■中国科学报记者 李晨 实习生 李蓉

　　1865年，生物学家孟德尔在奥地利宣读了其豌豆研究成果《植物杂交实验》，为经典遗传学大厦奠基。

　　不过，孟德尔没有想到，自己的论文不仅不被当时的人理解，甚至去世后还被权威科学家怀疑“学术造假”，并经历了整整160年的争议。

　　近日，《自然》发表了中国科学家领衔的国际合作研究成果。中国农业科学院深圳农业基因组研究所（大鹏湾实验室）研究员程时锋团队联合英国约翰·英纳斯中心（JIC）等国际机构的研究人员，运用多组学技术，首次在分子层面完整破译了孟德尔豌豆七大性状的遗传基础，全面揭示了相关性状背后的8个关键基因及其调控机制。

　　论文通讯作者程时锋告诉《中国科学报》，该研究不仅在技术上完成了一场跨越世纪的科学对话，而且回应了孟德尔生前那句被忽视的预言：“我的时代终将到来！”

豌豆。中国农科院供图

　　超前且完美的实验，曾被质疑“造假”

　　1865年初，一位名不见经传的奥地利修道士两次登上布尔诺自然历史协会的讲坛，向学界宣读他以豌豆为材料的杂交实验成果。

　　这位修道士正是后来被视为“现代遗传学之父”的孟德尔。他以豌豆的七大性状为研究对象，首次揭示了遗传的基本规律。

　　19世纪中叶，科学界普遍接受“混合遗传”学说。人们认为子代性状是亲代特征的简单调和，就像“黑+白=灰”。而孟德尔通过研究豌豆七大性状的杂交实验，总结出遗传的分离定律和自由组合定律，构建了“离散遗传学”的理论框架，由此触碰到达尔文非常关心的“生物多样性”的终极来源问题。

　　次年，孟德尔将实验数据与理论推导整理成论文《植物杂交实验》。在那个“基因”概念尚未出现的时代，孟德尔首次提出了“遗传因子”。当时人们还没有窥见细胞核内微观世界的科学工具，这篇开创性论文因为观点过于超前，被淹没在广为传播的达尔文进化论大潮中。

　　这项后来改写了生物学史的研究成果，在长达34年的时间里被学术界集体忽视。

　　直到1900年，荷兰、德国和奥地利的3位植物学家在独立研究中几乎同时重现了孟德尔的发现，并在学术界引起轰动。“孟德尔定律的重新发现”被视作现代遗传学的起点。然而，其中关于显隐性状的定律，却在争议与误解中徘徊了一个半世纪。

　　批评者认为，孟德尔研究的性状过于简单，甚至罕见，无法解释自然界的普遍遗传现象。有人主张将孟德尔的豌豆实验从教材中移除，认为它无法适配现代遗传学的复杂性。1936年，统计学家费舍尔错误地质疑孟德尔数据“好得不真实”，认为除了造假，不可能如此完美。这种来自权威科学家的质疑，几乎摧毁了孟德尔的历史声誉。

　　而那些坚信孟德尔是正确的科学家知道，想要回答这些问题，必须找到七大性状背后的遗传基因，理解其分子本质。为此，他们踏上了持续100多年的揭秘豌豆七大性状基因的征途。

　　1917年，学界便已完成对孟德尔七大对立性状的基因命名。直到最近几十年，4个性状的候选基因才陆续被确认：1990年，《细胞》论文首次报道了圆粒/皱粒基因；1997年发表于《植物细胞》和美国《国家科学院院刊》的论文分别确认了高秆/矮秆基因；2007年，《科学》和《国家科学院院刊》刊登的文章分别揭示了黄粒/绿粒基因；2010年，美国《公共科学图书馆-综合》的论文发现了紫花/白花基因。

　　然而，孟德尔研究的最后“三块拼图”：黄荚/绿荚、皱荚/圆荚、顶花/侧花及其背后的遗传基因，却仍然笼罩在迷雾中。

　　孟德尔的豌豆和中国人的坚持

　　2019年，程时锋造访JIC。当时，他正在寻找一种理想的豆科模式体系，以研究结瘤共生固氮遗传机制。一份特殊的豌豆种质资源——总共3000余份来自40多个国家的全球多样性豌豆种子，引起了他的注意。

　　JIC保存这些种质绝非偶然。JIC首任主任、遗传学家威廉·贝特森是孟德尔学说的早期传播者。20世纪初，他率先用这些豌豆复现实验，并收集了数千种豌豆，其中大部分来自欧洲大陆。

　　孟德尔是程时锋景仰的伟大科学家。兴奋之余，他查阅了相关资料，发现豌豆七大性状还有近一半的基因未被发现。“引进全球豌豆种质资源，在深圳重建一座现代版孟德尔豌豆园，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。”这个有趣而浪漫的想法在程时锋脑中浮现。

　　或许只有揭示分子本质才能解开孟德尔豌豆七大性状的终极之谜。于是，程时锋发起了一项国际合作——“MendelPeaG2P项目”，从分子遗传学视角“重访”经典实验。

　　仅一年后，来自41个国家的697份豌豆种质材料落地中国。研究人员在深圳、哈尔滨以及英国诺维奇多地建起“孟德尔豌豆园”，追踪每株豌豆的生长轨迹。结合中、英两国数据，他们最终完成了79个性状的精准采集。

