Science | 中國農業(yè)大學張小蘭團隊攻克未解之謎——生長素促雌機理

古人識草木，多辨“花葉果”之形，卻少知其“性別”之異。被子植物的性別決定，不僅是進化成功的重要標志，更是解鎖農業(yè)增產、推動雜交制種的關鍵密碼。植物性別并非僅由染色體決定，還受基因調控、激素水平、環(huán)境信號（溫度、光照、養(yǎng)分）的調控，其復雜性遠超動物。葫蘆科作物性型表現(xiàn)豐富，已逐漸成為研究性別決定的典型模式植物。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)育停滯產生單性花。“生長素促進雌花產生”這一現(xiàn)象自上世紀50年代被植物學家觀察到以來，一直是植物生理學領域的“未解之謎”，且生長素與乙烯是如何協(xié)同調控植物單性花發(fā)育的遺傳機制仍模糊不清。

2025年12月12日，中國農業(yè)大學張小蘭團隊在國際頂級學術期刊Science雜志上在線發(fā)表題為ARF3-mediated auxin signaling is essential for sex determination in cucumber的研究性論文，揭開了生長素促進雌花產生的神秘機制——鑒定到了關鍵調控因子CsARF3（Auxin Response Factor 3），并闡釋了生長素和乙烯在性別決定上的互惠關系，為植物性別決定的調控網絡提供了全新的認識。

文章主要作者：從左到右依次為 博士后韓立杰、張小蘭教授、周朝陽副教授

該研究發(fā)現(xiàn)，外源噴施生長素可明顯增加黃瓜雌花比例，生長素響應因子CsARF3不僅能響應外源生長素，且在雌花芽的心皮原基中的表達量顯著高于雄花芽。CsARF3突變能夠導致雌花轉變?yōu)樾刍ǎ词雇馐┥L素也不能回補Csarf3突變體的表型。而CsARF3的過表達株系顯著提高了黃瓜雌花比例（圖1）。生化與遺傳數據表明，CsARF3一方面直接結合雌性決定抑制基因CsWIP1的啟動子，抑制CsWIP1的轉錄；另一方面結合分生組織決定基因CsSTM的啟動子促進其表達，最終促進雌花的產生。這一發(fā)現(xiàn)首次將CsARF3基因與生長素促進雌花產生的過程緊密關聯(lián)，并闡釋了CsARF3調控雌花發(fā)育的分子機制。

圖1 黃瓜CsARF3基因促進雌花產生

之前的研究發(fā)現(xiàn)在心皮原基早期表達的乙烯合成基因CsACS1G/CsACS11能夠促進雌花的產生，而在花心皮原基稍晚表達CsACS2能夠抑制雄蕊的產生。那么，生長素和乙烯如何協(xié)同調控雌花的生成？研究人員發(fā)現(xiàn)CsARF3突變能夠阻斷CsACS1G介導的雌花產生，有趣地是，外施乙烯能夠而生長素卻不能夠誘使Csacs11突變體產生雌花，暗示著早期的乙烯通過CsARF3促進雌花的產生。另一方面，CsARF3能夠促進CsACS2的表達抑制雄蕊的發(fā)育，表明乙烯與生長素在促進雌花生成方面存在互惠調控關系：花發(fā)育早期生成的乙烯通過生長素促進心皮發(fā)育，而生長素則進一步刺激產生更多的乙烯抑制雄蕊的發(fā)育，從而促進雌花的產生（圖2）。

這一研究成果不僅破解了“生長素促進黃瓜雌花產生”之謎，極大豐富了被子植物單性花發(fā)育調控網絡，為理解激素信號如何調控植物器官發(fā)育提供了全新的視角，而且為農業(yè)生產中的作物性別調控提供了精準的分子靶點。

圖2 黃瓜CsARF3介導的生長素信號調控性別決定的分子機制

中國農業(yè)大學為該論文第一通訊單位。中國農大園藝學院博士生韓立杰為論文第一作者（現(xiàn)為在站博士后），張小蘭教授和周朝陽副教授為共同通訊作者，西北農林科技大學李征教授、沈俊俊副教授參與了該研究工作。該工作得到了國家自然科學基金委，山東省重點研發(fā)計劃及中國農業(yè)大學“2115人才培育發(fā)展支持計劃”等項目資助。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adv2006