黃瓜如何“生男生女”？中國團隊解開70年謎題

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育而來的。葫蘆科作物如黃瓜，是雌雄異花，而雌花數量直接決定了果實產量，因此性別決定機制一直是農業科學的核心問題。

上世紀50年代，科學家就觀察到“生長素能促進黃瓜雌花產生”的現象，但其中機理卻成為植物生理學領域的未解之謎，困擾了學界70餘年。

12月12日，中國農業大學教授張小蘭團隊在《科學》發表的研究成果終於揭開了謎底。他們發現了一個關鍵基因CsARF3，如同一位精明的執行長，在生長素和乙烯激素之間搭建橋樑，精準調控黃瓜的性別決定。該研究不僅回答了基礎科學問題，更為作物增產提供了新路徑。

從果實形狀到性別決定

與動物不同，植物的性別並非與生俱來，而是受基因、激素水平、環境訊號的調控，複雜性遠超動物。

被子植物的性別決定，不僅是進化成功的重要標誌，更是解鎖農業增產、推動雜交制種的關鍵密碼。

論文通訊作者張小蘭告訴《中國科學報》，作物的產量主要來源於雌花發育的果實和種子。沒有雌花，就無法結果，產量也無從談起。

性別決定在農業生產中有廣泛應用價值。對於以種子和果實為收穫對象的作物，增加雌花可以提高產量；對於觀賞園藝作物，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。張小蘭團隊長期關注黃瓜的發育研究，尤其是果實形狀等性狀的形成機理。

2020年，論文第一作者韓立傑成為張小蘭課題組的博士生（現為博士後），並延續了這一研究方向，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育，我們想知道它在黃瓜中是否也有類似功能。”韓立傑說，“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。”這個意外發現讓團隊興奮不已，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費做基因組測序，但發育生物學研究體系非常成熟。”張小蘭強調，科研要發揮自身優勢。正是這種聚焦與堅持，為後續突破奠定了基礎。

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訊號的執行長，能將激素指令轉化為具體的發育命令。

論文共同通訊作者、中國農業大學副教授周朝陽說，葫蘆科作物的花在早期發育階段是兩性的，隨著心皮原基或雄蕊原基的發育停滯產生了單性花，而果實由雌花發育而來。

韓立傑在實驗中發現，當CsARF3被編輯突變後，黃瓜植株竟然不再產生雌花，全部變為雄花；相反，當該基因過表達時，雌花數量顯著增加。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是生長素訊號通路中不可或缺的關鍵環節。

野生型和Csarf3突變體的不同性別類型。

團隊發現，CsARF3通過兩條路徑調控雌花發育：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，對於下游基因CsSTM的研究一度讓他們一籌莫展。

“CsSTM相當於植物建築師，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，無法進行後續研究。”張小蘭說。

幾番討論後，團隊決定篩選弱突變體研究性別決定功能。“結果我們真的篩選出弱突變體，並且它活了下來。這讓我們鬆了一口氣。”韓立傑回憶道，“不然這個課題可能就做不下去了。”

基於此，團隊終於搞清了生長素與乙烯之間複雜的“合作”關係。

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作一直不清楚。他們此次揭示了一個精密如接力賽的調控網路：花發育早期，乙烯啟動CsARF3，進而通過生長素訊號促進心皮發育；隨後生長素又刺激乙烯合成，抑制雄蕊發育。這種合作關係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，啟動生長素；生長素跑第二棒，促進雌花發育，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麼環境因素可以影響性別——溫度、光照等通過改變內源激素，如乙烯和生長素的水平，間接調控性別決定。

5年辛苦都值了

從2024年12月10日投稿到2025年12月12日線上發表，整整一年。評審過程有肯定也有挑戰。3位國際評審專家在一致肯定研究創新性的同時提出了嚴格的要求：補充更多實驗證據，特別是用雷射顯微切割技術驗證基因在花發育早期的表達模式。

“我們要在花發育最早階段，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是發育後期了，而早期心皮原基的細胞必須用雷射顯微切割技術獲取。

“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，反覆最佳化實驗方案，最終用8個月完成了相關實驗。

其間，西北農林科技大學教授李征團隊主動提供了幫助。“因為他們有相關經驗。”張小蘭強調，這種跨單位的科研協作，體現了團結攻關的重要性。

從2020年課題啟動到2025年論文發表的5年裡，團隊克服了無數困難。“最激動的時刻是發現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訊號與已知的乙烯途徑聯絡起來，形成完整調控網路，“那一刻感覺所有的辛苦都值了”。

這項研究的價值不僅在於解答基礎問題，更在於具有應用潛力。目前在農業生產中，外施生長素雖然能增加雌花，但效果不穩定且在某種程度上影響植株生長。通過基因編輯技術，可直接創製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，就增強其表達。”張小蘭說，這為精準育種提供了新工具。

未來，團隊計畫繼續深入研究。“我們想研究環境如何通過激素影響性別決定，以及赤黴素等其他激素的作用。”周朝陽說。赤黴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現，但未能闡明。這些研究有助培育抗逆性強、產量穩定的作物品種。 (中國科學報)