打開遺傳“黑箱” 解開百年謎題——研究人員揭示孟德爾豌豆三大性狀變異關鍵基因

豌豆結滿豆莢。

豌豆花開。劉君鳳／視覺中國

◎本報記者馬愛平

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）研究員程時鋒團隊攜手英國約翰·英納斯中心團隊等，結合群體基因組學、數量遺傳學和分子生物學等技術手段，成功構建了高解析度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後的遺傳基礎。

這一研究成果在技術上完成了一場與孟德爾跨越世紀的科學對話。相關研究成果日前發表在《自然》上。

重建現代版“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、果莢顏色、株高的雜交實驗，首次提出遺傳因子控制性狀的理論，並推導出遺傳變異在世代間傳遞的獨立分離和自由組合規律。受限于當時時代背景和技術條件，孟德爾未能揭示這些遺傳因子的分子本質。

在後續的研究中，科學家陸續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、果莢形態和花位置的關鍵基因仍是遺傳學未解之謎。

2019年，程時鋒正致力於尋找一種理想的豆科模式體系，用以研究結瘤共生固氮的遺傳機制。當他訪問英國約翰·英納斯中心種質資源庫時，立即被豌豆這一充滿歷史底蘊且蘊含豐富生物多樣性的古老作物所吸引。

“當時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。”程時鋒説。

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

一年後，大約700份來自全球六大洲、41個國家的豌豆核心種質，輾轉萬里到達中國。隨後，研究人員將這些豌豆種質在深圳、哈爾濱等多處實驗基地進行種植，並同步進行表型記錄。

5年以來，研究團隊共調查了80多個豌豆種質的農藝性狀，並進一步挖掘了大量與花期、株型、器官大小、結莢數目等性狀相關的重要基因變異。

“當那些紫花的、圓粒的、矮莖的、皺莢的豌豆在園中悄然生長，孟德爾雜交實驗裏的一個個豌豆性狀仿佛穿越時空，躍然眼前。如果説孟德爾1865年發表的論文是寫給未來世界的一封信，在當時一度被遺忘和誤解，那麼今天，我們團隊正憑藉21世紀的科學技術手段，給孟德爾回了一封信，分享著發現的樂趣。”程時鋒説。

揭秘豌豆三大性狀遺傳密碼

長期以來，程時鋒團隊始終聚焦于破解孟德爾豌豆七大性狀中剩餘三大性狀的謎題。

“百餘年來，學界提出過多種候選基因和假説，但都因缺乏確鑿的分子證據而被一一推翻。這些性狀背後的基因，如同基因組裏的‘幽靈’，隱匿其形，難以捕捉。”程時鋒説。

直到今年，程時鋒帶領的科研團隊綜合多個前沿技術，最終揭示了這三大性狀的遺傳基礎，修正了多個歷史性的誤判。

在果莢顏色方面，團隊發現，控制綠莢與黃莢差異的關鍵並非傳統認知中的基因突變，而是一段長達約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抗病相關基因的距離拉近，進而導致該區域的轉錄過程異常延伸和轉錄融合，形成異常轉錄本，最終干擾了果莢中葉綠素合酶基因的正常表達。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，性狀的改變源於上游基因組結構重排對轉錄調控的深層干擾。這一發現為解釋性狀背後的基因機制提供了更為深刻的見解。”論文第一作者之一、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）博士奉聰説。

在果莢形態方面，團隊發現，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。“這兩個基因分別代表了植物中高度保守的發育調控網路——CLE小肽信號傳導通路與MYB－NAC轉錄調控通路，二者可獨立造成皺莢，也可共同作用。”奉聰説。

團隊還發現，花位置是孟德爾七大性狀變異中最複雜、最神秘的一個性狀，表現為莖尖扁平化、花序排列紊亂，花朵團簇排列，形成類似頂生花的結構。豌豆中該性狀差異由Fa基因控制。

隨著果莢顏色、果莢形態、花位置這三大性狀的“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豌豆七大性狀的遺傳基礎。

意外發現更多遺傳現象

在解析豌豆這七大性狀謎題的過程中，研究團隊還收穫了一連串令人驚喜的發現。

“首先，我們對植物色彩之美有了更為深入的理解。植物顏色的背後有著一套精密的遺傳代謝密碼。”程時鋒説。

例如，豌豆種子的黃色（顯性）與綠色（隱性）的差異，是由於控制葉綠素降解途徑的第一步發生了功能突變；而果莢的黃色（隱性）與綠色（顯性）的差異，則是由於果莢中葉綠素合成途徑的最後一步受到調控干擾。

在研究花色的紫色（顯性）與白色（隱性）差異時，研究團隊發現，一株本因bHLH轉錄因子的提前終止突變而“命中註定”開出白花的豌豆，竟在其內含子中發生了一個“命運逆轉式”的新突變。

“這個新突變阻斷了原有的提前終止，恢復了祖先型蛋白的功能，使這株豌豆重新綻放紫色花朵。同一個基因內部，一個新突變抑制舊突變，這種‘以突制突’‘自我修復’的奇跡，讓人感嘆大自然的神奇。”程時鋒説。

最令人著迷的，莫過於在對豌豆花位置的研究中，研究團隊意外發現了一個新的遺傳修飾位點——Mfa。

這個位點，就像悄然撥弦的調音師，或踩住剎車的副駕——即使植物攜帶雙隱性fa／fa的突變型，但由於同時擁有Mfa／Mfa純合基因型，原本命中註定應表現為帶狀化的頂花表型被完全或部分抑制了，導致植株恢復了野生型的側花外觀。

至此，花位置表型與基因型不一致現象得到了解釋。在遺傳學中，這種現象被稱為“不完全外顯率”與“可變表現性”。

“Mfa並不改變主效基因Fa的編碼功能，而是通過延遲、削弱或掩蓋其突變效應的方式，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。”程時鋒説。

這種遺傳背景修飾主效突變的機制，為理解複雜性狀背後的表型可塑性與遺傳調控層級提供了一個生動案例。

“如今的我們不得不感嘆，孟德爾發現了肉眼看不見的奧秘。他精心挑選了表型差異顯著、遺傳效應強的七大理想性狀，並不是出於自身喜好的人為篩選，更不是一種幸運，而是基於他嚴謹的實驗設計、深刻的洞察力和非凡的科學預見性。”程時鋒説。

研究團隊在中國南北種植了近700個核心豌豆品係，解碼了孟德爾豌豆七大性狀的分子本質，打開了160年前遺傳因子的“黑箱”，用確鑿的分子證據和清晰的因果機制回應了孟德爾留下的百年謎題。