1865年，“現(xiàn)代基因?qū)W之父”格雷戈?duì)枴っ系聽枏姆N子形狀、顏色等七對(duì)豌豆性狀開始，為世界打開了基因遺傳的大門；160年后的今天，科學(xué)家們用現(xiàn)代基因組技術(shù)完成了這場(chǎng)跨越世紀(jì)的科學(xué)對(duì)話。中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)約翰·英納斯中心等國(guó)內(nèi)外多家單位，首次在分子層面全面解析了孟德爾豌豆七大性狀的遺傳密碼，成功破解了困擾科學(xué)界百年的“孟德爾豌豆之謎”。相關(guān)研究成果于4月23日發(fā)表在國(guó)際期刊《自然》上。
遺留下來的“孟德爾豌豆之謎”
豌豆在遺傳學(xué)史上的獨(dú)特地位堪稱傳奇，這主要?dú)w功于孟德爾在19世紀(jì)中葉開展的奠基性豌豆雜交實(shí)驗(yàn)。1865年，在奧地利布爾諾自然歷史學(xué)會(huì)的一場(chǎng)普通講座上，孟德爾宣讀了一篇當(dāng)時(shí)少有人問津的論文：《植物雜交實(shí)驗(yàn)》。
孟德爾選擇了豌豆這一擁有自花授粉、花器官明顯、易于雜交和栽培等優(yōu)點(diǎn)的理想實(shí)驗(yàn)材料，開展了長(zhǎng)達(dá)十年之久的遺傳學(xué)研究。在最初兩年的預(yù)實(shí)驗(yàn)里，通過反復(fù)觀察和嚴(yán)格驗(yàn)證，他挑選了22個(gè)純合豌豆品種，并確定下來七對(duì)差異分明、穩(wěn)定遺傳的對(duì)立性狀：種子形狀、種子顏色、花的顏色、花的位置、莢的形狀、莢的顏色和植株的高度。
豌豆七對(duì)性狀的表型多樣性。
孟德爾通過研究豌豆七對(duì)穩(wěn)定遺傳的性狀，創(chuàng)立了遺傳分離與自由組合的基本定律，這些規(guī)律后來被稱為“孟德爾定律”，成為現(xiàn)代遺傳學(xué)的基石，也被譽(yù)為“可遺傳的奇跡”。
可惜的是，受時(shí)代和技術(shù)的制約，孟德爾發(fā)現(xiàn)了遺傳的秘密，但卻終生沒有解開這些遺傳與變化背后的原理，把揭開豌豆七大性狀謎底的機(jī)會(huì)，留給了后人。
隨著時(shí)間的推進(jìn)，孟德爾打開的大門，吸引了越來越多的科學(xué)家。基因，這個(gè)探究自然終極秘密的領(lǐng)域，逐漸成了最熱門的學(xué)術(shù)領(lǐng)域。一百多年以來，科學(xué)家們圍繞孟德爾豌豆的“遺傳因子”及其背后的分子本質(zhì)，前赴后繼，開展了大量的科研工作。
直到最近幾十年，隨著分子遺傳學(xué)的發(fā)展，部分性狀的候選基因才陸續(xù)被確認(rèn)。但仍有三個(gè)關(guān)鍵性狀的遺傳變異未能解開，即果莢顏色、果莢形狀以及花的位置。程時(shí)鋒介紹，學(xué)界提出過多種候選基因和假說，但都因缺乏確鑿的分子證據(jù)而一一被推翻。這些性狀背后的基因，如同基因組里的“幽靈”，隱匿其形，難以捕捉。
搜集全球資源重建“孟德爾豌豆園”
程時(shí)鋒與“百年謎題”的邂逅源于一次偶然。2019年，程時(shí)鋒正致力于尋找一種理想的豆科模式體系，用以研究結(jié)瘤共生固氮遺傳機(jī)制。當(dāng)他訪問英國(guó)約翰·英納斯中心種質(zhì)資源庫(kù)時(shí)，看到了一批珍貴的豌豆種質(zhì)資源，這批豌豆主要收集于歐洲大陸，這讓人很容易想起豌豆背后有關(guān)孟德爾、遺傳學(xué)和七大性狀的故事。當(dāng)查閱文獻(xiàn)后，程時(shí)鋒發(fā)現(xiàn)，一百多年過去了，七大豌豆性狀遺傳變異的背后還有近一半的基因未被發(fā)現(xiàn)。
一個(gè)有趣且浪漫的想法開始在程時(shí)鋒腦海里浮現(xiàn)，引進(jìn)全球豌豆種質(zhì)資源，在深圳重建一座現(xiàn)代版的“孟德爾豌豆園”，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，一邊追尋七大豌豆性狀百年謎題的答案，一邊開展豆科結(jié)瘤固氮研究。
歷經(jīng)重重困難，大約700份來自全球六大洲、41個(gè)國(guó)家的豌豆核心種質(zhì)，輾轉(zhuǎn)萬里，跨越重洋，在一年后落地中國(guó)，并迅速在深圳、哈爾濱等多處實(shí)驗(yàn)基地開展種植和表型記錄的工作。五年以來，研究團(tuán)隊(duì)共調(diào)查了80多個(gè)農(nóng)藝性狀，并進(jìn)一步挖掘了大量與花期、株型、器官大小、結(jié)莢數(shù)目等性狀相關(guān)的重要遺傳變異。
