孟德尔七对豌豆性状的分子遗传机制研究进展

 

严格　李绍军

摘要：孟德尔豌豆杂交试验奠定了现代遗传学的基础，但其七对经典性状的分子机制长期不明。近年来，组学技术的突破使这些性状的基因被精确鉴定与解析。回顾了这些经典遗传性状分子机制的研究进展，旨在从分子层面为经典遗传学定律提供现代注解，也为“遗传”等内容的教学提供前沿素材。

160年前，孟德尔(Gregor Johann Mendel)记载了豌豆7对性状，通过杂交、测交与统计分析发现了遗传学两大定律。决定这些性状的基因是什么?如何决定显、隐性相对表型?一百多年来人们无法回答。1990—2010年，科学界克隆测序了其中4个基因，分别是控制植株高矮的Le、籽粒圆皱的R、花色紫白的A、种子黄绿的；2011年明确了7个性状基因分属5个不同的基因连锁群，但没有鉴定出具体基因的精细位置及其序列。2025年，程时锋团队运用GWAS、基因功能验证等手段，对孟德尔描述的豌豆性状相关基因进行了系统鉴定和功能解析，揭示了决定荚果形态(P、V)、荚果颜色(Gp)和花的位置(FA、Mfa)这三种性状的基因，阐明了显、隐性表型形成的新机制，从而使人们对这7对豌豆性状基因定位及遗传现象的理解达到了前所未有的深度。

豌豆染色体存在两套编号体系：遗传连锁群(Linkage Group)LG I-VII与细胞核型染色体(Chromosome)Chr 1-7。LG系统始于20世纪中期连锁作图分析，按各连锁群构建的先后次序编号；Chr则沿用光镜下细胞核型染色体大小顺序，p为短臂，q为长臂。豌豆参考基因组组装采用Chr 1-7，除Chr 6为p起点外，其余都是q末尾为起点。

1 植株高度(高茎与矮茎)

决定株高的基因Le定位于Chr 5p(LG III),q起点的567.37 Mb处。这是孟德尔性状中最早明确表型形成机制但第二个克隆成功的基因，该基因编码GA 3β-羟化酶，决定赤霉素(GA)合成途径最终产生活性GA。

1950年代，研究者发现将外源GA₃施用于豌豆矮株，能够诱导茎显著伸长，消除矮株性状，提示高茎品系可能与生物活性GA的积累有关。1984年，Ingram等利用同位素示踪技术发现在Le型高茎株中，[³H]GA₂能够有效转化为GA₁;而在le矮株中这一步骤明显受阻，导致GA₂₀在体内累积而GA₁水平降低。这表明Le基因控制GA生物合成途径中由GA₂₀到GA₁的最后羟基化步骤。1997年，Martin等克隆并鉴定了豌豆Le基因的cDNA,证实Le基因编码的是GA 3β-羟化酶，这一酶催化GA₂₀转化为GA₁，是GA₁合成的关键限速步骤。对不同等位基因的序列分析发现：高茎品系的Le基因序列正常，而矮茎突变体如le、le–3、led均含有引起氨基酸替换的点突变，led同时还含有一个单碱基缺失导致移码，从而完全失活。Le等位基因产物可有效将无活性的GA₁₂、 GA₂₀等赤霉素前体转化为有活性的GA₁,而le突变等位基因的酶活性显著降低，led产物则无活性。总之，GA 3β-羟化酶基因Le的点突变阻断GA₂₀→GA₁转换引发高活性GA缺乏导致矮茎，豌豆隐性矮茎性状源于基因突变导致的活性GA合成缺陷。

2 籽粒形状(圆粒与皱粒)