　　“这697份种质太特殊了，像黄荚/绿荚、侧花/顶花这些性状变异，在其他豌豆资源库中都极为罕见。”论文共同第一作者、中国农业科学院深圳农业基因组研究所硕士研究生蒋梅说。

　　这是国际合作的一个成功典范，其中不乏一些有趣的小插曲。

　　利用高分辨率的群体单倍型图谱、高质量的关联分析和多组学数据，程时锋团队通过连续攻关，接连完成了孟德尔剩余三大性状、4个基因的鉴定工作。七大性状的答案逐渐浮出水面。

　　此时，JIC的一个研究团队想保留部分传统方法做出的关于黄荚的一个基因的分析结果，单独发一篇小文章。他们认为，七大性状的故事已经比较完整，可能并不需要这一传统的旧结果；而单独发一篇小文章，意味着不在程时锋设计的“揭开七大性状百年之谜”的完整故事之内。

　　“作为一个国际合作大项目，我们希望大家都能在科学研究中尽情享受科学之美，并共同受益于科研数据和成果。也许是我们‘揭开七大性状百年之谜’的故事太过吸引人，英国团队最后放弃了单独发小文章的想法，将其数据都加到我们的大故事里。”程时锋说，“英国人最后也不由感叹，这是一篇完美的科学论文。”

　　程时锋在接受《中国科学报》采访时强调：“如果没有来自英国的种质资源和各个团队的通力配合，我们的论文也许会失色一些。但如果没有中国研究团队的主导、构想和对完美科学的追求，这项研究可能永远只是一个设想。”

　　论文共同通讯作者、JIC兼职研究员Noel Ellis说：“是中国科学家促成了这一切，他们付出了巨大的努力。”

　　跨越160年的科学对话

　　为什么有些豆荚饱满鲜绿，有些却泛黄枯槁？为什么有些豆荚表面光滑，有些却布满皱褶？为什么有些豌豆花生长在植株顶端，有些却出现于侧枝？这3个曾经困扰生物学家百余年的“未解之谜”如今终于有了答案。

　　此外，研究团队对前人研究过的4个基因进行了更深入的挖掘，揭示了很多新的等位基因变异。

　　程时锋团队并未止步于经典性状研究。他们进一步对697份豌豆材料展开深度测序与系统表型调查，挖掘出72个具有重要农艺价值或潜在应用前景的关键性状及其对应候选基因。例如，控制籽粒大小的基因有望影响作物产量，而“半叶型”或“无叶型”突变可以使豌豆更适应机械化种植。

　　程时锋认为，这些发现意味着未来育种家可以像“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。

　　研究过程中，团队成员重读孟德尔论文原文，深刻体会他的设计思路。孟德尔在研究豌豆之前，曾探索过10多种植物。但最终选择了豌豆这一拥有自花授粉、花器官明显、易于杂交等优点的理想实验材料，开展了长达10年的遗传学实验。在最初两年的预实验里，他挑选了22个纯合豌豆品种，并最后聚焦于七大性状。

　　孟德尔为什么选择豌豆？他是否刻意挑选了“过于完美”的性状？

　　“全基因组关联分析显示，豌豆性状的遗传力冠绝目前已研究过的物种，曼哈顿图信号强度前所未见。这是教科书级的遗传定位事例。”程时锋说。

　　通过多组学手段，中英团队验证了孟德尔定律的普适性：DNA大片段缺失、逆转录转座子插入、移码突变等，都是植物界普遍存在的变异类型。

　　“这些突变机制并非模糊的统计关联，而是清晰可溯的因果关系，是理解从序列变异到表型变化的经典例证。”程时锋说，更令人惊奇的是，几乎所有这些突变都表现为功能缺失或功能削弱，构建了“显性”与“隐性”在分子层面的清晰定义：显性是功能完好，隐性则往往源于功能缺失或调控失衡。

　　“这些发现帮助我们理解了孟德尔观察和推理的3：1的表型分离比、1：2：1的遗传因子组合比背后的分子本质。”程时锋说，教科书应该强化而非删除孟德尔章节，他的实验设计至今仍是科学方法的典范。

　　中国科学院分子植物科学卓越创新中心研究员王二涛说，该成果是遗传学史上的一座里程碑，不只是对经典的回顾与还原，还在现代基因组学、数量遗传学、表型组学与分子机制研究的多维整合基础上，实现了“性状-基因”“通路-调控”的突破，对生物学基础研究、教育和育种都有深远的启发意义。

　　“基因编辑等新技术为未来作物改良和绿色农业发展提供了全新的可能性。”程时锋表示，他们计划进一步探索结瘤固氮等更复杂的豌豆性状，研究其遗传机制以及与环境的互作。这项研究不是终点，而是豌豆重返模式生物舞台的起点。

　　相关论文信息：

　　https://doi.org/10.1038/s41586-025-08891-6

　　《中国科学报》 (2025-05-06 第1版 要闻)