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(zhǎng)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(wèn)，卻是現(xiàn)代基因?qū)W中最知名的論題。160年前，“現(xiàn)代基因?qū)W之父”格雷戈?duì)枴っ系聽(tīng)?，正是從種子形狀、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，但受限于時(shí)代和技術(shù)，發(fā)現(xiàn)生物遺傳密碼的孟德?tīng)枺冀K沒(méi)有真正解開密碼隱藏的真相，而把疑問(wèn)留給了后人。

160年來(lái)，科學(xué)家們前赴后繼，但七對(duì)性狀中，仍有三對(duì)沒(méi)有完全解開。

近日，中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所（嶺南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科學(xué)與技術(shù)廣東省實(shí)驗(yàn)室深圳分中心）程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)攜手英國(guó)約翰·英納斯中心等團(tuán)隊(duì)，首次在分子層面全面揭示了孟德?tīng)柾愣蛊叽笮誀钭儺惐澈蟮倪z傳基礎(chǔ)，完成了一場(chǎng)跨越世紀(jì)的科學(xué)對(duì)話，該研究成果發(fā)表在《自然（Nature）》雜志上。

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。中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)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(xué)會(huì)的一場(chǎng)普通講座上，已經(jīng)43歲的格雷戈?duì)枴っ系聽(tīng)栃x了一篇論文——《植物雜交實(shí)驗(yàn)》。論文中，孟德?tīng)栔v述了一個(gè)當(dāng)時(shí)無(wú)人知曉的發(fā)現(xiàn)，生物代代相同，卻又往往出現(xiàn)特例，其中藏著怎樣的變與不變？是什么樣的力量，主導(dǎo)著生物的遺傳變化？

他探索研究過(guò)十多種植物，試圖找到生物遺傳的規(guī)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(shí)驗(yàn)材料，由此展開了長(zhǎng)達(dá)10年的研究，在最初兩年的預(yù)實(shí)驗(yàn)里，通過(guò)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(lái)7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。

通過(guò)近300次雜交實(shí)驗(yàn)，超過(guò)28000株豌豆后代的表型記錄，包括超過(guò)14000顆種子的精確計(jì)數(shù)和分析，孟德?tīng)柊l(fā)現(xiàn)每一對(duì)性狀都以鮮明的“顯性/隱性”二態(tài)分離的方式進(jìn)行遺傳，雜合子中短暫“消失”的性狀，會(huì)在后代中以可預(yù)見(jiàn)的比例重現(xiàn)。當(dāng)多個(gè)性狀同時(shí)遺傳時(shí)，他發(fā)現(xiàn)這些性狀遵循多項(xiàng)式展開的組合規(guī)律，表現(xiàn)出高度的“規(guī)律性”，令人驚嘆。這些規(guī)律后來(lái)被稱為“孟德?tīng)柖伞?，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?tīng)柊l(fā)現(xiàn)了遺傳的秘密，但卻終身沒(méi)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。

七大基因密碼，還有三個(gè)待解

其實(shí)，160年前的那場(chǎng)演講中，孟德?tīng)柕恼撐纳儆腥藛?wèn)津。但無(wú)可否認(rèn)的是，這篇論文打開了現(xiàn)代遺傳學(xué)的大門，讓人們了解自然的目光，首次深入到了肉眼不可見(jiàn)的微觀世界，從而窺探到生物多樣性的終極來(lái)源。

直到隨著時(shí)間的推進(jìn)，孟德?tīng)柎蜷_的大門，吸引了越來(lái)越多的科學(xué)家。基因，這個(gè)可以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。

直到1917年，孟德?tīng)柼岢龅钠叽髮?duì)立性狀的基因，才正式完成命名，并陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了它們?cè)谌旧w上的定位。但直到最近幾十年，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)。

程時(shí)鋒介紹，1990年，發(fā)表在《細(xì)胞（Cell）》上的一篇論文，首次報(bào)道了控制豌豆籽粒形狀差異，如圓?；虬櫫５幕颍瑸镾BEI支鏈淀粉酶I型。1997年，《植物細(xì)胞（Plant Cell）》和《美國(guó)科學(xué)院院刊（PNAS）》分別獨(dú)立發(fā)表研究，確認(rèn)植株高度，如高稈或矮稈，是由一個(gè)名為GA3ox1的基因控制。2007年，《科學(xué)(Science)》和《美國(guó)科學(xué)院院刊（PNAS）》的兩篇文章，分別獨(dú)立揭示了種子顏色差異，如黃?；蚓G粒，是由一個(gè)名為Stay-green的基因的突變導(dǎo)致。2010年，《科學(xué)公共圖書館·綜合（PLOS ONE）》的一項(xiàng)研究通過(guò)與苜蓿的同源基因比對(duì)，發(fā)現(xiàn)控制花色變化如紫花或白花的，是一類bHLH轉(zhuǎn)錄因子。

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(guò)多種候選基因和假說(shuō)，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?tīng)柾愣箞@”

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(wèn)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，而那里，最容易讓育種學(xué)家們想起的就是“遺傳學(xué)之父”孟德?tīng)柕墓适隆?/p>

“孟德?tīng)?、遺傳學(xué)、七大性狀……那些學(xué)生時(shí)代耳熟能詳?shù)墓适?，在這批古老的豌豆面前，忽然從記憶里涌起?！背虝r(shí)鋒說(shuō)，“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(fā)現(xiàn)。”

程時(shí)鋒決定，向遺傳學(xué)的開路者學(xué)習(xí)，以豌豆為研究對(duì)象。他準(zhǔn)備引進(jìn)全球豌豆種質(zhì)資源，在深圳重建一座現(xiàn)代版的“孟德?tīng)柾愣箞@”，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。

