1865年，“現(xiàn)代基因?qū)W之父”格雷戈爾·孟德爾從種子形狀、顏色等七對豌豆性狀開始，為世界打開了基因遺傳的大門；160年后的今天，科學家們用現(xiàn)代基因組技術(shù)完成了這場跨越世紀的科學對話。中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所程時鋒團隊聯(lián)合英國約翰·英納斯中心等國內(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)表在國際期刊《自然》上。
遺留下來的“孟德爾豌豆之謎”
豌豆在遺傳學史上的獨特地位堪稱傳奇，這主要歸功于孟德爾在19世紀中葉開展的奠基性豌豆雜交實驗。1865年，在奧地利布爾諾自然歷史學會的一場普通講座上，孟德爾宣讀了一篇當時少有人問津的論文：《植物雜交實驗》。
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)點的理想實驗材料，開展了長達十年之久的遺傳學研究。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，并確定下來七對差異分明、穩(wěn)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。
豌豆七對性狀的表型多樣性。
孟德爾通過研究豌豆七對穩(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)代遺傳學的基石，也被譽為“可遺傳的奇跡”。
可惜的是，受時代和技術(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會，留給了后人。
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，這個探究自然終極秘密的領(lǐng)域，逐漸成了最熱門的學術(shù)領(lǐng)域。一百多年以來，科學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，隨著分子遺傳學的發(fā)展，部分性狀的候選基因才陸續(xù)被確認。但仍有三個關(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(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”
程時鋒與“百年謎題”的邂逅源于一次偶然。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(jié)瘤共生固氮遺傳機制。當他訪問英國約翰·英納斯中心種質(zhì)資源庫時，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、遺傳學和七大性狀的故事。當查閱文獻后，程時鋒發(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)。
一個有趣且浪漫的想法開始在程時鋒腦海里浮現(xiàn)，引進全球豌豆種質(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個國家的豌豆核心種質(zhì)，輾轉(zhuǎn)萬里，跨越重洋，在一年后落地中國，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。五年以來，研究團隊共調(diào)查了80多個農(nóng)藝性狀，并進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。
“當美麗的蝶形豌豆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，躍然眼前。” 程時鋒說。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，程時鋒帶領(lǐng)的科研團隊，正以21世紀的科技和熱情，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，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。程時鋒介紹，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，到復雜的轉(zhuǎn)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(shù)突變機制的揭示并非模糊的統(tǒng)計關(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，科研團隊在中國南北種植近700個核心豌豆品系，解碼了孟德爾七大對立性狀的分子本質(zhì)，打開了160年前“遺傳因子”的“黑匣子”，用真切的分子證據(jù)和清晰的因果機制回應(yīng)了孟德爾留下的百年謎題。
相對160年的歷史，程時鋒團隊連續(xù)5年的研究時間并不長，卻卓有成效。團隊揭開了最后三個對立性狀的秘密。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，而是一段長達約100kb的基因組大片段缺失。控制果莢飽滿與皺縮狀態(tài)的，是兩個彼此獨立但功能相關(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(tǒng)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(chǔ)。
研究團隊同時持續(xù)地在解析著眾多復雜性狀，其中包括孟德爾調(diào)研過的器官大小、開花時間和莖稈顏色等，也包含結(jié)莢數(shù)、產(chǎn)量、結(jié)瘤、根系結(jié)構(gòu)等重要育種價值的農(nóng)藝性狀。
中國農(nóng)業(yè)科學院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所程時鋒研究員。
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，科學家終于得以在分子、結(jié)構(gòu)、發(fā)育、演化乃至整個系統(tǒng)層面上，真正理解那七對性狀的由來、表現(xiàn)與傳承。這一研究成果不僅在技術(shù)上完成了一場跨越世紀的科學對話，也回應(yīng)了孟德爾生前那句被忽視了的預言：“我的時代終將到來！”
