黃莢、皺莢、帶狀化三大性狀、四個基因謎題被一一破解。
為什么有的豌豆是光滑的，有的卻是皺的？為什么有的豌豆是黃的，有的是綠的？為什么有的豌豆長得高，有的卻很矮？為什么有的豌豆花連成帶狀？
這些看似普通的疑問，卻是現代基因學中最知名的論題。160年前，“現代基因學之父”格雷戈爾·孟德爾，正是從種子形狀、顏色等七對豌豆性狀開始，為世界打開了基因遺傳的大門，但受限于時代和技術，發現生物遺傳密碼的孟德爾，始終沒有真正解開密碼隱藏的真相，而把疑問留給了后人。
160年來，科學家們前赴后繼，但七對性狀中，仍有三對沒有完全解開。
近日，中國農業科學院深圳農業基因組研究所（嶺南現代農業科學與技術廣東省實驗室深圳分中心）程時鋒團隊攜手英國約翰·英納斯中心等團隊，首次在分子層面全面揭示了孟德爾豌豆七大性狀變異背后的遺傳基礎，完成了一場跨越世紀的科學對話，該研究成果發表在《自然（Nature）》雜志上。
中國農業科學院深圳農業基因組研究所程時鋒研究員。中國農科院深圳農業基因組研究所供圖
打開基因大門，卻留下160年謎題
1865年，奧地利布爾諾自然歷史學會的一場普通講座上，已經43歲的格雷戈爾·孟德爾宣讀了一篇論文——《植物雜交實驗》。論文中，孟德爾講述了一個當時無人知曉的發現，生物代代相同，卻又往往出現特例，其中藏著怎樣的變與不變？是什么樣的力量，主導著生物的遺傳變化？
他探索研究過十多種植物，試圖找到生物遺傳的規律，最終選擇了豌豆，這種自花授粉、花器官明顯、易于雜交和栽培的作物，成了他理想的實驗材料，由此展開了長達10年的研究，在最初兩年的預實驗里，通過反復觀察和嚴格驗證，他挑選了22個純合豌豆品種，并確定下來7對差異分明、穩定遺傳的對立性狀：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。
通過近300次雜交實驗，超過28000株豌豆后代的表型記錄，包括超過14000顆種子的精確計數和分析，孟德爾發現每一對性狀都以鮮明的“顯性/隱性”二態分離的方式進行遺傳，雜合子中短暫“消失”的性狀，會在后代中以可預見的比例重現。當多個性狀同時遺傳時，他發現這些性狀遵循多項式展開的組合規律，表現出高度的“規律性”，令人驚嘆。這些規律后來被稱為“孟德爾定律”，成為現代遺傳學的基石，也被譽為“可遺傳的奇跡”。
可惜的是，受時代和技術的制約，孟德爾發現了遺傳的秘密，但卻終身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會，留給了后人。
七大基因密碼，還有三個待解
其實，160年前的那場演講中，孟德爾的論文少有人問津。但無可否認的是，這篇論文打開了現代遺傳學的大門，讓人們了解自然的目光，首次深入到了肉眼不可見的微觀世界，從而窺探到生物多樣性的終極來源。
直到隨著時間的推進，孟德爾打開的大門，吸引了越來越多的科學家。基因，這個可以探究自然終極秘密的領域，逐漸成了最熱門的學術領域。
直到1917年，孟德爾提出的七大對立性狀的基因，才正式完成命名，并陸續實現了它們在染色體上的定位。但直到最近幾十年，隨著分子遺傳學的發展，部分性狀的候選基因才陸續被確認。
程時鋒介紹，1990年，發表在《細胞（Cell）》上的一篇論文，首次報道了控制豌豆籽粒形狀差異，如圓粒或皺粒的基因，為SBEI支鏈淀粉酶I型。1997年，《植物細胞（Plant Cell）》和《美國科學院院刊（PNAS）》分別獨立發表研究，確認植株高度，如高稈或矮稈，是由一個名為GA3ox1的基因控制。2007年，《科學(Science)》和《美國科學院院刊（PNAS）》的兩篇文章，分別獨立揭示了種子顏色差異，如黃粒或綠粒，是由一個名為Stay-green的基因的突變導致。2010年，《科學公共圖書館·綜合（PLOS ONE）》的一項研究通過與苜蓿的同源基因比對，發現控制花色變化如紫花或白花的，是一類bHLH轉錄因子。
但仍有三個關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。程時鋒介紹，學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”
2019年，程時鋒正致力于尋找一種理想的豆科模式體系，用以研究結瘤共生固氮遺傳機制。當他訪問英國約翰·英納斯中心種質資源庫時，看到了一批珍貴的豌豆種質資源，這批豌豆主要收集于歐洲大陸，而那里，最容易讓育種學家們想起的就是“遺傳學之父”孟德爾的故事。
“孟德爾、遺傳學、七大性狀……那些學生時代耳熟能詳的故事，在這批古老的豌豆面前，忽然從記憶里涌起。”程時鋒說，“可惜的是，一百多年后，七大豌豆性狀遺傳變異背后還有近一半的基因未被發現。”
程時鋒決定，向遺傳學的開路者學習，以豌豆為研究對象。他準備引進全球豌豆種質資源，在深圳重建一座現代版的“孟德爾豌豆園”，利用現代科學技術，一邊追尋七大豌豆性狀百年謎題的答案，一邊開展豆科結瘤固氮研究。
