对话中国农科院程时锋：破解“孟德尔豌豆”百年之谜意义重大，未来育种或像“拼乐高”

直至最近，程时锋教授及其团队携手英国约翰・英纳斯中心（JIC），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，终于攻克了百年难题，为孟德尔豌豆的遗传研究画上了圆满的句号，也为整个遗传学界带来了“里程碑式”的重大突破。

对此，搜狐科技对话了中国农业科学院深圳农业基因组研究所研究员程时锋，听他讲述如何破解困扰学界百年的“孟德尔豌豆之谜”。

百年难题的破解

正如课本中学到的那样，1865年“现代遗传学之父”格雷戈尔·孟德尔选定了七对豌豆性状——种子形状、种子颜色、花色、花的位置、荚形、荚色和株高，成为遗传学研究的起点。但直到21世纪初，仍有三对性状（果荚颜色、果荚形状、花的位置）的分子机制没有被揭开。

“受限于技术方法和种质资源，原来的研究相对碎片化，只获得了部分答案，而我们经过五年多的努力，终于把这七大性状之谜第一次完整地、系统地回答完毕。”程时锋介绍道。

他们研究发现，果荚的黄（隐性）与绿（显性）的差异，是由于果荚中叶绿素合成途径的最后一步控制基因的表达受到调控干扰所致；控制果荚饱满与皱缩状态的是两个彼此独立、但功能相关的发育调控基因，两者可以独立造成皱荚，也可以共同作用。

而花位置的“带状化”现象一直是孟德尔七大性状中最复杂的一个，它由编码类共受体激酶的基因主导，通过延迟、削弱或掩盖其突变效应，从而改变最终的表型呈现。

在程时锋看来，整个生命科学的研究最核心的就是遗传学，而开山鼻祖孟德尔选了这七大性状进行豌豆杂交实验是有着重要意义的。孟德尔从表型现象的规律推测出了背后的“遗传定律”：“遗传因子”的独立分离和自由组合规律，建立了“离散遗传学”理论框架。但孟德尔并不知道“遗传因子”的分子本质。

程时锋之所以重访孟德尔七大现状，第一个重要的原因就是希望可以更好地理解孟德尔当年实验背后的原理，以及七大性状之所以能够分离、自由组合的机制是什么，解开“遗传因子”的分子本质。

第二个原因，则是来自对于遗传学教学的热情。目前许多中学老师表达过，有关显性、隐性的二态分离现象，似乎是一个谜一样的存在；现在他们把现象和本质了解清楚后，对老师和同学都会有很大的启发。

第三方面则是因为豌豆本身。豌豆是很重要的经济作物，豌豆荚不仅鲜嫩美味、营养价值也很高，而且豌豆的蛋白质成分相较大豆有独特的优良价值，微量元素组成也非常丰富，具有抗癌的功效。

不仅如此，豌豆还具有很强的结瘤共生固氮能力，基本上不用施氮肥，不会带来环境污染，所以在植物科学应用层面也是很重要的。

与“豌豆”结缘

谈及与英国约翰·英纳斯中心（JIC）等国际机构的研究人员合作时，程时锋把时间拉回到了2018年。

“我在2018年的时候就去到约翰·英纳斯中心种质资源库中心，与他们一起谈中-英合作”，程时锋说，“不过最初是因为小麦研究的项目，我引进了数千份全球珍贵的小麦种质资源。”

那时候的程时锋想从全球性的视角对小麦进行研究，而约翰·英纳斯中心恰好就储存了世界上最为丰富的小麦种子资源之一，所以程时锋就将种子资源带回中国做科研和育种，相应的，在基因组学、生物信息学、计算生物学等技术方面给予他们支持。

“我们的联盟和合作很开放、互补，很好地响应了国际合作的要求，共享、共为，也是一个典型的技术走出去，资源引进来的成功的国际合作典范。”

但程时锋团队本身长期进行豆科结瘤共生固氮方面的研究，一直致力于结瘤固氮进化发育和遗传调控的探讨。所以2019当他再次访问约翰·英纳斯中心的时候，就决定开展豆科方面的合作研究。因为那里资源库的历史记录保存的很好，程时锋在红豆、绿豆、豇豆和豌豆中，一眼就选中了豌豆。

他解释道：“上中学的时候课本学的就是孟德尔的豌豆实验，我对这七大性状很感兴趣，研究中心把707份豌豆样本给我，我就引到中国来了，我们一起开展了‘MendelPeaG2P项目’，2020年全面启动，同时我也在做小麦的研究，可以说经过五、六年的努力，两个项目都取得了成功。”

据了解，这两个项目的种子资源在我国深圳、哈尔滨都进行种植调研，程时锋团队也挖掘了大量的性状基因。这是来自全世界41个国家的种子资源，但因为在深圳有部分种子没发芽，程时锋和团队最终成功收获了697份样品。

“发起、组织、设计和协调中英两国科研家进行有组织的科研，我很享受这个过程，这是以纯粹的科学发现为目标进行的研究，关注着百年未竟的科学发现，由我们中国团队主导，最终画上了一个圆满的句号。”程时锋分享道。

未来育种或像“拼乐高”

程时锋和团队运用了多门学科和技术，包括传统的QTL定位技术、全基因组测序、群体基因组学、数量遗传学、生物信息学、解剖结构和分子生物学等技术手段等等，正是各个技术的共同结合才支持了这一发现。

值得一提的是，除了完成了对上述黄荚、皱荚、带状化剩余三大性状基因的鉴定工作，程时锋团队还对前人研究过的四个基因进行了更深入的挖掘。

此外，程时锋团队在解析花色的性状时，还发现了一个“基因修复”的神奇功能：一株原本应该开白色花的豌豆，却因为内含子突变意外恢复了花青素合成功能，开出了紫色的花朵。

或许就像程时锋写的那样，“这种‘以突制突’、‘自我修复’的自然奇迹，恰如生命的执著，也让人感叹大自然的神奇：宁可绽放惊艳的紫红，也不甘‘沉沦’于无色的平庸。”

在程时锋看来，未来的育种家可以像“拼乐高”一样，通过组合不同的理想性状，实现作物的定向改良，这也是他们下一步要做的事情。

“其实我们已经做了一部分了，我们可以清晰地看到通往成功的路径是什么样子，因为我们前面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，下一步我们会做更多的性状解析，发现基因变异，解析基因功能和计算育种价值，看它到底是优良的、还是有害的等等。”程时锋如是说。

其实在这700份样本中，许多性状好的变异都分散在不同的品系里面，理解了不同性状背后优良性状是如何分布的，就可以通过计算定位和定向基因编辑，实现聚合育种。

通俗来讲，就是把所有好的基因聚合在一个主栽品系里面。

程时锋认为，AI、基因编辑这些新技术会帮到大忙，将来培育出的新品系会集万千宠爱于一身，在产量、适应性、抗病、抗虫、营养价值等方面都会是最好的，目前他们课题组也正在成立一个名为Design Idea Pea（设计理想豌豆）的新项目。

“我们需要开发新的技术，组建更强的团队，未来要产生更多的数据进行算法开发等等，也欢迎感兴趣的朋友们加入，或对品种改良推广方面感兴趣的企业可以投资。”程时锋如是说。