Nature重磅：我国学者破解孟德尔豌豆实验遗留的百年谜题

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）程时锋团队等在国际顶尖学术期刊 Nature 上发表了题为：Genomic and genetic insights into Mendel’s pea genes 的最新研究成果。

该研究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。这一研究成果不仅为孟德尔豌豆研究增添了新篇章，还开启了豌豆基因组研究的新时代。

1822 年 7 月 20 日，孟德尔出生在奥地利一个贫穷的农民家庭，之后他成了奥古斯丁修道院的一名修道士。

闲暇之余，他在修道院的空地上进行了一系列著名实验，他杂交了大约 28000 株豌豆，以探索豌豆的性状是如何遗传给后代的，他观察、记录并分析了豌豆的七种性状，包括种子形状（圆形、褶皱）、植株高度（高、矮）、种子颜色（黄色、绿色）、花的颜色（白色、紫色）、果荚形态（饱满、皱缩）、果荚颜色（黄色、绿色）和花的位置（高、低）。

通过这些实验，孟德尔在基因（孟德尔将其称为遗传因子）这一概念尚未诞生之时就做出超越时代的发现——基因分离定律（决定同一性状的成对遗传因子彼此分离，独立地遗传给后代）、基因自由组合定律（决定不同遗传性状的遗传因子间可以自由组合）。

孟德尔仔细研究的七对性状

而在当时，孟德尔的这些超越时代的伟大发现并未受到重视，但他始终相信“我的时代会到来”，直到 1884 年，孟德尔因病去世。

而在 1900 年，孟德尔去世 16 年后，三位植物学家（荷兰的德弗里斯，德国的科伦斯，和奥地利的切尔马克）通过各自的工作几乎同时发现了孟德尔当年的研究。这标志着现代遗传学的诞生，也让他从默默无闻的修道士变成了“现代遗传学之父”。

孟德尔的贡献，不仅在于他在理论上为现代遗传学的诞生和发展奠定了基础，还在于他在研究过程中所创立和运用的方法，为现代遗传学的发展奠定了方法论基础，例如纯系培育、性状分离、回交实验和数理统计分析法等，已成为现代遗传学研究的主要方法。

然而，160 年后的现在，孟德尔最初研究的七种豌豆性状中，还有三种性状的基因尚未确定。

在这项最新研究中，研究团队历时六年，成功揭示了决定荚果形态、荚果颜色和花的位置这三种性状的基因。

果荚颜色（Gp）：该研究发现，控制绿色果荚与黄色果荚差异的并非传统意义上的基因突变，而是一段长达约 100kb 的基因组大片段缺失。该缺失使得叶绿素合酶基因（ChlG）与上游一个抗病相关基因（NLR）距离拉近，导致该区域转录过程异常延伸和转录融合，形成异常转录本，干扰了果荚中 ChlG 基因的正常表达，从而破坏了叶绿素的生物合成，导致黄色果荚的形成。也就是说，绿色果荚与黄色果荚中的 ChlG 编码基因完全一致，这一性状的变化源自该基因上游序列的结构重排。

果荚形状（P 或 V）：该研究发现，控制果荚饱满还是皱缩的，是两个彼此独立但功能相关的果皮发育调控基因。P 基因编码小肽 CLE41，参与 CLE41-PXY-WOX 遗传代谢通路，维持内果皮细胞增殖与分化。在突变体材料中，P 基因因一个碱基突变产生了提前终止密码子，无法合成有效的 CLE41，导致豆荚内果皮细胞层发育不足，从而形成了皱缩果荚。而 V 基因则是一种调控果荚木质素合成与次生细胞壁加厚的转录因子 MYB26；在突变体材料中，MYB26 上游插入了一个约 23kb 的转座子 Ogre，在表观调控层面沉默了 V 基因表达，而 MYB26 自身蛋白编码序列并未改变。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，形成如“荷兰豆”那种既脆嫩又皱缩的果荚类型。

花的位置（Fa）：这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，其编码的是类共受体激酶（CIK2/3），属于调控茎尖分生组织稳态的保守信号通路——CLAVATA-WUSCHEL（CLV-WUS）的一部分。CIK2/3 基因在突变体中因一个外显子内 5bp 的删除而失去功能，上游 CLV3 小肽信号无法传导，WUS 表达失控，引起顶端分生组织过度增殖和形态畸变。这一通路在模式植物如拟南芥、水稻、番茄等中高度保守，是植物形态建成的核心开关。

该研究成功破解了决定荚果形态、荚果颜色和花的位置这三种性状的四个基因。并在分子层面系统解析了 160 年前孟德尔所研究的全部七种性状的遗传基础。

孟德尔详细研究的七对对比性状的基因的遗传结构和基因组多样性

总的来说，该研究展示了一张基于序列的群体基因组图谱和一张基于性状的表型变异图谱，并结合了来自世界上主要豌豆种质资源库之一的广泛性状的单倍型 - 表型关联分析，进而阐明孟德尔研究的豌豆的七种著名性状背后的等位基因及其基因组上下文。该研究进一步展示了如何将这种方法拓展开来以揭示具有育种潜力的众多农艺和园艺性状的分子基础。