籽粒形状基因R定位于Chr 3q(LG V)71.66—71.70 Mb区段,这是第一个测序的孟德尔性状控制基因，负责编码一种支链淀粉酶。

1988年，Smith发现发育中的皱粒胚胎几乎缺失淀粉分支酶SBEⅠ活性。1990年，Bhattacharyya等通过克隆和测序明确了决定豌豆籽粒形状的R/r位点即编码淀粉分支酶SBEI的基因座，并发现皱粒r等位基因在编码区插入了一段约0.8kb的类转座子序列导致SBEI编码区阅读框移码并提前终止翻译。缺失SBEI后，籽粒无法有效在直链淀粉骨架上形成α-1,6-糖苷键分支点，淀粉中链长更规整的直链淀粉比例显著增加，支链淀粉比例显著下降，总淀粉含量减少20%以上，积累的碳水化合物于是转而以蔗糖、棉子糖和水溶性低聚糖等形式储存。实测数据显示，皱粒干种子蔗糖质量分数可达9%—12%,而圆粒通常只有4%—6%,在胚乳细胞中，高浓度可溶性糖造成渗透压上升，灌浆期吸水量增大，籽粒比同龄圆粒膨胀得更饱满；成熟后由于脱水，缺乏足够支链淀粉支撑的细胞壁与细胞间隙便坍塌、收缩，表面出现不规则凹陷，产生“皱缩”表型。最新研究通过GWAS分析，进一步确认了R位点对应的PsSBEI基因，隐性r等位基因中插入了完整Ips–r转座子序列。

3 籽粒颜色(黄色与绿色)

控制籽粒黄绿基因I定位于Chr 2p(LG I)419.92 Mb处，编码决定叶绿素降解途径的关键酶叶绿素a氧化酶(PAO),PAO失活导致不能降解叶绿素。

2003年，Hörtensteiner发现拟南芥AtPaO是叶绿素降解酶。2007年，Kusaba等在水稻中鉴定出NYC1基因在叶片衰老中影响LHC II和基粒降解。Armstead等通过基因组比对，定位到豌豆SGR(STAY-GREEN,持绿)基因区域，并证实该基因与孟德尔黄色/绿色籽粒性状(I/i位点)完全连锁。Sato等进一步在豌豆中克隆证实I基因即是SGR基因，其功能缺失致籽粒和叶片持绿。后续的研究进一步阐明了其生物学功能。Aubry等分析了孟德尔使用的绿色籽粒系JI2775属于C型持绿突变体，确定了SGR在叶绿素分解中作用于PAO之前的步骤。Schelbert等进一步鉴定出PPH基因编码叶绿体内的脱植基酶。pph–1突变体持绿，表明叶绿素先脱镁(由SGR作用),后脱植基(由PPH作用)，修正了早期叶绿素降解步骤顺序。Ito等在拟南芥中证明，SGR蛋白具有镁脱螯合酶活性，能催化叶绿素a去除中心镁离子，完成叶绿素降解的首要步骤。最新研究揭示PsSGR的隐性i等位基因主要包含两类致损突变：一是在第2外显子插入一段5696 bp的Ty1–Copia反转录转座子，致阅读框移码、蛋白提前终止；二是启动子或编码区的408 bp短片段缺失，同样使转录或翻译失活。其功能缺失使叶绿素无法分解，从而在籽粒和叶片中形成持绿绿色表型而非黄色。

4 花色(紫色与白色)

花色决定基因A定位于Chr 6p(LG II)68.33 Mb处，A2基因位于Chr 5q(LG III)57.87 Mb处，两者编码的蛋白均是花青素合成酶上游的转录复合物的一部分。A或A2点突变均可破坏MYB-6HLH-WD40(MBW)复合体引发花青素合成途径停滞使花呈白色。

1986年，Hrazdina等研究发现，紫花(AA/Aa)和白花(aa)豌豆中查尔酮合成酶(CHS)等均有活性，但白花缺乏花青素，表明A基因非花青素合成酶基因，可能是上游调控因子。1997年，Uimari等在豌豆中鉴定出第一个与花青素相关的R2R3-MYB转录因子基因PsMYB26。1998年，他们发现a或a2突变株花瓣中CHS、F3H、DFR等编码酶结构基因mRNA水平显著下降，确认A和A2基因作为转录调控因子控制花青素生物合成途径。玉米R家族bHLH转录因子可以部分恢复豌豆a和a2突变株花色表型，其他物种MYB或bHLH转录因子则不能，提示豌豆A基因产物在功能上类似于玉米R家族bHLH转录因子。

