研究人员揭示孟德尔豌豆三大性状变异关键基因

◎本报记者 马爱平

近日，中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）研究员程时锋团队携手英国约翰·英纳斯中心团队等，结合群体基因组学、数量遗传学和分子生物学等技术手段，成功构建了高分辨率的豌豆单倍型变异图谱和表型变异图谱，首次在分子层面全面揭示了孟德尔豌豆七大性状变异背后的遗传基础。

这一研究成果在技术上完成了一场与孟德尔跨越世纪的科学对话。相关研究成果日前发表在《自然》上。

重建现代版“孟德尔豌豆园”

1865年，孟德尔通过豌豆七对相对性状，即种子圆皱、子叶颜色、花色、花位置、果荚形态、果荚颜色、株高的杂交实验，首次提出遗传因子控制性状的理论，并推导出遗传变异在世代间传递的独立分离和自由组合规律。受限于当时时代背景和技术条件，孟德尔未能揭示这些遗传因子的分子本质。

在后续的研究中，科学家陆续定位到控制种子圆皱、子叶颜色、花色和株高的基因，但控制果荚颜色、果荚形态和花位置的关键基因仍是遗传学未解之谜。

2019年，程时锋正致力于寻找一种理想的豆科模式体系，用以研究结瘤共生固氮的遗传机制。当他访问英国约翰·英纳斯中心种质资源库时，立即被豌豆这一充满历史底蕴且蕴含丰富生物多样性的古老作物所吸引。

“当时孟德尔研究的那批豌豆主要收集于欧洲大陆。一百多年过去了，豌豆七大性状还有近一半的谜题未被破解。”程时锋说。

他下定决心要引进全球豌豆种质资源，在深圳重建一座现代版的“孟德尔豌豆园”，利用现代科学技术，一边追寻豌豆七大性状百年谜题的答案，一边开展豆科结瘤固氮研究。

一年后，大约700份来自全球六大洲、41个国家的豌豆核心种质，辗转万里到达中国。随后，研究人员将这些豌豆种质在深圳、哈尔滨等多处实验基地进行种植，并同步进行表型记录。

5年以来，研究团队共调查了80多个豌豆种质的农艺性状，并进一步挖掘了大量与花期、株型、器官大小、结荚数目等性状相关的重要基因变异。

“当那些紫花的、圆粒的、矮茎的、皱荚的豌豆在园中悄然生长，孟德尔杂交实验里的一个个豌豆性状仿佛穿越时空，跃然眼前。如果说孟德尔1865年发表的论文是写给未来世界的一封信，在当时一度被遗忘和误解，那么今天，我们团队正凭借21世纪的科学技术手段，给孟德尔回了一封信，分享着发现的乐趣。”程时锋说。

揭秘豌豆三大性状遗传密码

长期以来，程时锋团队始终聚焦于破解孟德尔豌豆七大性状中剩余三大性状的谜题。

“百余年来，学界提出过多种候选基因和假说，但都因缺乏确凿的分子证据而被一一推翻。这些性状背后的基因，如同基因组里的‘幽灵’，隐匿其形，难以捕捉。”程时锋说。

直到今年，程时锋带领的科研团队综合多个前沿技术，最终揭示了这三大性状的遗传基础，修正了多个历史性的误判。

在果荚颜色方面，团队发现，控制绿荚与黄荚差异的关键并非传统认知中的基因突变，而是一段长达约100kb的基因组大片段缺失。

“这一缺失使得叶绿素合酶基因与上游一个抗病相关基因的距离拉近，进而导致该区域的转录过程异常延伸和转录融合，形成异常转录本，最终干扰了果荚中叶绿素合酶基因的正常表达。值得注意的是，黄荚中的叶绿素合酶基因编码序列与绿荚完全一致，序列本身没有突变，性状的改变源于上游基因组结构重排对转录调控的深层干扰。这一发现为解释性状背后的基因机制提供了更为深刻的见解。”论文第一作者之一、中国农业科学院深圳农业基因组研究所（岭南现代农业科学与技术广东省实验室深圳分中心）博士奉聪说。

在果荚形态方面，团队发现，控制果荚饱满与皱缩状态的，是两个彼此独立但功能相关的果皮发育调控基因。“这两个基因分别代表了植物中高度保守的发育调控网络——CLE小肽信号传导通路与MYB-NAC转录调控通路，二者可独立造成皱荚，也可共同作用。”奉聪说。

团队还发现，花位置是孟德尔七大性状变异中最复杂、最神秘的一个性状，表现为茎尖扁平化、花序排列紊乱，花朵团簇排列，形成类似顶生花的结构。豌豆中该性状差异由Fa基因控制。

随着果荚颜色、果荚形态、花位置这三大性状的“世纪谜题”被一一破解，研究团队在分子层面上系统解析了160年前孟德尔所研究的全部豌豆七大性状的遗传基础。

意外发现更多遗传现象

在解析豌豆这七大性状谜题的过程中，研究团队还收获了一连串令人惊喜的发现。

“首先，我们对植物色彩之美有了更为深入的理解。植物颜色的背后有着一套精密的遗传代谢密码。”程时锋说。

例如，豌豆种子的黄色（显性）与绿色（隐性）的差异，是由于控制叶绿素降解途径的第一步发生了功能突变；而果荚的黄色（隐性）与绿色（显性）的差异，则是由于果荚中叶绿素合成途径的最后一步受到调控干扰。

在研究花色的紫色（显性）与白色（隐性）差异时，研究团队发现，一株本因bHLH转录因子的提前终止突变而“命中注定”开出白花的豌豆，竟在其内含子中发生了一个“命运逆转式”的新突变。

“这个新突变阻断了原有的提前终止，恢复了祖先型蛋白的功能，使这株豌豆重新绽放紫色花朵。同一个基因内部，一个新突变抑制旧突变，这种‘以突制突’‘自我修复’的奇迹，让人感叹大自然的神奇。”程时锋说。

最令人着迷的，莫过于在对豌豆花位置的研究中，研究团队意外发现了一个新的遗传修饰位点——Mfa。

这个位点，就像悄然拨弦的调音师，或踩住刹车的副驾——即使植物携带双隐性fa／fa的突变型，但由于同时拥有Mfa／Mfa纯合基因型，原本命中注定应表现为带状化的顶花表型被完全或部分抑制了，导致植株恢复了野生型的侧花外观。

至此，花位置表型与基因型不一致现象得到了解释。在遗传学中，这种现象被称为“不完全外显率”与“可变表现性”。

“Mfa并不改变主效基因Fa的编码功能，而是通过延迟、削弱或掩盖其突变效应的方式，改变最终的表型呈现，让原本‘必然’的表现变成了‘或然’的选择。”程时锋说。

这种遗传背景修饰主效突变的机制，为理解复杂性状背后的表型可塑性与遗传调控层级提供了一个生动案例。

“如今的我们不得不感叹，孟德尔发现了肉眼看不见的奥秘。他精心挑选了表型差异显著、遗传效应强的七大理想性状，并不是出于自身喜好的人为筛选，更不是一种幸运，而是基于他严谨的实验设计、深刻的洞察力和非凡的科学预见性。”程时锋说。

研究团队在中国南北种植了近700个核心豌豆品系，解码了孟德尔豌豆七大性状的分子本质，打开了160年前遗传因子的“黑箱”，用确凿的分子证据和清晰的因果机制回应了孟德尔留下的百年谜题。