咬一口清脆的黃瓜，你可能不會意識到，每一個果實都是由雌花發(fā)育而來的。葫蘆科作物如黃瓜，是雌雄異花，而雌花數(shù)量直接決定了果實產(chǎn)量，因此性別決定機制一直是農(nóng)業(yè)科學的核心問題。
上世紀50年代，科學家就觀察到“生長素能促進黃瓜雌花產(chǎn)生”的現(xiàn)象，但其中機理卻成為植物生理學領(lǐng)域的未解之謎，困擾了學界70余年。
12月12日，中國農(nóng)業(yè)大學教授張小蘭團隊在《科學》發(fā)表的研究成果終于揭開了謎底。他們發(fā)現(xiàn)了一個關(guān)鍵基因CsARF3，如同一位精明的執(zhí)行官，在生長素和乙烯激素之間搭建橋梁，精準調(diào)控黃瓜的性別決定。該研究不僅回答了基礎(chǔ)科學問題，更為作物增產(chǎn)提供了新路徑。
從果實形狀到性別決定
與動物不同，植物的性別并非與生俱來，而是受基因、激素水平、環(huán)境信號的調(diào)控，復(fù)雜性遠超動物。
被子植物的性別決定，不僅是進化成功的重要標志，更是解鎖農(nóng)業(yè)增產(chǎn)、推動雜交制種的關(guān)鍵密碼。
論文通訊作者張小蘭告訴《中國科學報》，作物的產(chǎn)量主要來源于雌花發(fā)育的果實和種子。沒有雌花，就無法結(jié)果，產(chǎn)量也無從談起。
性別決定在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用價值。對于以種子和果實為收獲對象的作物，增加雌花可以提高產(chǎn)量；對于觀賞園藝作物，如銀杏樹，可通過控制雌雄比例來滿足不同需求；在雜交育種中，利用純雌系可以避免去雄工序，節(jié)約成本。
葫蘆科作物因其本身的性型非常豐富，逐漸成為研究性別決定的典型模式植物。張小蘭團隊長期關(guān)注黃瓜的發(fā)育研究，尤其是果實形狀等性狀的形成機理。
2020年，論文第一作者韓立杰成為張小蘭課題組的博士生（現(xiàn)為博士后），并延續(xù)了這一研究方向，選擇CsARF3基因作為主要研究對象。
“CsARF3基因在擬南芥中已知能控制雌蕊發(fā)育，我們想知道它在黃瓜中是否也有類似功能。”韓立杰說，“我們最初編輯CsARF3基因時，只是想看它對果實形狀的影響。當基因編輯植株開的全是雄花時，我們明白，這觸碰到了性別決定的核心機制。”這個意外發(fā)現(xiàn)讓團隊興奮不已，因為有可能破解生長素促雌這一世紀謎題。
“我們實驗室沒有大量經(jīng)費做基因組測序，但發(fā)育生物學研究體系非常成熟。”張小蘭強調(diào)，科研要發(fā)揮自身優(yōu)勢。正是這種聚焦與堅持，為后續(xù)突破奠定了基礎(chǔ)。
生長素與乙烯的精密“接力賽”
隨著研究的深入，CsARF3基因的神秘面紗逐漸被揭開。這個基因如同生長素信號的執(zhí)行官，能將激素指令轉(zhuǎn)化為具體的發(fā)育命令。
論文共同通訊作者、中國農(nóng)業(yè)大學副教授周朝陽說，葫蘆科作物的花在早期發(fā)育階段是兩性的，隨著心皮原基或雄蕊原基的發(fā)育停滯產(chǎn)生了單性花，而果實由雌花發(fā)育而來。
韓立杰在實驗中發(fā)現(xiàn)，當CsARF3被編輯突變后，黃瓜植株竟然不再產(chǎn)生雌花，全部變?yōu)樾刍ǎ幌喾?，當該基因過表達時，雌花數(shù)量顯著增加。更重要的是，即使外施生長素也無法挽回突變體的表型。這證明，CsARF3是生長素信號通路中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
團隊發(fā)現(xiàn)，CsARF3通過兩條路徑調(diào)控雌花發(fā)育：一方面直接抑制雌性決定抑制基因CsWIP1的表達；另一方面促進分生組織決定基因CsSTM的活性。