2010年，Hellens等鉴定了豌豆花色基因A和A2,表明A基因编码一个bHLH转录因子，隐性a等位基因最普遍的分子缺陷是在第6内含子GT可变剪接(splice)位点发生G→A单核苷酸替换，致mRNA错配剪接并引入提前终止密码子。A2基因编码保守的MBW调控复合物的WD40重复蛋白。后来，研究者鉴定了119种豌豆R2R3-MYB家族成员，其中PsMYB116、PsMYB37、PsMYB32等基因在花瓣不同部位的表达模式与花青素累积相关，可能是新的调控因子。这些研究支持了MBW复合物在豌豆花青素合成中的保守作用，并提示除了已知的A、A2外，仍有未解析的MYB基因参与调控。

5 豆荚形态(饱满与皱缩)

控制豆荚形态有两个主要基因座P和V,前者编码一个类信号肽，后者编码一个转录因子，分别位于Chr 1p(LG VI)332.6 Mb和Chr 5p(LG III)529.3 Mb附近。2025年，程时锋团队研究表明，只要P框移突变或V转座子插入，任一基因隐性纯合，都引发WOX/NAC表达下调，次生壁不能增厚形成薄壁而使豆荚皱缩。由于V和Le都在Chr 5p且靠近，因此孟德尔用的豌豆品系不会是v突变，否则其杂交数据应当会出现两个性状的连锁。

研究发现P所在0.92 Mb区段中有一个编码CLE41样多肽的候选基因。野生型PsCLE41编码正常的TDIF类信号肽，含有隐性突变的等位基因携带一个翻译提前终止的突变，导致CLE41肽缺失，无法通过PXY受体激活下游WOX/NAC基因，不能促进厚壁细胞分化和木质化，豆荚缺乏厚壁组织而皱缩。经精细分型后发现，V基因定位区域有一个单拷贝基因PsMYB26编码转录因子。研究发现，皱缩型豆荚(无论是否携带P等位基因)都在PsMYB26上游存在一个23 kb的Ogre类LTR转座子插入。该插入显著下调了PsMYB26表达，致增厚次生细胞壁和木质化受阻。表达分析和VIGS沉默实验验证了PsMYB26及其下游PsNAC基因在V突变体中表达降低的现象。功能完整的P野生型能够部分上调PsMYB26表达，但当P携带无功能突变时，PsMYB26表达进一步降低，提示CLE41信号位于PsMYB26调控链上游。

6 未成熟豆荚颜色(绿色与黄色)

叶绿素是呈现绿色的根本原因，未成熟豆荚颜色基因Gp定位于Chr 3q(LG V)259.51 Mb处，在ChlG基因(编码叶绿素合成酶)的上游，影响最终叶绿素合成；隐性性状黄色豆荚gp因叶绿素合成途径受损难合成叶绿素。

2021年，Shirasawa等初步确认了Gp基因的Chr定位，并在候选区域内预测出三个基因，其中两个注释为3′-外核糖核酸酶家族成员，成为调控豆荚色素的潜在候选因子。但该研究转录组分析未见明显差异，显示未成熟豆荚颜色并非决定于这些酶的转录水平的变化。2025年的研究显示，黄色豆荚品系中ChlG基因上游出现约100 kb缺失，该缺失与gp等位基因共分离。此缺失区致ChlG基因蛋白表达异常，出现转录干扰，并在gp突变体中出现了ChlG与邻近TIR–NBS–LRR基因的转录融合产物。与籽粒黄色显性是因叶绿素分解不同，豆荚黄色为隐性是ChlG基因上游调控区缺失使gp突变体无法将叶绿素酸酯a与植醇焦磷酸结合形成叶绿素分子，导致叶绿素合成停滞而缺失，从而引发豆荚呈黄色。

7 花的位置(腋生与顶生)

花的位置性状属于茎顶端分生组织(SAM)调控范畴，带化现象(fasciation)形成花顶生缀化隐性表型。其决定基因FA定位于Chr 4q(LG IV)18.548—18.552 Mb区域，富集Cullin与Aux/IAA类候选基因，编码643个氨基酸的一种膜定位的受体激酶，属于CLAVATA3不敏感受体激酶(CIK)家族，辅助CLV3信号维持SAM。CIK受体激酶基因框移突变扰乱CLV信号引发SAM过早分化导致顶生花序。突变株中SAM异常增宽，导管数量增加，致顶端花簇集(假伞形花序)隐性表型。

