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孟德爾實(shí)驗(yàn)

160年前，奧地利修道士孟德爾（Gregor Johann Mendel）在修道院的花園里種下了上萬株豌豆（

Pisum sativum

近幾十年來，科學(xué)家不斷將這些性狀映射到DNA序列上，逐步解析其基因基礎(chǔ)。最早被確認(rèn)的，是控制種子形狀的基因。隨后，研究人員相繼識(shí)別出控制植株高度、花色和種子顏色的相關(guān)基因。然而，在孟德爾所提出的七種性狀中，仍有三項(xiàng)未能明確其基因基礎(chǔ)。

近日，一項(xiàng)由中國科學(xué)家主導(dǎo)的國際研究團(tuán)隊(duì)，為孟德爾留下的遺傳故事增添了新的篇章。研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合了基因組學(xué)、生物信息學(xué)與遺傳學(xué)手段，構(gòu)建了全球豌豆品種的多樣性圖譜，明確了其余三種性狀背后的基因，并識(shí)別出許多可供育種者利用的有用基因。

解鎖基因組

研究人員從全球約3500份豌豆樣本中，精選出700份具有代表性的樣本進(jìn)行深度測(cè)序，識(shí)別出1.55億個(gè)單核苷酸多態(tài)性（SNP）的遺傳標(biāo)記，構(gòu)建出覆蓋馴化品種、地方品種和野生親緣種的全球豌豆基因組圖譜。

基于這些數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊(duì)確定了與可以控制豆莢顏色、豆莢形狀和花的位置的基因。例如，他們發(fā)現(xiàn)，豆莢的顏色是由一種干擾葉綠素生物合成的基因控制的，這種基因會(huì)導(dǎo)致豌豆莢要么是綠色的，要么是黃色的。

除了將基因與剩下的三個(gè)性狀聯(lián)系起來之外，研究團(tuán)隊(duì)還利用全基因組關(guān)聯(lián)分析（GWAS）技術(shù)，分析了72項(xiàng)與農(nóng)業(yè)相關(guān)的豌豆形狀，并將這些形狀與相應(yīng)的基因組位置聯(lián)系了起來。這些位置上的許多不同的遺傳標(biāo)記可以用來加速豌豆的改良。

這項(xiàng)研究產(chǎn)生了62TB的原始數(shù)據(jù)，相當(dāng)于25.6萬億條信息，若打印出來可鋪滿36億張A4紙。這些數(shù)據(jù)已全部公開，仍有大量信息等待深入挖掘。

延續(xù)與躍遷

孟德爾在19世紀(jì)進(jìn)行的雜交實(shí)驗(yàn)，總共涉及約28,000株豌豆。他在尚不知“基因”為何物的時(shí)代，通過觀察性狀分離，揭示了顯性與隱性遺傳的規(guī)律，奠定了現(xiàn)代遺傳學(xué)的根基。有科學(xué)史學(xué)家稱其為“有史以來最好的實(shí)驗(yàn)”。

那時(shí)，孟德爾之所以選擇豌豆作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，不僅因?yàn)樗抢硐氲哪Ｊ缴?，也因?yàn)樗且环N重要的經(jīng)濟(jì)作物。他希望通過實(shí)驗(yàn)幫助解決種植中的真實(shí)問題來改進(jìn)這一作物。如今，這項(xiàng)新的研究不僅補(bǔ)充并擴(kuò)展了孟德爾的發(fā)現(xiàn)，也為包括中國在內(nèi)的多個(gè)國家的豌豆種植和育種提供了關(guān)鍵支持。

豌豆作為一種豆科作物，不僅蛋白質(zhì)含量高，且具備固氮能力，有助于減少化肥使用，降低農(nóng)業(yè)對(duì)土地與水體的環(huán)境壓力。這些特性使其成為發(fā)展可持續(xù)農(nóng)業(yè)的重要作物。新的研究成果為全球科學(xué)家和育種家提供了一套全新的基因庫與基因組資源，有望徹底變革豌豆的育種方式，并為這類具有重要生態(tài)意義的豆科作物的研究打開新的篇章。

展望未來，這些基因組資源將與基因編輯、RNA測(cè)序、長(zhǎng)讀長(zhǎng)測(cè)序等先進(jìn)技術(shù)結(jié)合使用，進(jìn)一步推動(dòng)新基因的發(fā)現(xiàn)，發(fā)展更具預(yù)測(cè)性的育種方法。例如，利用人工智能模型篩選最優(yōu)基因組合，有望培育出高產(chǎn)、抗病、營(yíng)養(yǎng)豐富的豌豆新品種，為全球農(nóng)業(yè)帶來切實(shí)收益。

#參考來源：

https://www.jic.ac.uk/press-release/a-legacy-unlocked-mendel-inspired-breakthrough-that-could-transform-global-pea-farming/

https://www.nature.com/articles/d41586-025-01269-8

https://www.science.org/content/article/massive-pea-study-solves-last-genetic-riddles-famed-friar

#圖片來源：

封面圖&首圖：John Innes Centre