這是一項(xiàng)艱難的任務(wù)，隨著各國(guó)對(duì)種質(zhì)資源的重視和保護(hù)愈加嚴(yán)格，國(guó)際交流與合作需要克服許多關(guān)卡。但好在，歷經(jīng)重重困難，大約700份來(lái)自全球六大洲、41個(gè)國(guó)家的豌豆核心種質(zhì)，輾轉(zhuǎn)萬(wàn)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。

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。中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所供圖

此后五年，研究團(tuán)隊(duì)共調(diào)查了80多個(gè)農(nóng)藝性狀，并挖掘了大量與花期、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。

“當(dāng)美麗的蝶形花在中國(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?tīng)栯s交實(shí)驗(yàn)里的一個(gè)個(gè)性狀，仿佛穿越時(shí)空，躍然出現(xiàn)在我們眼前。如果說(shuō)孟德?tīng)?865年那篇橫空出世的論文是寫給未來(lái)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(jì)的科技和熱情，給孟德?tīng)柣亓艘环庑?。”程時(shí)鋒說(shuō)。

從一隅看世界，解開豌豆世紀(jì)謎題

現(xiàn)代遺傳學(xué)是一個(gè)年輕的學(xué)科，160年的歷史，讓它在眾多學(xué)科中顯得稚嫩，卻無(wú)礙它的頭角崢嶸，成為現(xiàn)代科學(xué)桂冠上的明珠。

相對(duì)160年的歷史，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)連續(xù)5年的研究并不長(zhǎng)，卻很精彩，也很艱難，“孟德?tīng)柶叽髮?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：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(jiàn)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。”

值得慶幸的是，團(tuán)隊(duì)終于揭開了最后三個(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?？刂乒v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?tīng)柶叽笮誀钭儺愔凶顝?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?tīng)査芯康娜科邆€(gè)豌豆對(duì)立性狀的遺傳基礎(chǔ)。

一場(chǎng)審美之旅，科學(xué)總有意外驚喜

科學(xué)研究是艱難而漫長(zhǎng)的，但卻總有意外的驚喜。程時(shí)鋒介紹，在解析七大對(duì)立性狀的過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)了更多植物色彩之美，也發(fā)現(xiàn)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(jìn)行科學(xué)研究，而是在進(jìn)行一場(chǎng)美的賞析。

而在對(duì)神秘的豌豆帶狀化性狀的研究中，研究團(tuán)隊(duì)還意外發(fā)現(xiàn)了一個(gè)處在另一條染色體下的新的遺傳修飾位點(diǎn)。程時(shí)鋒介紹，這個(gè)位點(diǎn)，就像悄然撥弦的調(diào)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(shí)擁有mfa/mfa純合基因型，“命中注定”應(yīng)表現(xiàn)為帶狀化的頂花表型，被完全或部分抑制了，植株恢復(fù)為野生型的“側(cè)花”外觀。唯一一株頂花表型與基因型的不一致現(xiàn)象，被完美解釋清楚了，這種不一致現(xiàn)象，在遺傳學(xué)中被稱為“不完全外顯率”與“可變表現(xiàn)性”。Mfa并不改變主效基因Fa的編碼功能，而是通過(guò)延遲、削弱或掩蓋其突變效應(yīng)，改變最終的表型呈現(xiàn)，讓原本“必然”的表現(xiàn)變成了“或然”的選擇。這種“遺傳背景修飾主效突變”的機(jī)制，為理解復(fù)雜性狀背后的表型可塑性與遺傳調(diào)控層級(jí)，提供了一個(gè)生動(dòng)的案例。

如今，研究團(tuán)隊(duì)仍在持續(xù)解析眾多復(fù)雜性狀，其中包括孟德?tīng)栒{(diào)研過(guò)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，為未來(lái)的精準(zhǔn)育種，提供更多可選擇的素材。

跨越百年時(shí)空，科學(xué)路上和先賢對(duì)話

5年研究，起始于一次偶然的相遇，但程時(shí)鋒覺(jué)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(shí)會(huì)出現(xiàn)出乎意料的變化。

豌豆七對(duì)性狀的表型多樣性。中國(guó)農(nóng)科院深圳農(nóng)業(yè)基因組研究所供圖

“孟德?tīng)柕恼撐摹吨参镫s交試驗(yàn)》被譽(yù)為‘人類歷史上最好的科學(xué)實(shí)驗(yàn)’，他以清晰的問(wèn)題、周密的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)臄?shù)據(jù)分析和高度邏輯化的推演過(guò)程，研究‘信息’在不同世代中的流動(dòng)，洞察了生殖細(xì)胞中遺傳因子的行為。在那個(gè)沒(méi)有染色體、沒(méi)有DNA的年代，他預(yù)言了可遺傳變異是生物多樣性來(lái)源、物種演化中自然選擇的原料?！背虝r(shí)鋒說(shuō)。

一直到論文寫成，程時(shí)鋒仍在被160年前的這場(chǎng)驚天動(dòng)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(cè)序，從性狀觀察到多組學(xué)解析，“我們終于得以在分子、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(lái)、表現(xiàn)與傳承?！?/p>

在孟德?tīng)柕臅r(shí)代，他的發(fā)現(xiàn)并沒(méi)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?tīng)柕墓ぷ鞑疟恢匦掳l(fā)現(xiàn)。

孟德?tīng)柹霸?jīng)預(yù)言，“我的時(shí)代終將到來(lái)?！背虝r(shí)鋒說(shuō)，“如今，這個(gè)時(shí)代早就到來(lái)了。”

新京報(bào)記者 周懷宗

編輯 張樹婧 校對(duì) 付春愔