拟南芥花位研究中发现了CLAVATA(CLV)和FASCIATA(FAS)两个主要的基因家族，若发生突变会导致带化，这些基因是SAM大小的负调控因子，并与其他基因互作。豌豆野生型显性花侧生与孟德尔带化隐性花顶生典型品系JI5杂交，F₂代分离比接近3∶1。1952年，Lamprecht的杂交实验发现了F₂分离比为15∶1,认为存在另一未知基因FAS,以非累积多聚方式与FA相互作用。2001年，Swiecicki提出LG V上存在隐性状态下引起带化的基因FA2,有人推测有不少于三个基因参与该表型。2008年，Sinjushin认为其突变体与基因FAS上的隐性突变有关，位于LG III,品系Rosacrone和Lupinoid由隐性基因fa控制，FAS和FA基因作用于顶端分生组织发育的不同阶段，但未明确两者分子身份。2025年的研究最终锁定豌豆FA基因为“腋生/顶生”性状的决定位点，并在两个双亲群体的F₂中精细定位到约1.33 Mb的候选区。该区内所有表现顶生(集花)的植株都携带同源基因Psat04G0031700中的5 bp缺失，该缺失致框移突变并提前终止蛋白翻译，从而产生花顶生表型。该基因编码的受体激酶蛋白CIK2/3可作为Clavata信号通路的辅助受体，维持SAM大小和结构。因此，花着生位置基因实质上是维持SAM命运的CLV通路组分，突变导致SAM过早地向花序分生组织(IM)转变。此外，在Chr 6q(LG II)244.69—253.70 Mb发现了隐性修饰因子Mfa基因。等位基因mfa能掩蔽fa所致的假伞形顶生花簇：fa/fa mfa/mfa双隐性植株SAM大小与花序分化模式恢复至近似野生型腋生，而fa/fa Mfa/-个体则保持显著顶生表型。目前尚未锁定Mfa具体的结构基因，候选区富集CUC-样NAC转录因子、LRR-RLK受体和BTB-CUL E3连接酶等发育基因，暗示Mfa可能通过并行途径负向调节CLV-CIK信号以稳定SAM组织命运。

8 展望

孟德尔七对豌豆性状的分子遗传学研究已开展百余年，科学界明确了控制性状等位基因的染色体定位、分子缺陷产生的表型及代谢-发育通路机制(表1)。未来豌豆性状研究有望转向等位变异-调控元件-动态互作网络的新局面：①系统绘制多品系不同等位基因的多样性图谱，为定向驯化与遗传改良提供靶标；②追踪关键通路在发育与逆境响应中的时空激活顺序，揭示遗传背景与环境的互作机制；③通过精准编辑和合成生物学重构关键节点，设计实现提升品质与抗逆性。

性状(显性∶隐性)	决定基因及其位置	基因功能
植株高度(高杆∶矮杆)	Le (PsGA3ox1) Chr 5p(LGIII)	赤霉素3β-羟化酶
籽粒形状(圆粒∶皱粒)	R (PsSBEI) Chr 3q(LGV)	淀粉支链酶I
花色(紫花∶白花)	A(PsbHLH)Chr 6p(LGII); A2(PsWD40)Chr 5q(LGIII)	bHLH转录因子； WD40重复支架蛋白
籽粒颜色(黄∶绿)	I (PsSGR) Chr 2p(LGI)	镁脱螯合酶(分解叶绿素)
豆荚颜色(绿∶黄)	Gp (ChlG) Chr 3q(LGV)	叶绿素合酶(合成叶绿素)
豆荚形态(膨胀∶缩皱)	P(PsCLE41)Chr 1p(LGVI); V(PsMYB26)Chr 5p(LGIII)	TDIF-样CLE41信号肽； R2R3-MYB转录因子
花位缀化(侧生∶顶生)	FA (PsCIK)Chr 4q(LGIV); Mfa Chr 6q(LGII)	CLAVATA3-不敏感受体激酶； Mfa修饰因子

来源：严格,李绍军.孟德尔七对豌豆性状的分子遗传机制研究进展[J].生物学教学,2026,51(05):2-6.