揭示生长素调控葫芦科植物雌性化的分子机制：CsARF3介导的激素互作新通路

《Horticulture Research》：Unraveling the mystery of auxin-promoting femaleness in cucurbits

为解决生长素调控葫芦科植物性别决定分子机制不清的难题，研究人员开展了关于CsARF3调控雌花发育的研究。结果表明，CsARF3通过直接调控CsSTM和CsWIP1的表达，在生长素促进雌性化过程中发挥关键作用。该研究首次揭示了生长素与乙烯在性别决定中的互作关系，即乙烯通过生长素促进心皮形成，而生长素又促进心皮中乙烯的合成以抑制雄蕊发育，为作物育种提供了重要理论依据。

　　

在植物王国中，性别决定是一个复杂而迷人的过程，它直接关系到作物的产量。对于葫芦科植物（如黄瓜、西瓜等）而言，雌花是果实和种子的来源，因此雌花比例的高低直接决定了最终的收成。长期以来，科学家们知道两种植物激素——乙烯和生长素，都能促进葫芦科植物开雌花。然而，关于乙烯如何调控性别决定的分子机制已经研究得比较清楚，但生长素究竟是如何发挥作用的，其背后的分子通路却一直是个未解之谜。

为了揭开这个谜团，研究人员将目光投向了生长素信号通路中的一个关键转录因子——CsARF3。他们发现，当CsARF3基因发生突变时，黄瓜植株竟然只开雄花，完全丧失了产生雌花的能力。相反，如果让CsARF3在植株中过量表达，雌花的比例则会显著增加。这一结果清晰地表明，CsARF3是黄瓜雌花发育所必需的“开关”。

那么，CsARF3是如何工作的呢？研究人员进一步发现，CsARF3能够直接结合到另一个关键基因CsSTM的启动子区域，促进其表达；同时，它还能抑制一个名为CsWIP1的基因的表达。CsWIP1是一个已知的抑制心皮（雌蕊的组成部分）发育的因子。因此，CsARF3通过“一正一负”的调控方式，为雌花的发育扫清了障碍。

更有趣的是，研究人员还揭示了生长素和乙烯这两种激素之间存在着一种“互惠互利”的协同关系。他们发现，乙烯促进雌花发育的作用，在早期阶段依赖于生长素信号。当研究人员用乙烯处理CsARF3突变体时，无法诱导出雌花；而用生长素处理一个只开雄花的乙烯合成缺陷突变体时，却能恢复雌花的发育。这表明，CsARF3介导的生长素信号位于乙烯信号的下游，是乙烯发挥作用的必要条件。

另一方面，生长素在促进心皮形成后，又会反过来促进心皮中乙烯的合成。研究人员发现，在CsARF3突变体中，一个负责抑制雄蕊发育的乙烯合成基因CsACS2的表达量显著降低；而在CsARF3过量表达的植株中，CsACS2的表达量则显著升高。这意味着，由CsARF3诱导的心皮形成，是启动CsACS2介导的乙烯合成、进而抑制雄蕊发育的前提条件。

这项研究发表在《Horticulture Research》杂志上，它首次阐明了生长素调控植物性别决定的分子机制，并揭示了生长素与乙烯在性别决定过程中的互作关系。这一发现不仅深化了我们对植物激素调控网络的理解，也为通过分子育种手段调控作物性别、提高产量提供了重要的理论基础和基因资源。

关键实验方法

本研究主要运用了分子遗传学、生物化学和细胞生物学相结合的方法。研究人员首先通过基因编辑技术（CRISPR/Cas9）构建了CsARF3功能缺失突变体，并通过转基因技术获得了CsARF3过表达株系，以此进行表型分析。利用染色质免疫共沉淀测序（ChIP-seq）和凝胶阻滞实验（EMSA）验证了CsARF3对下游靶基因的直接结合与调控。通过外源激素（生长素和乙烯利）处理突变体，结合基因表达分析（qRT-PCR），阐明了生长素与乙烯在性别决定中的上下游关系。

研究结果

1. CsARF3是黄瓜雌花发育所必需的

研究人员通过基因编辑技术获得了CsARF3功能缺失突变体（Csarf3）。表型分析发现，Csarf3突变体完全丧失了产生雌花的能力，只开雄花。相反，在CsARF3过表达株系中，雌花的比例显著增加。这些结果表明，CsARF3是黄瓜雌花发育所必需的，其功能是促进雌性化。

2. CsARF3通过调控CsSTM和CsWIP1的表达促进雌性化

为了探究CsARF3的作用机制，研究人员进行了ChIP-seq和EMSA实验。结果表明，CsARF3能够直接结合到CsSTM基因的启动子区域，并激活其表达。同时，CsARF3还能直接结合到CsWIP1基因的启动子区域，并抑制其表达。CsWIP1是一个已知的抑制心皮发育的转录因子。因此，CsARF3通过直接激活CsSTM和抑制CsWIP1，共同促进了心皮的发育和雌花的形成。

3. 乙烯促进雌性化依赖于CsARF3介导的生长素信号

为了阐明生长素与乙烯的关系，研究人员进行了激素处理实验。他们发现，用乙烯利（一种乙烯释放剂）处理Csarf3突变体，无法诱导雌花产生。这表明，乙烯促进雌花发育的作用依赖于CsARF3介导的生长素信号通路。相反，用生长素处理一个只开雄花的乙烯合成缺陷突变体（Csacs11），能够恢复雌花的发育。这些结果证明，在性别决定过程中，CsARF3介导的生长素信号位于乙烯信号的下游，是乙烯发挥作用的必要条件。

4. 生长素促进心皮中乙烯的合成以抑制雄蕊发育

研究人员发现，在Csarf3突变体中，负责抑制雄蕊发育的乙烯合成基因CsACS2的表达量显著降低；而在CsARF3过表达株系中，CsACS2的表达量则显著升高。这表明，由CsARF3诱导的心皮形成，是启动CsACS2介导的乙烯合成的前提条件。这些乙烯在已形成的心皮中合成，进而抑制雄蕊的发育，确保雌花的正常形成。

结论与讨论

本研究首次揭示了生长素调控葫芦科植物性别决定的分子机制。研究结果表明，生长素响应因子CsARF3是雌花发育的关键调控因子，它通过直接调控CsSTM和CsWIP1的表达来促进心皮发育。更重要的是，该研究阐明了生长素与乙烯在性别决定中的互作关系：在早期阶段，乙烯通过CsARF3介导的生长素信号促进心皮形成；随后，由CsARF3诱导形成的心皮又促进了CsACS2介导的乙烯合成，这些乙烯反过来抑制雄蕊的发育。这种“互惠互利”的激素互作模式，精细地调控了葫芦科植物的性别决定。

这项研究不仅解决了一个长达数十年的科学难题，即生长素如何促进雌性化，而且为通过分子育种手段调控作物性别、提高产量提供了重要的理论基础。鉴于性别类型与作物产量的密切关系，这项研究在植物育种领域具有重要的应用价值。