搜狐科技《思想大爆炸——對話科學家》欄目第116期，對話中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員程時鋒。

嘉賓簡介：

程時鋒，香港大學博士畢業，研究員，博士生導師。國家級重點人才工程入選者，國家自然科學優秀青年基金獲得者，廣東省“珠江團隊"首席科學家，深圳市國家級領軍人才。團隊長期從事植物進化遺傳學和作物科學，致力于理解性狀及其多樣性變異的分子機制。其代表性成果以第一或通訊作者（含共同）發表在Nature（2篇）、Science（2篇）、CELL等雜志六十余篇，引用18000余次。

• 重訪孟德爾豌豆七大性狀變異及背后的遺傳機制，以便更好地理解孟德爾植物雜交實驗背后的分子機制，解釋現象與本質。

• 2020年啟動“MendelPeaG2P項目”，把來自全世界41個國家的707份豌豆種質資源引到中國，經過五年多的努力，取得了令人深感欣慰的成功。

• 未來的育種家可以像“拼樂高”一樣，通過聚合不同的理想性狀，實現作物的定向改良。

• AI、基因編輯等新技術會幫到大忙，將來培育出的新品系，在產量、適應性、抗病、抗蟲、營養價值等方面都會實現“私人定制”。

出品｜搜狐科技

作者｜周錦童

編輯｜楊 錦

在生命科學領域，遺傳學無疑是充滿奧秘的一門學科，而“現代遺傳學之父”孟德爾的豌豆雜交實驗可以稱為遺傳學大廈的“奠基石”。

百年來，豌豆七大性狀變異的遺傳基礎一直吸引著無數科學家的目光，雖然有許多研究成果在逐步地推進，但這一問題始終沒有被解答，是一個懸而未決的科學謎題……

直至最近，程時鋒教授及其團隊攜手英國約翰?英納斯中心（JIC），首次在分子層面全面揭示了孟德爾豌豆七大性狀變異背后的遺傳基礎，終于攻克了百年難題，為孟德爾豌豆的遺傳研究畫上了圓滿的句號，也為整個遺傳學界帶來了“里程碑式”的重大突破。

對此，搜狐科技對話了中國農業科學院深圳農業基因組研究所研究員程時鋒，聽他講述如何破解困擾學界百年的“孟德爾豌豆之謎”。

百年難題的破解

正如課本中學到的那樣，1865年“現代遺傳學之父”格雷戈爾·孟德爾選定了七對豌豆性狀——種子形狀、種子顏色、花色、花的位置、莢形、莢色和株高，成為遺傳學研究的起點。但直到21世紀初，仍有三對性狀（果莢顏色、果莢形狀、花的位置）的分子機制沒有被揭開。

“受限于技術方法和種質資源，原來的研究相對碎片化，只獲得了部分答案，而我們經過五年多的努力，終于把這七大性狀之謎第一次完整地、系統地回答完畢。”程時鋒介紹道。

他們研究發現，果莢的黃（隱性）與綠（顯性）的差異，是由于果莢中葉綠素合成途徑的最后一步控制基因的表達受到調控干擾所致；控制果莢飽滿與皺縮狀態的是兩個彼此獨立、但功能相關的發育調控基因，兩者可以獨立造成皺莢，也可以共同作用。

而花位置的“帶狀化”現象一直是孟德爾七大性狀中最復雜的一個，它由編碼類共受體激酶的基因主導，通過延遲、削弱或掩蓋其突變效應，從而改變最終的表型呈現。

在程時鋒看來，整個生命科學的研究最核心的就是遺傳學，而開山鼻祖孟德爾選了這七大性狀進行豌豆雜交實驗是有著重要意義的。孟德爾從表型現象的規律推測出了背后的“遺傳定律”：“遺傳因子”的獨立分離和自由組合規律，建立了“離散遺傳學”理論框架。但孟德爾并不知道“遺傳因子”的分子本質。

程時鋒之所以重訪孟德爾七大性狀，第一個重要的原因就是希望可以更好地理解孟德爾當年實驗背后的原理，以及七大性狀之所以能夠分離、自由組合的機制是什么，解開“遺傳因子”的分子本質。

第二個原因，則是來自對于遺傳學教學的熱情。目前許多中學老師表達過，有關顯性、隱性的二態分離現象，似乎是一個謎一樣的存在；現在他們把現象和本質了解清楚后，對老師和同學都會有很大的啟發。

第三方面則是因為豌豆本身。豌豆是很重要的經濟作物，豌豆莢不僅鮮嫩美味、營養價值也很高，而且豌豆的蛋白質成分相較大豆有獨特的優良價值，微量元素組成也非常豐富，具有抗癌的功效。