種植在深圳種質(zhì)資源圃的豌豆表現(xiàn)出豐富的表型多樣性。
“當(dāng)美麗的蝶形豌豆花在中國(guó)南北次第開放，當(dāng)那些紫花的、圓粒的、矮莖的、皺莢的豌豆在園中悄然生長(zhǎng)，孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)里的一個(gè)個(gè)性狀仿佛穿越時(shí)空，躍然眼前。” 程時(shí)鋒說。如果說孟德爾1865年的那篇橫空出世的論文是寫給未來世界的一封情書，一度被遺忘和誤解；那么今天，程時(shí)鋒帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)，正以21世紀(jì)的科技和熱情，給孟德爾回了一封信，分享著發(fā)現(xiàn)的樂趣。
完成豌豆七大經(jīng)典性狀的全基因解析
其實(shí)，孟德爾七大對(duì)立性狀背后的遺傳變異類型，遠(yuǎn)比人們想象中更為多樣。程時(shí)鋒介紹，從單堿基突變到大小不一的DNA缺失，從活躍的轉(zhuǎn)座子插入，到復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄融合，涵蓋了多種自然界中常見的突變機(jī)制和遺傳代謝通路。絕大多數(shù)突變機(jī)制的揭示并非模糊的統(tǒng)計(jì)關(guān)聯(lián)，而是清晰可溯的因果關(guān)系，是理解從序列變異到表型變化的經(jīng)典例證。更令人驚奇的是，幾乎所有這些突變都表現(xiàn)為功能缺失或功能削弱，構(gòu)建了“顯性”與“隱性”在分子層面的清晰定義：顯性是功能完好，隱性則往往源于功能缺失或調(diào)控失衡。
以“遺傳因子”起筆，走向“基因”的今天，科研團(tuán)隊(duì)在中國(guó)南北種植近700個(gè)核心豌豆品系，解碼了孟德爾七大對(duì)立性狀的分子本質(zhì)，打開了160年前“遺傳因子”的“黑匣子”，用真切的分子證據(jù)和清晰的因果機(jī)制回應(yīng)了孟德爾留下的百年謎題。
相對(duì)160年的歷史，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)連續(xù)5年的研究時(shí)間并不長(zhǎng)，卻卓有成效。團(tuán)隊(duì)揭開了最后三個(gè)對(duì)立性狀的秘密。他們發(fā)現(xiàn)，控制果莢顏色黃與綠差異的，并非傳統(tǒng)意義上的基因突變，而是一段長(zhǎng)達(dá)約100kb的基因組大片段缺失。控制果莢飽滿與皺縮狀態(tài)的，是兩個(gè)彼此獨(dú)立但功能相關(guān)的果皮發(fā)育調(diào)控基因。而豌豆花的位置“帶狀化”，這個(gè)孟德爾七大性狀變異中最復(fù)雜、最神秘的一個(gè)性狀，是由一個(gè)名為Fa的基因控制。
至此，黃莢、皺莢、帶狀化這三大性狀、四個(gè)基因的“世紀(jì)謎題”被一一破解，研究團(tuán)隊(duì)在分子層面上系統(tǒng)解析了160年前孟德爾所研究的全部七個(gè)豌豆對(duì)立性狀的遺傳基礎(chǔ)。
研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)持續(xù)地在解析著眾多復(fù)雜性狀，其中包括孟德爾調(diào)研過的器官大小、開花時(shí)間和莖稈顏色等，也包含結(jié)莢數(shù)、產(chǎn)量、結(jié)瘤、根系結(jié)構(gòu)等重要育種價(jià)值的農(nóng)藝性狀。
中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所程時(shí)鋒研究員。
160年后，科技飛躍至今，從顯微鏡到高通量測(cè)序，從性狀觀察到多組學(xué)解析，科學(xué)家終于得以在分子、結(jié)構(gòu)、發(fā)育、演化乃至整個(gè)系統(tǒng)層面上，真正理解那七對(duì)性狀的由來、表現(xiàn)與傳承。這一研究成果不僅在技術(shù)上完成了一場(chǎng)跨越世紀(jì)的科學(xué)對(duì)話，也回應(yīng)了孟德爾生前那句被忽視了的預(yù)言：“我的時(shí)代終將到來！”
