黃莢、皺莢、帶狀化三大性狀、四個(gè)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(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，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?，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(xué)家們前赴后繼，但七對(duì)性狀中，仍有三對(duì)沒有完全解開。
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爾豌豆七大性狀變異背后的遺傳基礎(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)枴っ系聽栃x了一篇論文——《植物雜交實(shí)驗(yàn)》。論文中，孟德爾講述了一個(gè)當(dāng)時(shí)無人知曉的發(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。
通過近300次雜交實(shí)驗(yàn)，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(jì)數(shù)和分析，孟德爾發(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)律后來被稱為“孟德爾定律”，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，孟德爾發(fā)現(xiàn)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(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，孟德爾的論文少有人問津。但無可否認(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(shí)間的推進(jìn)，孟德爾打開的大門，吸引了越來越多的科學(xué)家?；?，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，孟德爾提出的七大對(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?，為SBEI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”
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”孟德爾的故事。
“孟德爾、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。”程時(shí)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(fā)現(xiàn)?！?/p>
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“孟德爾豌豆園”，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)，孟德爾雜交實(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(jì)的科技和熱情，給孟德爾回了一封信。”程時(shí)鋒說。
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，“孟德爾七大對(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)孟德爾七大性狀變異中最復(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年前孟德爾所研究的全部七個(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，其中包括孟德爾調(diào)研過的器官大小、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
“孟德爾的論文《植物雜交試驗(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)沒有染色體、沒有DNA的年代，他預(yù)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(shí)鋒說。
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、表現(xiàn)與傳承?！?/p>
在孟德爾的時(shí)代，他的發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)。
孟德爾生前曾經(jīng)預(yù)言，“我的時(shí)代終將到來?！背虝r(shí)鋒說，“如今，這個(gè)時(shí)代早就到來了?！?/p>
