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咬一口清脆的黄瓜，你可能不会意识到，每一个果实都是由雌花发育而来的。葫芦科作物如黄瓜，是雌雄异花，而雌花数量直接决定了果实产量，因此性别决定机制一直是农业科学的核心问题。
上世纪50年代，科学家就观察到“生长素能促进黄瓜雌花产生”的现象，但其中机理却成为植物生理学领域的未解之谜，困扰了学界70余年。
12月12日，中国农业大学教授张小兰团队在《科学》发表的研究成果终于揭开了谜底。他们发现了一个关键基因CsARF3，如同一位精明的执行官，在生长素和乙烯激素之间搭建桥梁，精准调控黄瓜的性别决定。该研究不仅回答了基础科学问题，更为作物增产提供了新路径。
从果实形状到性别决定
与动物不同，植物的性别并非与生俱来，而是受基因、激素水平、环境信号的调控，复杂性远超动物。
被子植物的性别决定，不仅是进化成功的重要标志，更是解锁农业增产、推动杂交制种的关键密码。
张小兰介绍，作物的产量主要来源于雌花发育的果实和种子。没有雌花，就无法结果，产量也无从谈起。性别决定在农业生产中有广泛应用价值。对于以种子和果实为收获对象的作物，增加雌花可以提高产量；对于观赏园艺作物，如银杏树，可通过控制雌雄比例来满足不同需求；在杂交育种中，利用纯雌系可以避免去雄工序，节约成本。
葫芦科作物因其本身的性型非常丰富，逐渐成为研究性别决定的典型模式植物。张小兰团队长期关注黄瓜的发育研究，尤其是果实形状等性状的形成机理。
2020年，论文第一作者韩立杰成为张小兰课题组的博士生（现为博士后），并延续了这一研究方向，选择CsARF3基因作为主要研究对象。
“CsARF3基因在拟南芥中已知能控制雌蕊发育，我们想知道它在黄瓜中是否也有类似功能。”韩立杰说，“我们最初编辑CsARF3基因时，只是想看它对果实形状的影响。当基因编辑植株开的全是雄花时，我们明白，这触碰到了性别决定的核心机制。”这个意外发现让团队兴奋不已，因为有可能破解生长素促雌这一世纪谜题。
“我们实验室没有大量经费做基因组测序，但发育生物学研究体系非常成熟。”张小兰强调，科研要发挥自身优势。正是这种聚焦与坚持，为后续突破奠定了基础。
生长素与乙烯的精密“接力赛”
随着研究的深入，CsARF3基因的神秘面纱逐渐被揭开。这个基因如同生长素信号的执行官，能将激素指令转化为具体的发育命令。
论文共同通讯作者、中国农业大学副教授周朝阳说，葫芦科作物的花在早期发育阶段是两性的，随着心皮原基或雄蕊原基的发育停滞产生了单性花，而果实由雌花发育而来。
韩立杰在实验中发现，当CsARF3被编辑突变后，黄瓜植株竟然不再产生雌花，全部变为雄花；相反，当该基因过表达时，雌花数量显著增加。更重要的是，即使外施生长素也无法挽回突变体的表型。这证明，CsARF3是生长素信号通路中不可或缺的关键环节。
团队发现，CsARF3通过两条路径调控雌花发育：一方面直接抑制雌性决定抑制基因CsWIP1的表达；另一方面促进分生组织决定基因CsSTM的活性。
然而，对于下游基因CsSTM的研究一度让他们一筹莫展。“CsSTM相当于植物建筑师，负责花器官的建造。如果CsSTM严重突变，会导致植株死亡，所以我们一开始得到的突变体根本不能存活，无法进行后续研究。”张小兰说。
几番讨论后，团队决定筛选弱突变体研究性别决定功能。“结果我们真的筛选出弱突变体，并且它活了下来。这让我们松了一口气。”韩立杰回忆，“不然这个课题可能就做不下去了。”
基于此，团队终于搞清了生长素与乙烯之间复杂的“合作”关系。
周朝阳介绍，乙烯是已知的促雌激素，但它与生长素如何协作一直不清楚。他们此次揭示了一个精密如接力赛的调控网络：花发育早期，乙烯激活CsARF3，进而通过生长素信号促进心皮发育；随后生长素又刺激乙烯合成，抑制雄蕊发育。这种合作关系确保了雌花精准形成。
“这就像一场接力赛。”周朝阳比喻道，乙烯跑第一棒，激活生长素；生长素跑第二棒，促进雌花发育，同时将接力棒传给下一程的乙烯。这种精巧机制或许能够解释为什么环境因素可以影响性别——温度、光照等通过改变内源激素，如乙烯和生长素的水平，间接调控性别决定。
为精准育种提供了新工具
这项研究的价值不仅在于解答基础问题，更在于具有应用潜力。目前在农业生产中，外施生长素虽然能增加雌花，但效果不稳定且在某种程度上影响植株生长。通过基因编辑技术，可直接创制雄性系或雌性系材料。“如果需要雄性系，就编辑CsARF3基因；如果需要增产，就增强其表达。”张小兰说，这为精准育种提供了新工具。
未来，团队计划继续深入研究。“我们想研究环境如何通过激素影响性别决定，以及赤霉素等其他激素的作用。”周朝阳说。赤霉素作为已知的促雄激素，其作用机制在上世纪六七十年代就被发现，但未能阐明。这些研究有助培育抗逆性强、产量稳定的作物品种。 据中国科学报
来源：华商网-华商报
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