豌豆結(jié)滿豆莢。

豌豆花開。劉君鳳／視覺中國

◎本報(bào)記者馬愛平

近日，中國農(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）研究員程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)攜手英國約翰·英納斯中心團(tuán)隊(duì)等，結(jié)合群體基因組學(xué)、數(shù)量遺傳學(xué)和分子生物學(xué)等技術(shù)手段，成功構(gòu)建了高分辨率的豌豆單倍型變異圖譜和表型變異圖譜，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(chǔ)。

這一研究成果在技術(shù)上完成了一場與孟德爾跨越世紀(jì)的科學(xué)對話。相關(guān)研究成果日前發(fā)表在《自然》上。

重建現(xiàn)代版“孟德爾豌豆園”

1865年，孟德爾通過豌豆七對相對性狀，即種子圓皺、子葉顏色、花色、花位置、果莢形態(tài)、果莢顏色、株高的雜交實(shí)驗(yàn)，首次提出遺傳因子控制性狀的理論，并推導(dǎo)出遺傳變異在世代間傳遞的獨(dú)立分離和自由組合規(guī)律。受限于當(dāng)時(shí)時(shí)代背景和技術(shù)條件，孟德爾未能揭示這些遺傳因子的分子本質(zhì)。

在后續(xù)的研究中，科學(xué)家陸續(xù)定位到控制種子圓皺、子葉顏色、花色和株高的基因，但控制果莢顏色、果莢形態(tài)和花位置的關(guān)鍵基因仍是遺傳學(xué)未解之謎。

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)瘤共生固氮的遺傳機(jī)制。當(dāng)他訪問英國約翰·英納斯中心種質(zhì)資源庫時(shí)，立即被豌豆這一充滿歷史底蘊(yùn)且蘊(yùn)含豐富生物多樣性的古老作物所吸引。

“當(dāng)時(shí)孟德爾研究的那批豌豆主要收集于歐洲大陸。一百多年過去了，豌豆七大性狀還有近一半的謎題未被破解。”程時(shí)鋒說。

他下定決心要引進(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)，一邊追尋豌豆七大性狀百年謎題的答案，一邊開展豆科結(jié)瘤固氮研究。

一年后，大約700份來自全球六大洲、41個(gè)國家的豌豆核心種質(zhì)，輾轉(zhuǎn)萬里到達(dá)中國。隨后，研究人員將這些豌豆種質(zhì)在深圳、哈爾濱等多處實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行種植，并同步進(jìn)行表型記錄。

5年以來，研究團(tuán)隊(duì)共調(diào)查了80多個(gè)豌豆種質(zhì)的農(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)的重要基因變異。

“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，孟德爾雜交實(shí)驗(yàn)里的一個(gè)個(gè)豌豆性狀仿佛穿越時(shí)空，躍然眼前。如果說孟德爾1865年發(fā)表的論文是寫給未來世界的一封信，在當(dāng)時(shí)一度被遺忘和誤解，那么今天，我們團(tuán)隊(duì)正憑借21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)手段，給孟德爾回了一封信，分享著發(fā)現(xiàn)的樂趣。”程時(shí)鋒說。

揭秘豌豆三大性狀遺傳密碼

長期以來，程時(shí)鋒團(tuán)隊(duì)始終聚焦于破解孟德爾豌豆七大性狀中剩余三大性狀的謎題。

“百余年來，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)而被一一推翻。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。”程時(shí)鋒說。

直到今年，程時(shí)鋒帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)綜合多個(gè)前沿技術(shù)，最終揭示了這三大性狀的遺傳基礎(chǔ)，修正了多個(gè)歷史性的誤判。

在果莢顏色方面，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，控制綠莢與黃莢差異的關(guān)鍵并非傳統(tǒng)認(rèn)知中的基因突變，而是一段長達(dá)約100kb的基因組大片段缺失。

