究奠定细胞学基础。
1 材料与方法
供试材料为小孢子培养获得的大白菜‘85-1’的单倍体植株。于 2011 年 1 月底将小孢子培养获
得的单倍体植株移栽到日光温室。开花初期取大小适宜的花蕾置于 Canoy 液（95%乙醇︰冰醋酸 =
3︰1）中固定 48 h，供减数分裂观察。开花期取新鲜成熟花药测定花粉生活力，同时进行与二倍体
亲本回交。减数分裂观察采用常规压片法，PIHCH 染色液（丙酸–铁–水合三氯乙醛–苏木精）染
色，Olympus BH-2 光学显微镜观察、照相。花粉生活力测定采用 TTC（红四氮唑）染色法。将单
倍体回交种子经 0.1%升汞消毒后接种于 1/2 MS 培养基中，待根长约 1 ~ 1.5 cm 时，分别切取每个
籽苗的根尖置 0.002 mol · L-1 的 8–羟基喹啉水溶液中预处理 2 h，然后用 Carnoy 液固定 24 h。根尖
压片法制片，挑选染色体分散、形态结构清晰的中期染色体进行计数和照相。参照李懋学和张赞平
（1996）的方法进行核型分析。
2 结果与分析
2.1 大白菜单倍体植株的形态特征
大白菜单倍体植株能正常生长发育，开花期植株与二倍体大白菜植株基本一致，但较矮小，花
枝较细弱，叶片细长，花瓣浅黄色，花药小且仅有少量花粉。
2.2 大白菜单倍体植株的减数分裂行为
观察表明，大白菜单倍体植株的花粉母细胞较二倍体植株小，且数量较少。细线期，可见核仁
和丝状染色体（图 1，A）；终变期，可见 6 个单价体和 2 对局部联会的二价体（图 1，B）；中期Ⅰ，
单价体游离于赤道板附近或排列在赤道板上，可见 8 个单价体和 1 对局部联会的二价体（图 1，C）
或 6 个单价体和 2 对局部联会的二价体（图 1，D）或 7 个单价体和 1 个局部联会的三价体（图 1，
E）；后期Ⅰ，10 个单价体大多随机移向两极，移向两极的染色体数不等，包含 0/10、1/9、2/8、3/7、
4/6 和 5/5 等各种方式（图 1，F ~ L），此外亦有移向三极的 1/4/5、2/2/6 等分离方式（图 1，M ~ N）；
在两极分离的细胞中，有的可进行正常的第二次分裂，即中期Ⅱ染色体排在赤道板上（图 1，O）、
继而姊妹染色单体分离形成四分孢子（图 1，P），有的则不经中期Ⅱ环节，姊妹染色单体分开后直
接形成二分孢子（图 1，Q ~ S）；在三极分离的细胞中，姊妹染色单体分开后大多直接形成三分孢
4 期 刘富强等：单倍体大白菜减数分裂分析及单体植株的获得 769