不僅如此，豌豆還具有很強的結瘤共生固氮能力，基本上不用施氮肥，不會帶來環境污染，所以在植物科學應用層面也是很重要的。

與“豌豆”結緣

談及與英國約翰·英納斯中心（JIC）等國際機構的研究人員合作時，程時鋒把時間拉回到了2018年。

“我在2018年的時候就去到約翰·英納斯中心種質資源庫中心，與他們一起談中-英合作”，程時鋒說，“不過最初是因為小麥研究的項目，我引進了數千份全球珍貴的小麥種質資源。”

那時候的程時鋒想從全球性的視角對小麥進行研究，而約翰·英納斯中心恰好就儲存了世界上最為豐富的小麥種子資源之一，所以程時鋒就將種子資源帶回中國做科研和育種，相應的，在基因組學、生物信息學、計算生物學等技術方面給予他們支持。

“我們的聯盟和合作很開放、互補，很好地響應了國際合作的要求，共享、共為，也是一個典型的技術走出去，資源引進來的成功的國際合作典范。”

但程時鋒團隊本身長期進行豆科結瘤共生固氮方面的研究，一直致力于結瘤固氮進化發育和遺傳調控的探討。所以2019當他再次訪問約翰·英納斯中心的時候，就決定開展豆科方面的合作研究。因為那里資源庫的歷史記錄保存的很好，程時鋒在紅豆、綠豆、豇豆和豌豆中，一眼就選中了豌豆。

他解釋道：“上中學的時候課本學的就是孟德爾的豌豆實驗，我對這七大性狀很感興趣，研究中心把707份豌豆樣本給我，我就引到中國來了，我們一起開展了‘MendelPeaG2P項目’，2020年全面啟動，同時我也在做小麥的研究，可以說經過五、六年的努力，兩個項目都取得了成功。”

據了解，這兩個項目的種子資源在我國深圳、哈爾濱都進行種植調研，程時鋒團隊也挖掘了大量的性狀基因。這是來自全世界41個國家的種子資源，但因為在深圳有部分種子沒發芽，程時鋒和團隊最終成功收獲了697份樣品。

“發起、組織、設計和協調中英兩國科研家進行有組織的科研，我很享受這個過程，這是以純粹的科學發現為目標進行的研究，關注著百年未竟的科學發現，由我們中國團隊主導，最終畫上了一個圓滿的句號。”程時鋒分享道。

未來育種或像“拼樂高”

程時鋒和團隊運用了多門學科和技術，包括傳統的QTL定位技術、全基因組測序、群體基因組學、數量遺傳學、生物信息學、解剖結構和分子生物學等技術手段等等，正是各個技術的共同結合才支持了這一發現。

值得一提的是，除了完成了對上述黃莢、皺莢、帶狀化剩余三大性狀基因的鑒定工作，程時鋒團隊還對前人研究過的四個基因進行了更深入的挖掘。

此外，程時鋒團隊在解析花色的性狀時，還發現了一個“基因修復”的神奇功能：一株原本應該開白色花的豌豆，卻因為內含子突變意外恢復了花青素合成功能，開出了紫色的花朵。

或許就像程時鋒寫的那樣，“這種‘以突制突’、‘自我修復’的自然奇跡，恰如生命的執著，也讓人感嘆大自然的神奇：寧可綻放驚艷的紫紅，也不甘‘沉淪’于無色的平庸。”

在程時鋒看來，未來的育種家可以像“拼樂高”一樣，通過組合不同的理想性狀，實現作物的定向改良，這也是他們下一步要做的事情。

“其實我們已經做了一部分了，我們可以清晰地看到通往成功的路徑是什么樣子，因為我們前面成功構建了高分辨率的豌豆單倍型變異圖譜和表型變異圖譜，下一步我們會做更多的性狀解析，發現基因變異，解析基因功能和計算育種價值，看它到底是優良的、還是有害的等等。”程時鋒如是說。

其實在這700份樣本中，許多性狀好的變異都分散在不同的品系里面，理解了不同性狀背后優良性狀是如何分布的，就可以通過計算定位和定向基因編輯，實現聚合育種。

通俗來講，就是把所有好的基因聚合在一個主栽品系里面。

程時鋒認為，AI、基因編輯這些新技術會幫到大忙，將來培育出的新品系會集萬千寵愛于一身，在產量、適應性、抗病、抗蟲、營養價值等方面都會是最好的，目前他們課題組也正在成立一個名為Design Idea Pea（設計理想豌豆）的新項目。

“我們需要開發新的技術，組建更強的團隊，未來要產生更多的數據進行算法開發等等，也歡迎感興趣的朋友們加入，或對品種改良推廣方面感興趣的企業可以投資。”程時鋒如是說。

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