时隔160年，我国科学家解开孟德尔“豌豆之谜”
为什么有的豌豆是光滑的，有的却是皱的？为什么有的豌豆是黄的，有的是绿的？为什么有的豌豆长得高，有的却很矮？为什么有的豌豆花连成带状？
这些看似普通的疑问，却是现代基因学中最知名的论题。160年前，“现代基因学之父”格雷戈尔·孟德尔，正是从种子形状、颜色等七对豌豆性状开始，为世界打开了基因遗传的大门，但受限于时代和技术，发现生物遗传密码的孟德尔，始终没有真正解开密码隐藏的真相，而把疑问留给了后人。
160年来，科学家们前赴后继，但七对性状中，仍有三对没有完全解开。
近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）程时锋团队携手英国约翰·英纳斯中心等团队，首次在分子层面全面揭示了孟德尔豌豆七大性状变异背后的遗传基础，完成了一场跨越世纪的科学对话，该研究成果发表在《自然（Nature）》杂志上。
中国农业科学院深圳农业基因组研究所程时锋研究员。中国农科院深圳农业基因组研究所供图
打开基因大门，却留下160年谜题
1865年，奥地利布尔诺自然历史学会的一场普通讲座上，已经43岁的格雷戈尔·孟德尔宣读了一篇论文——《植物杂交实验》。论文中，孟德尔讲述了一个当时无人知晓的发现，生物代代相同，却又往往出现特例，其中藏着怎样的变与不变？是什么样的力量，主导着生物的遗传变化？
他探索研究过十多种植物，试图找到生物遗传的规律，最终选择了豌豆，这种自花授粉、花器官明显、易于杂交和栽培的作物，成了他理想的实验材料，由此展开了长达10年的研究，在最初两年的预实验里，通过反复观察和严格验证，他挑选了22个纯合豌豆品种，并确定下来7对差异分明、稳定遗传的对立性状：种子形状、种子颜色、花的颜色、花的位置、荚的形状、荚的颜色和植株的高度。
通过近300次杂交实验，超过28000株豌豆后代的表型记录，包括超过14000颗种子的精确计数和分析，孟德尔发现每一对性状都以鲜明的“显性/隐性”二态分离的方式进行遗传，杂合子中短暂“消失”的性状，会在后代中以可预见的比例重现。当多个性状同时遗传时，他发现这些性状遵循多项式展开的组合规律，表现出高度的“规律性”，令人惊叹。这些规律后来被称为“孟德尔定律”，成为现代遗传学的基石，也被誉为“可遗传的奇迹”。
可惜的是，受时代和技术的制约，孟德尔发现了遗传的秘密，但却终身没有解开这些遗传与变化背后的原理，把揭开豌豆七大性状谜底的机会，留给了后人。
七大基因密码，还有三个待解
其实，160年前的那场演讲中，孟德尔的论文少有人问津。但无可否认的是，这篇论文打开了现代遗传学的大门，让人们了解自然的目光，首次深入到了肉眼不可见的微观世界，从而窥探到生物多样性的终极来源。
直到随着时间的推进，孟德尔打开的大门，吸引了越来越多的科学家。基因，这个可以探究自然终极秘密的领域，逐渐成了最热门的学术领域。
直到1917年，孟德尔提出的七大对立性状的基因，才正式完成命名，并陆续实现了它们在染色体上的定位。但直到最近几十年，随着分子遗传学的发展，部分性状的候选基因才陆续被确认。
程时锋介绍，1990年，发表在《细胞（Cell）》上的一篇论文，首次报道了控制豌豆籽粒形状差异，如圆粒或皱粒的基因，为SBEI支链淀粉酶I型。1997年，《植物细胞（Plant Cell）》和《美国科学院院刊（PNAS）》分别独立发表研究，确认植株高度，如高秆或矮秆，是由一个名为GA3ox1的基因控制。2007年，《科学(Science)》和《美国科学院院刊（PNAS）》的两篇文章，分别独立揭示了种子颜色差异，如黄粒或绿粒，是由一个名为Stay-green的基因的突变导致。2010年，《科学公共图书馆·综合（PLOS ONE）》的一项研究通过与苜蓿的同源基因比对，发现控制花色变化如紫花或白花的，是一类bHLH转录因子。
但仍有三个关键性状的遗传变异未能解开，即果荚颜色、果荚形状以及花的位置。程时锋介绍，学界提出过多种候选基因和假说，但都因缺乏确凿的分子证据而一一被推翻。这些性状背后的基因，如同基因组里的“幽灵”，隐匿其形，难以捕捉。
搜集全球资源，重建“孟德尔豌豆园”
2019年，程时锋正致力于寻找一种理想的豆科模式体系，用以研究结瘤共生固氮遗传机制。当他访问英国约翰·英纳斯中心种质资源库时，看到了一批珍贵的豌豆种质资源，这批豌豆主要收集于欧洲大陆，而那里，最容易让育种学家们想起的就是“遗传学之父”孟德尔的故事。
“孟德尔、遗传学、七大性状……那些学生时代耳熟能详的故事，在这批古老的豌豆面前，忽然从记忆里涌起。”程时锋说，“可惜的是，一百多年后，七大豌豆性状遗传变异背后还有近一半的基因未被发现。”
程时锋决定，向遗传学的开路者学习，以豌豆为研究对象。他准备引进全球豌豆种质资源，在深圳重建一座现代版的“孟德尔豌豆园”，利用现代科学技术，一边追寻七大豌豆性状百年谜题的答案，一边开展豆科结瘤固氮研究。