图 1 大白菜单倍体花粉母细胞减数分裂行为及单体植株的细胞学研究
A：细线期；B：终变期，6Ⅰ+ 2Ⅱ，箭头指局部联会的二价体；C ~ E：中期Ⅰ，8Ⅰ+ 1Ⅱ、6Ⅰ+ 2Ⅱ、7Ⅰ+ 1Ⅲ，箭头指局部联会的二价
体和三价体；F ~ L：后期Ⅰ，示染色体 0/10、1/9、2/8、3/7、4/6、5/5 等二极分离，箭头指局部联会的二价体；M、N：后期Ⅰ，示染色体
1/4/5、2/2/6 等三极分离；O：中期Ⅱ，箭头指局部联会的二价体；P：四分孢子；Q ~ S：示二分孢子的形成过程；T、U：示三分孢子的形
成过程；V：大小不等的小孢子；W：单体植株的核型，箭头指呈单的随体染色体；X：单体植株减数分裂终变期，9Ⅱ+ 1Ⅰ，箭头指单价
体；Y：单体植株减数分裂中期Ⅰ，箭头指单价体；Z：单体植株减数分裂后期Ⅰ，示 9/10 分离。
Fig. 1 Meiotic behaviors of the haploid pollen mother cells Chinese cabbage and the cytological studies of the monosomic plant
A：Leptonema；B：Diakinesis，showing 6 univalents and 2 bivalents；C–E：Metaphase Ⅰ，showing 8 univalent and one bivalent，6 univalent
and 2 bivalents，7 univalent and one trivalent respectively；F–L：AnaphaseⅠ，showing 0/10，1/9，2/8，3/7，4/6 and 5/5 distributions；M，N：
AnaphaseⅠ，showing 1/4/5 and 2/2/6 distributions；O：Metaphase Ⅱ，arrow showing bivalents；P：Tetrad；Q–S：Showing the process of dyad
formation；T，U：Showing the process of triad formation；V：Microspores；W：Karyotype of monsomic plant，arrow showing a single chromosome
with a satellite；X：Diakinese of the monsomic plant，showing 9 pair and 1 univalent；Y：MetaphaseⅠof the monsomic plant，arrow showing a
univalent；Z：AnaphaseⅠof the monsomic plant，showing 9 chromosomes in one pole and 10 chromosomes in another pole.
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子（图 1，T ~ U）。由于染色体分离的不均衡，最终形成大小不等的小孢子（图 1，V）。值得注意
的是在后期Ⅰ和中期Ⅱ仍可见到局部联会的二价体（图 1，J、O）。
对中期Ⅰ二价体和三价体的形成频率及后期Ⅰ移向两极的染色体数进行了统计。结果表明，中
期Ⅰ含有 1 个和 2 个二价体（Ⅱ）的细胞频率分别为 38.24%和 23.13%，含有 1 个三价体（Ⅲ）的
细胞频率为 1.49%（表 1）；后期Ⅰ4/6 分离的细胞最多，约占 37.41%，其次是 5/5 分离的细胞，约
占 26.53%；另外，1/9 分离的细胞约占 4.76%（表 2），它是形成 n–1 配子和分离单体植株（2n–1）
的基础。
表 1 大白菜单倍体减数分裂中期Ⅰ二价体和三价体的形成频率
Table 1 Frequency of various chromosome configurations at metaphaseⅠ of the haploid Chinese cabbage
联会类型
Configurations
该类型花粉母细胞数
The number of pollen mother cells
所占比率/%
Percentage
8Ⅰ+ 1Ⅱ 44 32.84
6Ⅰ+ 2Ⅱ 31 23.13
7Ⅰ+ 3Ⅲ 2 1.49
10Ⅰ 57 42.54


表 2 大白菜单倍体减数分裂后期Ⅰ两极染色体数及频率
Table 2 Chromosome distribution at anaphaseⅠ of the haploid Chinese cabbage
分到两极的染色体数
Distributions of chromosomes
at anaphase Ⅰ
该类型花粉母细胞数
The number of pollen mother
cells observed
所占频率/%
Percentage
5/5 39 26.53
4/6 55 37.41
3/7 24 16.33
2/8 19 12.93
1/9 7 4.76
0/10 3 2.04

2.3 大白菜单倍体植株的花粉生活力
大白菜单倍体植株的花药小而瘦瘪，药室内含有少量花粉，花粉粒大小不一，整齐度很差。生
活力测定表明，有生活力的花粉平均为 7.31%，不到二倍体植株的 1/10（表 3）。

表 3 大白菜单倍体的花粉生活力
Table 3 Pollen viability of the haploid Chinese cabbage
材料
Materials
检测花粉粒数
Total pollen grains
examined
染色花粉粒数
Number of stained
pollen grains
染败花粉粒数
Number of non-stained
pollen grains
花粉生活力/%
Pollen viability
单倍体植株 Haploid plants 698 51 647 7.31
二倍体植株 Diploid plants 2 295 1 936 359 84.36

2.4 大白菜单倍体植株与二倍体植株杂交的结实性
大白菜单倍体植株与二倍体亲本回交，坐荚率为 67.69%，但荚短小，大多没有籽粒，平均每荚
结籽仅为 0.068 粒，显示出植物单倍体高度不育的基本特征。
4 期 刘富强等：单倍体大白菜减数分裂分析及单体植株的获得 771

