1865年，孟德尔在奥地利宣读了他的豌豆科研成果：《植物杂交实验》，奠定了经典遗传学大厦。他没有想到，自己的论文不仅在他生前不被当时的人理解，甚至身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。
2025年4月23日，孟德尔诞辰203年之后，《自然》发表了中国科学家领衔的国际合作研究成果，终于找到了孟德尔豌豆7对经典性状背后的8个基因及其分子本质。
1865年，孟德尔在奥地利宣读了他的豌豆科研成果：《植物杂交实验》，奠定了经典遗传学大厦。他没有想到，自己的论文不仅在他生前不被当时的人理解，甚至身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。
2025年4月23日，孟德尔诞辰203年之后，《自然》发表了中国科学家领衔的国际合作研究成果，终于找到了孟德尔豌豆7对经典性状背后的8个基因及其分子本质。当天，《科学》和《自然》杂志都报道了这一论文成果。
豌豆。中国农科院供图
《中国科学报》记者了解到，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·英纳斯中心等国际机构，运用多组学技术，首次在分子层面完整破译了孟德尔七对性状的遗传基础，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说，这一研究成果不仅在技术上完成了一场跨越世纪的科学对话，也回应了孟德尔生前那句被忽视了的预言：“我的时代终将到来！”
百年争议：过于超前！被疑“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，向学界宣读了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”的格雷戈尔·孟德尔，他以豌豆的7对性状为研究对象，首次揭示了遗传的基本规律。
在19世纪中叶，科学界普遍接受“混合遗传”学说。他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7对性状的杂交实验，总结出了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，由此触碰到了达尔文非常关心的“生物多样性”的终极来源。
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”的概念还没有出现的时代，孟德尔首次提出了“遗传因子”。当时的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，被淹没在当时广为传播的达尔文进化论大潮中。
豌豆七对性状的表型多样性。中国农科院供图
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、德国和奥地利的三位植物学家在独立研究中几乎同时重现了孟德尔的发现，并在学术界引起了轰动，被称为“孟德尔定律的重新发现”，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，并认为它无法适配现代遗传学的复杂性。1936年，统计学大牛费舍尔错误地质疑孟德尔数据“好得不真实”，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，他们开始了持续一百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，四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《植物细胞》和《美国科学院院刊》分别确认高秆/矮秆基因；2007年，《科学》和《美国科学院院刊》文章分别揭示黄粒/绿粒基因；2010年，美国《公共科学图书馆—综合》的论文发现紫花/白花基因。
然而，验证孟德尔研究的最后“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，程时锋造访英国约翰·英纳斯中心（JIC），当时他正在寻找一种理想的豆科模式体系，用以研究结瘤共生固氮遗传机制。一份特殊的豌豆种质资源引起了他的注意：总共超过3000余份的来自世界40多个国家的全球多样性豌豆种子。
JIC保存这些种质绝非偶然。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，大部分来自于欧洲大陆。这份科学火种已传递了四代人。
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，发现七大豌豆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的孟德尔豌豆园，利用现代科学技术，一边追寻七大豌豆性状百年谜题的答案，一边开展豆科结瘤固氮研究。”一个有趣而浪漫的想法在他心中涌现。或许用孟德尔的豌豆才能解开七大性状的终极之谜。
随后，他与JIC研究团队合作启动“MendelPeaG2P项目”，以分子遗传学视角重访经典实验。