这是一项艰难的任务，随着各国对种质资源的重视和保护愈加严格，国际交流与合作需要克服许多关卡。但好在，历经重重困难，大约700份来自全球六大洲、41个国家的豌豆核心种质，辗转万里，跨越重洋，在一年后落地中国，并迅速在深圳、哈尔滨等多处实验基地开展种植和表型记录的工作。
种植在深圳种质资源圃的豌豆表现出丰富的表型多样性。中国农科院深圳农业基因组研究所供图
此后五年，研究团队共调查了80多个农艺性状，并挖掘了大量与花期、株型、器官大小、结荚数目等性状相关的重要遗传变异。
“当美丽的蝶形花在中国南北次第开放，当那些紫花的、圆粒的、矮茎的、皱荚的豌豆在园中悄然生长，孟德尔杂交实验里的一个个性状，仿佛穿越时空，跃然出现在我们眼前。如果说孟德尔1865年那篇横空出世的论文是写给未来世界的一封情书，一度被遗忘和误解；那么今天，我们以21世纪的科技和热情，给孟德尔回了一封信。”程时锋说。
从一隅看世界，解开豌豆世纪谜题
现代遗传学是一个年轻的学科，160年的历史，让它在众多学科中显得稚嫩，却无碍它的头角峥嵘，成为现代科学桂冠上的明珠。
相对160年的历史，程时锋团队连续5年的研究并不长，却很精彩，也很艰难，“孟德尔七大对立性状背后的遗传变异类型，远比人们想象中更为多样：从单碱基突变到大小不一的DNA缺失，从活跃的转座子插入，到复杂的转录融合，涵盖了多种自然界中常见的突变机制和遗传代谢通路。绝大多数突变机制的揭示并非模糊的统计关联，而是清晰可溯的因果关系，是理解从序列变异到表型变化的经典例证。更令人惊奇的是，几乎所有这些突变都表现为功能缺失或功能削弱，构建了‘显性’与‘隐性’在分子层面的清晰定义：显性是功能完好，隐性则往往源于功能缺失或调控失衡。”
值得庆幸的是，团队终于揭开了最后三个对立性状的秘密。他们发现，控制果荚颜色黄与绿差异的，并非传统意义上的基因突变，而是一段长达约100kb的基因组大片段缺失。控制果荚饱满与皱缩状态的，是两个彼此独立但功能相关的果皮发育调控基因。而豌豆花的位置“带状化”，这个孟德尔七大性状变异中最复杂、最神秘的一个性状，是由一个名为Fa的基因控制。
至此，黄荚、皱荚、带状化这三大性状、四个基因的“世纪谜题”被一一破解，研究团队在分子层面上系统解析了160年前孟德尔所研究的全部七个豌豆对立性状的遗传基础。
一场审美之旅，科学总有意外惊喜
科学研究是艰难而漫长的，但却总有意外的惊喜。程时锋介绍，在解析七大对立性状的过程中，发现了更多植物色彩之美，也发现了它的背后，有着一套精密的遗传代谢密码，解开这套密码，仿佛不是在进行科学研究，而是在进行一场美的赏析。
而在对神秘的豌豆带状化性状的研究中，研究团队还意外发现了一个处在另一条染色体下的新的遗传修饰位点。程时锋介绍，这个位点，就像悄然拨弦的调音师，或踩住刹车的副驾，改变了一株一路狂奔的顶生花突变的遗传剧本，即使植物携带双隐性fa/fa的突变型，但由于同时拥有mfa/mfa纯合基因型，“命中注定”应表现为带状化的顶花表型，被完全或部分抑制了，植株恢复为野生型的“侧花”外观。唯一一株顶花表型与基因型的不一致现象，被完美解释清楚了，这种不一致现象，在遗传学中被称为“不完全外显率”与“可变表现性”。Mfa并不改变主效基因Fa的编码功能，而是通过延迟、削弱或掩盖其突变效应，改变最终的表型呈现，让原本“必然”的表现变成了“或然”的选择。这种“遗传背景修饰主效突变”的机制，为理解复杂性状背后的表型可塑性与遗传调控层级，提供了一个生动的案例。
如今，研究团队仍在持续解析众多复杂性状，其中包括孟德尔调研过的器官大小、开花时间和茎秆颜色等，也包含结荚数、产量、结瘤、根系结构等重要育种价值的农艺性状，为未来的精准育种，提供更多可选择的素材。
跨越百年时空，科学路上和先贤对话
5年研究，起始于一次偶然的相遇，但程时锋觉得，或许也是必然，就好像基因世界里，那些让人着迷的变化，看似偶然，却又必然，明明必然，却又随时会出现出乎意料的变化。
豌豆七对性状的表型多样性。中国农科院深圳农业基因组研究所供图
“孟德尔的论文《植物杂交试验》被誉为‘人类历史上最好的科学实验’，他以清晰的问题、周密的实验设计、严谨的数据分析和高度逻辑化的推演过程，研究‘信息’在不同世代中的流动，洞察了生殖细胞中遗传因子的行为。在那个没有染色体、没有DNA的年代，他预言了可遗传变异是生物多样性来源、物种演化中自然选择的原料。”程时锋说。
一直到论文写成，程时锋仍在被160年前的这场惊天动地的变化所吸引，160年后，科技飞跃至今，从显微镜到高通量测序，从性状观察到多组学解析，“我们终于得以在分子、结构、发育、演化乃至整个系统层面上，真正理解那七对性状的由来、表现与传承。”
在孟德尔的时代，他的发现并没有引起人们足够的重视，直到他去世16年后——其论文宣读35年后的1900年，孟德尔的工作才被重新发现。
孟德尔生前曾经预言，“我的时代终将到来。”程时锋说，“如今，这个时代早就到来了。”
新京报记者 周怀宗
编辑 张树婧 校对 付春愔