“這一缺失使得葉綠素合酶基因與上游一個(gè)抗病相關(guān)基因的距離拉近，進(jìn)而導(dǎo)致該區(qū)域的轉(zhuǎn)錄過程異常延伸和轉(zhuǎn)錄融合，形成異常轉(zhuǎn)錄本，最終干擾了果莢中葉綠素合酶基因的正常表達(dá)。值得注意的是，黃莢中的葉綠素合酶基因編碼序列與綠莢完全一致，序列本身沒有突變，性狀的改變源于上游基因組結(jié)構(gòu)重排對轉(zhuǎn)錄調(diào)控的深層干擾。這一發(fā)現(xiàn)為解釋性狀背后的基因機(jī)制提供了更為深刻的見解?！闭撐牡谝蛔髡咧?、中國農(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）博士奉聰說。

在果莢形態(tài)方面，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，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?！斑@兩個(gè)基因分別代表了植物中高度保守的發(fā)育調(diào)控網(wǎng)絡(luò)——CLE小肽信號(hào)傳導(dǎo)通路與MYB－NAC轉(zhuǎn)錄調(diào)控通路，二者可獨(dú)立造成皺莢，也可共同作用?！狈盥斦f。

團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn)，花位置是孟德爾七大性狀變異中最復(fù)雜、最神秘的一個(gè)性狀，表現(xiàn)為莖尖扁平化、花序排列紊亂，花朵團(tuán)簇排列，形成類似頂生花的結(jié)構(gòu)。豌豆中該性狀差異由Fa基因控制。

隨著果莢顏色、果莢形態(tài)、花位置這三大性狀的“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豌豆七大性狀的遺傳基礎(chǔ)。

意外發(fā)現(xiàn)更多遺傳現(xiàn)象

在解析豌豆這七大性狀謎題的過程中，研究團(tuán)隊(duì)還收獲了一連串令人驚喜的發(fā)現(xiàn)。

“首先，我們對植物色彩之美有了更為深入的理解。植物顏色的背后有著一套精密的遺傳代謝密碼?！背虝r(shí)鋒說。

例如，豌豆種子的黃色（顯性）與綠色（隱性）的差異，是由于控制葉綠素降解途徑的第一步發(fā)生了功能突變；而果莢的黃色（隱性）與綠色（顯性）的差異，則是由于果莢中葉綠素合成途徑的最后一步受到調(diào)控干擾。

在研究花色的紫色（顯性）與白色（隱性）差異時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一株本因bHLH轉(zhuǎn)錄因子的提前終止突變而“命中注定”開出白花的豌豆，竟在其內(nèi)含子中發(fā)生了一個(gè)“命運(yùn)逆轉(zhuǎn)式”的新突變。

“這個(gè)新突變阻斷了原有的提前終止，恢復(fù)了祖先型蛋白的功能，使這株豌豆重新綻放紫色花朵。同一個(gè)基因內(nèi)部，一個(gè)新突變抑制舊突變，這種‘以突制突’‘自我修復(fù)’的奇跡，讓人感嘆大自然的神奇?！背虝r(shí)鋒說。

最令人著迷的，莫過于在對豌豆花位置的研究中，研究團(tuán)隊(duì)意外發(fā)現(xiàn)了一個(gè)新的遺傳修飾位點(diǎn)——Mfa。

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——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，原本命中注定應(yīng)表現(xiàn)為帶狀化的頂花表型被完全或部分抑制了，導(dǎo)致植株恢復(fù)了野生型的側(cè)花外觀。

至此，花位置表型與基因型不一致現(xiàn)象得到了解釋。在遺傳學(xué)中，這種現(xiàn)象被稱為“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，而是通過延遲、削弱或掩蓋其突變效應(yīng)的方式，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?！背虝r(shí)鋒說。

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)控層級提供了一個(gè)生動(dòng)案例。

“如今的我們不得不感嘆，孟德爾發(fā)現(xiàn)了肉眼看不見的奧秘。他精心挑選了表型差異顯著、遺傳效應(yīng)強(qiáng)的七大理想性狀，并不是出于自身喜好的人為篩選，更不是一種幸運(yùn)，而是基于他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、深刻的洞察力和非凡的科學(xué)預(yù)見性?！背虝r(shí)鋒說。

研究團(tuán)隊(duì)在中國南北種植了近700個(gè)核心豌豆品系，解碼了孟德爾豌豆七大性狀的分子本質(zhì)，打開了160年前遺傳因子的“黑箱”，用確鑿的分子證據(jù)和清晰的因果機(jī)制回應(yīng)了孟德爾留下的百年謎題。