2.5 大白菜单倍体与二倍体杂交子代的染色体鉴定
将大白菜单倍体植株与二倍体亲本回交获得的 13 粒种子接种在 1/2MS 培养基进行培养，其中
11 粒萌发。经根尖染色体鉴定，10 株为二倍体（2n = 20），1 株为单体（2n–1 = 19）。核型分析显
示该 2n–1 植株缺少了一条带随体的染色体，为随体染色体单体（图 1，W）。
2.6 大白菜单体植株的减数分裂观察
减数分裂观察表明，该大白菜单体植株在减数分裂终变期形成 9 个二价体和 1 个单价体（图 1，
X）；中期Ⅰ单价体呈游离状态，分布在赤道板附近（图 1，Y）；后期Ⅰ单价体随机移到细胞的一极，
呈 9/10 分离，即一极含 9 条染色体，另一极含 10 条染色体（图 1，Z）。
3 讨论
大白菜是芸薹属的重要蔬菜作物，属 A 基因组，其单倍体为 2n = x = 10。Armstrong 和 Keller
（1981）曾对白菜单倍体的减数分裂进行过观察，但只涉及到中期Ⅰ非同源染色体间的联会行为，
看到 1 ~ 2 个局部联会的二价体或三价体。本研究中在大白菜单倍体减数分裂终变期或中期Ⅰ亦看
到，常发生局部联会的涉及 4 条染色体，形成 1 ~ 2 个局部联会的二价体或 1 个三价体，与 Armstrong
和 Keller（1981）的观察结果基本一致。这种非同源染色体间的局部联会可被解释为其原始二倍体
种在演化过程中某些染色体发生了重复。基于在大白菜花粉母细胞中约 1.5%的中期Ⅰ细胞可见 1 个
局部联会的三价体，可以推测在大白菜单基因组中至少有 3 条染色体存在着部分相同的重复序列。
目前，大白菜基因组已经测序（Wang et al.，2011），通过对大白菜基因组与拟南芥基因组的比较，
进一步验证了大白菜起源于六倍体祖先的假设（Tang et al.，2012）。
据观察，在单倍体小麦（郝水 等，1981）和单倍体烟草（Collins & Sadasivaiah，1972）等植物
的减数分裂中期Ⅰ，单价体一般不能排列到赤道面上，而是散布在细胞质中，因此难以区分中期Ⅰ
和后期Ⅰ；但在单倍体番茄（程玉瑾 等，2000）和单倍体玉米（Tang et al.，2009）则基本上能够
区分中期Ⅰ和后期Ⅰ。本研究中，大白菜单倍体的 10 条染色体在中期Ⅰ或排列于赤道板上或游离于
赤道板周围；后期Ⅰ，10 条染色体随机向两极游离，形成 0/10、1/9、2/8、3/7、4/6 和 5/5 等各种分
离方式，有时还会形成三级分离，但基本上能够区分中期Ⅰ和后期Ⅰ两个不同的分裂时期。由此可
见，植物单倍体的减数分裂行为在不同物种间可能存在着差异。按照郝水等（1981）的解释，单价
体不能排列于赤道板上是由于着丝点在中期Ⅰ尚未完成复制，只要构成单价体的两条染色单体的着
丝点完成了复制，就可能由纺锤丝与两极相连，靠两级拉力的平衡排列到赤道板上。大白菜染色体
较小，在普通光学显微镜下看不到着丝点的复制，但有时可见染色单体提前分离的现象，这或许间
接地支持了上述观点。
植物单倍体由于不能进行正常的减数分裂，产生的大多为少于其染色体基数的不均衡配子，因
此表现为高度不育性，但不育程度亦因植物种类和雌雄配子而异。一般来说，雌配子比雄配子具有
较强的忍耐性。本研究中以大白菜单倍体植株为母本与二倍体植株回交，尽管高度不育，但可获得
少量种子，并由此初步鉴定出了一个单体植株，为单体材料的选育提供了一条新途径。

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