然而，對于下游基因CsSTM的研究一度讓他們一籌莫展。
“CsSTM相當于植物建筑師，負責花器官的建造。如果CsSTM嚴重突變，會導致植株死亡，所以我們一開始得到的突變體根本不能存活，無法進行后續(xù)研究。”張小蘭說。
幾番討論后，團隊決定篩選弱突變體研究性別決定功能。“結(jié)果我們真的篩選出弱突變體，并且它活了下來。這讓我們松了一口氣。”韓立杰回憶道，“不然這個課題可能就做不下去了。”
基于此，團隊終于搞清了生長素與乙烯之間復(fù)雜的“合作”關(guān)系。
周朝陽告訴《中國科學報》，乙烯是已知的促雌激素，但它與生長素如何協(xié)作一直不清楚。他們此次揭示了一個精密如接力賽的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)：花發(fā)育早期，乙烯激活CsARF3，進而通過生長素信號促進心皮發(fā)育；隨后生長素又刺激乙烯合成，抑制雄蕊發(fā)育。這種合作關(guān)系確保了雌花精準形成。
“這就像一場接力賽。”周朝陽比喻道，乙烯跑第一棒，激活生長素；生長素跑第二棒，促進雌花發(fā)育，同時將接力棒傳給下一程的乙烯。這種精巧機制或許能夠解釋為什么環(huán)境因素可以影響性別——溫度、光照等通過改變內(nèi)源激素，如乙烯和生長素的水平，間接調(diào)控性別決定。
5年辛苦都值了
從2024年12月10日投稿到2025年12月12日在線發(fā)表，整整一年。評審過程有肯定也有挑戰(zhàn)。3位國際評審專家在一致肯定研究創(chuàng)新性的同時提出了嚴格的要求：補充更多實驗證據(jù)，特別是用激光顯微切割技術(shù)驗證基因在花發(fā)育早期的表達模式。
“我們要在花發(fā)育最早階段，取心皮原基的幾個細胞做分析。”張小蘭解釋道，這需要極高精度。手工取樣的花芽都已經(jīng)是發(fā)育后期了，而早期心皮原基的細胞必須用激光顯微切割技術(shù)獲取。
“評審要求補實驗時，我們面臨很大壓力。”張小蘭坦言。但團隊沒有退縮，反復(fù)優(yōu)化實驗方案，最終用8個月完成了相關(guān)實驗。
其間，西北農(nóng)林科技大學教授李征團隊主動提供了幫助。“因為他們有相關(guān)經(jīng)驗。”張小蘭強調(diào)，這種跨單位的科研協(xié)作，體現(xiàn)了團結(jié)攻關(guān)的重要性。
從2020年課題啟動到2025年論文發(fā)表的5年里，團隊克服了無數(shù)困難。“最激動的時刻是發(fā)現(xiàn)CsARF3突變體全是雄花，那一刻我們知道觸碰到了重要科學問題。”張小蘭回憶道，另一個激動人心的時刻是團隊將生長素信號與已知的乙烯途徑聯(lián)系起來，形成完整調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，“那一刻感覺所有的辛苦都值了”。
這項研究的價值不僅在于解答基礎(chǔ)問題，更在于具有應(yīng)用潛力。目前在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，外施生長素雖然能增加雌花，但效果不穩(wěn)定且在某種程度上影響植株生長。通過基因編輯技術(shù)，可直接創(chuàng)制雄性系或雌性系材料。“如果需要雄性系，就編輯CsARF3基因；如果需要增產(chǎn)，就增強其表達。”張小蘭說，這為精準育種提供了新工具。
未來，團隊計劃繼續(xù)深入研究。“我們想研究環(huán)境如何通過激素影響性別決定，以及赤霉素等其他激素的作用。”周朝陽說。赤霉素作為已知的促雄激素，其作用機制在上世紀六七十年代就被發(fā)現(xiàn)，但未能闡明。這些研究有助培育抗逆性強、產(chǎn)量穩(wěn)定的作物品種。
