孟德尔豌豆的秘密：一粒豆子如何改写生命密码？

 

来源公众号：有花植说　作者：植说君 

19世纪中叶，奥地利修道士格里高尔·孟德尔在修道院菜园里种下了一批豌豆。这些看似普通的绿色豆荚里，藏着改变人类认知生命的钥匙。160年后，中国科学家揭开了一场跨越时空的科学接力——他们用现代基因技术破解了当年困扰孟德尔的三大遗传谜题，让我们得以窥见生命最深处的数学之美。

图1  孟德尔与豌豆

 一、菜园里的天才猜想

在布鲁恩修道院的菜园里，孟德尔日复一日地记录着豌豆的生长。他特意挑选了七对特征鲜明的豌豆进行杂交：有的豆粒圆滚滚，有的布满褶皱；有的茎秆挺拔如竹，有的矮小如灌木；最神奇的是”顶生花”现象——正常豌豆的花朵像星星点缀枝头，而某些植株的花朵却挤成一团，宛如顶着爆炸头的怪物。

图2  孟德尔研究的豌豆的7对相对性状

这位业余科学家并不知道DNA的存在，但他敏锐地发现了一个规律：当纯种高茎豌豆与矮茎豌豆杂交后，子一代全是高茎；可等到子二代开花时，高矮植株的比例竟精准地维持在3:1。这就像有一双无形的手在操控着生命的骰子，让每个性状都按照固定的概率投掷结果。

 二、跨越百年的未解之谜

孟德尔提出的”遗传因子”概念就像一把钥匙，却迟迟找不到对应的锁孔。直到20世纪，科学家们才逐渐拼凑出真相：原来决定豌豆性状的不是某种神秘液体，而是藏在细胞核里的DNA。

但有三个谜题始终萦绕在科学界：

1. 黄荚之谜：有些豌豆荚翠绿如玉，有些却金黄似蜡，这种颜色差异究竟从何而来？

2. 皱荚之谜：饱满的豆荚与干瘪的豆荚为何会交替出现？

3. 顶生花之谜：正常豌豆的花序像优雅的伞骨，某些植株却像被施了魔法般簇拥成一团。

这三个问题就像三块拼图碎片，始终卡在遗传学的拼图中。

 三、基因组的显微镜下

2025年，中国科学家在《自然》杂志上揭晓了答案。他们像侦探一样，用现代基因组学技术重新审阅了孟德尔的豌豆标本：

 黄荚之谜：基因组的”拼图错位”

科学家发现，黄荚豌豆并非基因突变，而是遭遇了”染色体车祸”。一段长达10万碱基对的DNA片段发生了缺失，导致原本负责生产叶绿素的基因ChlG与抗病毒基因NLR发生了异常连接。这种结构变异就像把两段歌词硬接在一起，破坏了原有的旋律，使得叶绿素无法正常合成。

图3 黄豆荚与绿豆荚的遗传机制

 皱荚之谜：信号系统的”双重故障”

豆荚的皱纹竟涉及两个独立的基因：

– P基因：编码一种名为CLE41的信号分子，相当于细胞分裂的”加速器”。当这个基因发生提前终止突变时，细胞增殖戛然而止，豆荚变得干瘪。

– V基因：调控木质素合成的”刹车踏板”。当转座子（基因组中的跳跃基因）插入到这里时，刹车失灵导致细胞壁过度硬化，豆荚失去弹性。

这两种突变分别作用于不同的生化通路，却殊途同归地导致了相似的表型，展现了生命调控网络的精妙设计。

 顶生花之谜：信号通路的”交响失控”

“顶生花”现象的根源在于茎尖分生组织的异常增殖。科学家发现，关键基因Fa编码一种名为CIK2/3的受体蛋白，相当于细胞间的”传令兵”。当这个基因发生5个碱基的缺失时，信号分子CLV3无法正常传递，导致干细胞工厂失控，花朵像癌细胞般疯狂增殖。

图4 孟德尔豌豆七大性状背后的基因结构和序列突变机制

更戏剧性的是，研究人员发现了一种”基因纠错”现象：某个携带双隐性突变（fa/fa）的植株本应表现出顶生花，却因为另一个基因Mfa的突变恢复了正常花序。这种”以突制突”的现象，完美诠释了生命系统自我调节的智慧。

图5   团队调查了大量农艺性状并开展遗传机制解析工作

 四、孟德尔精神的当代回响

这些发现不仅解开了百年谜题，更揭示了遗传学的深层规律：

– 显性与隐性的本质：显性性状往往是基因功能正常的表现，隐性则是功能缺失的结果

– 突变的多样性：从单个碱基替换到百万碱基的染色体重组，自然选择拥有丰富的”调色盘”

– 表型的层次性：同一性状可能受多个基因调控，不同性状也可能共享调控通路

图6  豌豆的基因组与表型变异的多样性

正如中科院王二涛研究员所说：”这项研究不是对经典的简单重复，而是在基因组时代对孟德尔精神的致敬。”它让我们看到，19世纪的哲学思辨与21世纪的技术手段碰撞出的璀璨火花。

在深圳的现代”豌豆园”里，700种豌豆正在讲述新的故事。这些穿越时空的生命对话告诉我们：科学的进步从来不是线性的突破，而是无数好奇心的接力。当我们在实验室里重新培育孟德尔的豌豆时，不仅是在验证过去的理论，更是在为未来的生物革命播撒种子。

图7 种植在深圳种质资源圃的豌豆表现出丰富的表型多样性

或许正如孟德尔在论文末尾写道的：”真正的科学是永无止境的探索。”当我们凝视显微镜下的DNA双螺旋时，依然能听见160年前那位修道士在菜园里低语：”我的时代终将到来。”

向中国农业科学院深圳农业基因组研究所的程时锋团队致敬！

_____________________________________

图片来自原文及网络
原文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-025-08891-6

来源网址：孟德尔豌豆的秘密：一粒豆子如何改写生命密码？