仅一年后，这份来自七大洲41个国家的697份豌豆种质材料远渡重洋落地中国，并在深圳、哈尔滨等多地建起“孟德尔豌豆园”，开始了对每株豌豆生长轨迹的追踪。结合英国历史数据，他们最终完成79个性状的精准采集。
种植在深圳种质资源圃的豌豆表现出丰富的表型多样性。中国农科院供图
豌豆美丽的蝶形花朵盛开了。“这697份种质太特殊了，像黄/绿荚、侧花/顶花这些性状变异，在其他豌豆资源库都极为罕见。”论文共同第一作者、深圳基因组所硕士研究生蒋梅说。
与此同时，一场跨越时差的科研“接力”悄然展开。
论文共同第一作者、深圳基因组所博士奉聪告诉《中国科学报》，进入研究关键阶段，他和程时锋在深圳工作，蒋梅在英国联合培养，双方隔空形成了“日不落”工作模式。每晚11点深圳团队把当天分析结果传给蒋梅，她处理完已是英国时间午夜，正好赶上深圳团队早晨上班前传回新数据。
“这种接力持续了整整两个月。”奉聪说，昼夜交替24小时不停歇的工作效率，让七组经典性状的分子密码逐渐在数据中浮出水面。
然而，合作过程中还出现了一个小插曲。
JIC另一个研究团队此前已用传统方法对荚色基因进行了部分独立分析，他们想单独发表这一单一性状的部分结果，但却会游离在程时锋设计的“完成孟德尔七大性状的百年之谜”完整故事之外。
程时锋坦言：“我们坚持完整呈现7对性状，科学研究的系统性和完整性很重要，碎片化的发表只会削弱这一跨越百年谜题的学术价值。”后来，经过JIC主任亲自内部协调，最终说服他们将数据并入我们主导的研究，并对他们的贡献给予足够的认可。现在回头看，这种坚持成就了完美闭环。
程时锋在接受《中国科学报》采访时强调：“如果没有英国团队提供的种质资源和配合，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，这项研究可能永远停留在一个设想。”
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。”
从19世纪修道院的菜园到21世纪的分子基因组学实验室，一粒豌豆串联起跨越一个半世纪、多个国界的科学传承，见证了科学探索的生生不息。
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？
这三个曾经困扰生物学家百余年的“未解之谜”如今终于解开了。
在黄荚/绿荚这对性状的研究中，研究团队发现黄色豆荚的豌豆存在一段约100kb的基因组大片段缺失，意外拉近了其下游的叶绿素合酶基因与抗病相关基因（NLR）的距离，导致叶绿素合成基因在豆荚发育过程中的表达被抑制，从而使豆荚呈现黄色。
在解析豆荚饱满与皱缩的性状时，研究揭示了两把关键“钥匙”：小肽信号分子（CLE41）控制豆荚细胞的增殖与分化，而转录因子（MYB26）则调控木质素的合成及次生细胞壁的加厚。“当任意一把‘钥匙’失效，豆荚就会因细胞支撑结构的缺失而变得柔软皱缩，若两者共同作用，还能形成荷兰豆那种既脆嫩又皱缩的独特果荚形态。”蒋梅介绍。
在研究茎顶开花的豌豆时，他们发现一处仅5个碱基的微小缺失，扰乱了细胞分裂的正常节奏，导致茎秆异常膨大，使得花朵在茎的顶端密集生长，形成伞状花序。
此外，研究团队对前人研究过的四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能像“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，也曾探索过十多种植物。但最终，他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，开展了长达十年之久的遗传学实验。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7对性状。
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案例。”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。
程时锋。中国农科院供图
“这些发现帮助我们理解了孟德尔观察和推理到的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，此项成果是遗传学史上的一个里程碑性事件，不止是对经典的回顾与还原，也是在现代基因组学、数量遗传学、表型组学与分子机制研究的多维整合基础上，成功实现了从“性状-基因”及一些“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。
广州大学分子遗传与进化创新研究中心主任孔凡江认为，程时锋团队将孟德尔豌豆七大性状背后的关键基因全部克隆出来，破解了“世纪谜题”，拓展和加深了对写入教科书的经典性状分子本质的认知，是遗传规律研究的一个标志性成果，同时也为豌豆分子遗传学、基因组学和分子设计育种研究开启了新的篇章。
“基因编辑等新技术为未来作物改良和绿色农业的发展提供了全新的可能性。”程时锋表示，他的团队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。
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