這是一項艱難的任務，隨著各國對種質資源的重視和保護愈加嚴格，國際交流與合作需要克服許多關卡。但好在，歷經重重困難，大約700份來自全球六大洲、41個國家的豌豆核心種質，輾轉萬里，跨越重洋，在一年后落地中國，并迅速在深圳、哈爾濱等多處實驗基地開展種植和表型記錄的工作。
種植在深圳種質資源圃的豌豆表現出豐富的表型多樣性。中國農科院深圳農業基因組研究所供圖
此后五年，研究團隊共調查了80多個農藝性狀，并挖掘了大量與花期、株型、器官大小、結莢數目等性狀相關的重要遺傳變異。
“當美麗的蝶形花在中國南北次第開放，當那些紫花的、圓粒的、矮莖的、皺莢的豌豆在園中悄然生長，孟德爾雜交實驗里的一個個性狀，仿佛穿越時空，躍然出現在我們眼前。如果說孟德爾1865年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，我們以21世紀的科技和熱情，給孟德爾回了一封信。”程時鋒說。
從一隅看世界，解開豌豆世紀謎題
現代遺傳學是一個年輕的學科，160年的歷史，讓它在眾多學科中顯得稚嫩，卻無礙它的頭角崢嶸，成為現代科學桂冠上的明珠。
相對160年的歷史，程時鋒團隊連續5年的研究并不長，卻很精彩，也很艱難，“孟德爾七大對立性狀背后的遺傳變異類型，遠比人們想象中更為多樣：從單堿基突變到大小不一的DNA缺失，從活躍的轉座子插入，到復雜的轉錄融合，涵蓋了多種自然界中常見的突變機制和遺傳代謝通路。絕大多數突變機制的揭示并非模糊的統計關聯，而是清晰可溯的因果關系，是理解從序列變異到表型變化的經典例證。更令人驚奇的是，幾乎所有這些突變都表現為功能缺失或功能削弱，構建了‘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控失衡。”
值得慶幸的是，團隊終于揭開了最后三個對立性狀的秘密。他們發現，控制果莢顏色黃與綠差異的，并非傳統意義上的基因突變，而是一段長達約100kb的基因組大片段缺失。控制果莢飽滿與皺縮狀態的，是兩個彼此獨立但功能相關的果皮發育調控基因。而豌豆花的位置“帶狀化”，這個孟德爾七大性狀變異中最復雜、最神秘的一個性狀，是由一個名為Fa的基因控制。
至此，黃莢、皺莢、帶狀化這三大性狀、四個基因的“世紀謎題”被一一破解，研究團隊在分子層面上系統解析了160年前孟德爾所研究的全部七個豌豆對立性狀的遺傳基礎。
一場審美之旅，科學總有意外驚喜
科學研究是艱難而漫長的，但卻總有意外的驚喜。程時鋒介紹，在解析七大對立性狀的過程中，發現了更多植物色彩之美，也發現了它的背后，有著一套精密的遺傳代謝密碼，解開這套密碼，仿佛不是在進行科學研究，而是在進行一場美的賞析。
而在對神秘的豌豆帶狀化性狀的研究中，研究團隊還意外發現了一個處在另一條染色體下的新的遺傳修飾位點。程時鋒介紹，這個位點，就像悄然撥弦的調音師，或踩住剎車的副駕，改變了一株一路狂奔的頂生花突變的遺傳劇本，即使植物攜帶雙隱性fa/fa的突變型，但由于同時擁有mfa/mfa純合基因型，“命中注定”應表現為帶狀化的頂花表型，被完全或部分抑制了，植株恢復為野生型的“側花”外觀。唯一一株頂花表型與基因型的不一致現象，被完美解釋清楚了，這種不一致現象，在遺傳學中被稱為“不完全外顯率”與“可變表現性”。Mfa并不改變主效基因Fa的編碼功能，而是通過延遲、削弱或掩蓋其突變效應，改變最終的表型呈現，讓原本“必然”的表現變成了“或然”的選擇。這種“遺傳背景修飾主效突變”的機制，為理解復雜性狀背后的表型可塑性與遺傳調控層級，提供了一個生動的案例。
如今，研究團隊仍在持續解析眾多復雜性狀，其中包括孟德爾調研過的器官大小、開花時間和莖稈顏色等，也包含結莢數、產量、結瘤、根系結構等重要育種價值的農藝性狀，為未來的精準育種，提供更多可選擇的素材。
跨越百年時空，科學路上和先賢對話
5年研究，起始于一次偶然的相遇，但程時鋒覺得，或許也是必然，就好像基因世界里，那些讓人著迷的變化，看似偶然，卻又必然，明明必然，卻又隨時會出現出乎意料的變化。
豌豆七對性狀的表型多樣性。中國農科院深圳農業基因組研究所供圖
“孟德爾的論文《植物雜交試驗》被譽為‘人類歷史上最好的科學實驗’，他以清晰的問題、周密的實驗設計、嚴謹的數據分析和高度邏輯化的推演過程，研究‘信息’在不同世代中的流動，洞察了生殖細胞中遺傳因子的行為。在那個沒有染色體、沒有DNA的年代，他預言了可遺傳變異是生物多樣性來源、物種演化中自然選擇的原料。”程時鋒說。
一直到論文寫成，程時鋒仍在被160年前的這場驚天動地的變化所吸引，160年后，科技飛躍至今，從顯微鏡到高通量測序，從性狀觀察到多組學解析，“我們終于得以在分子、結構、發育、演化乃至整個系統層面上，真正理解那七對性狀的由來、表現與傳承。”
在孟德爾的時代，他的發現并沒有引起人們足夠的重視，直到他去世16年后——其論文宣讀35年后的1900年，孟德爾的工作才被重新發現。
孟德爾生前曾經預言，“我的時代終將到來。”程時鋒說，“如今，這個時代早就到來了。”
