资料简介
孟德尔的豌豆杂交实验(一)拓展
(一)孟德尔发现遗传规律的背景资料
1.当时研究生物遗传的状况
18 世纪末至 19 世纪初,美国及欧洲各国的植物育种学家为了
提高作物产量,进行了大量的杂交实验。一些国家的科学院甚至公
开悬赏征求研究课题。荷兰科学院的题目是:“一种花用另一种花
的花粉进行人工授精而产生新的种和品种,这个经验说明了什么?
用这种方法可以产生和繁育什么样的经济作物和观赏植物?”巴黎
科学院出题:“从杂种的可育性及其性状的持久性和非持久性的观
点出发来研究植物杂种。”一些学者的研究取得了重要的进展,并
提出了还未认识到的遗传学理论上的关键问题。例如,奈特选用豌
豆做杂交实验,认识到用豌豆作为实验材料有许多优点。豌豆有许
多性状区分明显的品种,是严格的自花传粉物种,在子代中性状的
表现很容易区分等。特别是奈特第一次发现豌豆种子的灰色对白色
是显性,用杂交种子和白色种子回交,子代中有灰色和白色两种籽
粒。可惜的是他没有计算两种种子的数量比。
克尔罗伊特(J.G.Koelreuter,1733-1806)是第一个从事植
物系统杂交研究的科学家。他成功地用黄花姻草与另外一种姻草杂
交,得到了中间类型的杂种。他还提出用杂种与某一亲本反复回交,
杂种可“转化”为该亲本。
盖尔特纳(K.F.Gartner,1772-1850)分析了 9000 多个实
验结果,得出用混合花粉传粉,子代中不会出现性状混合的结论。
他认为受精的只有一种花粉,每一个花粉粒都各自独立地起作用。
同一个胚珠里不会形成两种不同类型的胚胎
萨叶里(A.Sageret,1763-1851)用西葫芦做杂交实验时,
第一次把两个亲本的性状排列成一组组相对性状。杂交后得到的杂
种,性状既不混合,也不是中间型,表现与亲本之一完全相同。杂
种的每一个性状对另一个性状来说是显性的。他认为杂种之所以像
它的双亲,并不在于每个亲本各种性状的直接融合,而是这些性状
均匀或不均匀地分配;自然界使它的产物具有无限多样性和避免单
调的方法很简单,就是以不同方式组合起来的性状的结合和分配,
由此就能产生无数个变种。萨叶里的贡献在于进一步明确一个性状
对另一个性状的显性关系以及性状的独立分配。遗憾的是他没有用
杂交后代做进一步的研究,因此没能说明性状在后代中的分配情况。
上述的科研工作和进展,为孟德尔的研究工作奠定了基础。在这样
的历史背景下,孟德尔着手解决植物的形态和花的颜色等是遵循什
么规律传给子代的问题。
2.当时的主要观点
当时对遗传与变异现象本质的认识主要有两种观点:一种是泛
生论,另一种是种质论。
泛生论是在科学地闸明遗传变异现象以前盛行了许多世纪的
一种学说。这种学说认为,精液是在全身各个部分中形成的,汇集
后在血管中流动,通过率丸而进入阴茎。精液中含有能够传递特性
的粒子,可以形成胚胎的各个器官。由于这些粒子的相似性,所以
能产生同一物种的个体;父母双方中哪一方的粒子较多,吸引力较
大,则多半会产生类似那一方的特性;形成粒子的场所就是个体的
每一个器官。这样个体的特性就遗传给下一代。
达尔文(C.R.Darwin,1809-1882)在 1868 年提出“暂定的
泛生说”认为,每一个能够各自独立变化的性状是由同一种物质载
体--芽球联结在一起的。发育中的生物体的每一个细胞都能产生出
无数个细小的芽球,它们彼此相同,负责每一种性状和器官的形成。
这些芽球能以不同的强度进行繁殖,每当细胞分裂时,它们就进入
子细胞并能在身体里自由流动,进入了生殖细胞就保证把它们传递
给子代。变异取决于芽球的两个过程。第一个过程是现有芽球的相
对百分数的变化,芽球的丢失和数目恢复都能影响到性状的变化。
第二个过程是芽球本身性质的变化。
拉马克(J.-B.Lamarck,1744-1829)在泛生论的基础上进一
步提出,“用进废退”使身体各个部分发生了变化,这些变化可通
过形成的精液传给子代;通过许多世代,这种“获得性状”积累的
结果就成为生物进化的机制。
种质论是魏斯曼(A.Weismann,1834-1914)针对泛生论和
“用进废退”“获得性遗传"而提出的。
魏斯曼提出的种质学说把“种质”和“体质”加以区别。他认
为种质是指性细胞和产生性细胞的那些细胞。体质是保护和帮助种
质繁殖自身的一种手段,是指构成除种质以外的身体所有其余部分
细胞。种质负责传递保持物种种性所需的全部遗传因子,在世代繁
衍过程中,种质自身永世长存,在世代间连续传播。体质则是来自
种质的分解,只含有种质的零星残片。种质细胞系完全独立于体质
细胞系,体质细胞发生的变化(也就是获得的性状)不影响种质细
胞,因而获得的性状不会遗传给下一代。但是,物种生活在其中的
环境所产生的种种外界影响,凡在种质中引起的变异,则是持久的、
遗传的变异。关于种质位于何处,魏斯曼于 1885 年时宣称:“只
有细胞核物质才是遗传倾向的载体。”种质学说包含了科学合理的
内容,对以后遗传学的发展有着相当大的影响。
3.孟德尔简介
孟德尔(G.J.Mendel,1822-1884)将他研究的结果整理成
实验研究论文"Experiment in plant hybridization"(译为植物的
杂交实验)于 1865 年 2 月 8 日和 3 月 8 日在布隆博物学会上,
分两次做了报告。并于 1866 年在学会会刊上发表,同时将论文的
单印本分送到 134 个科学机构的图书馆,但都未引起任何反响。
孟德尔出生在奥地利的名叫海因策多夫的小村中。父亲是个农
民,擅长嫁接。母亲是个园林工人。由于家庭的影响,孟德尔自小
酷爱自然科学。他上过小学和中学,但因家庭经济困难,不得不中
途辍学。1843 年到布隆的奥古斯汀修道院当修道士,1847 年被
任命为神父,1849 年起在附近的策奈姆中学任代课教师。1850
年参加正式教师考试,因生物学和地质学的分数低而失败 1851 年
去维也纳大学学习自然科学,1853 年又回到修道院,1854 年应
聘到布隆高等技术学校任代课教师,讲授物理学和博物学。1856
年再度参加自然科学教师考试,因中途病倒而落选。这样他一直以
代课教师身份教学到 1868 年当选为修道院院长为止。
孟德尔不仅在数学和物理学方面有很好的基础,而且对农业的
各个学科有着广泛的兴趣。
他既是遗传学家,又是园艺学家和气象学家。他培育的一个倒
挂金钟被命名为“孟德尔倒挂金钟”。从 1856 年起,他还致力于
气象学的研究,1863-1869 年曾发表过多篇气象学的论文,但孟
德 尔 最 卓 越 的 成 就 是 有 关 植 物 的 杂 交 实 验 , 这 一 工 作 从
1856-1872 年共持续了 17 年之久,其中豌豆的杂交实验成绩最为
突出。
豌豆的杂交实验从 1856-1864 年共进行了 8 年。孟德尔将其
研究的结果整理成论文发表,但未引起任何反响。其原因有三个。
第一,在孟德尔论文发表前 7 年(1859 年),达尔文的名著
《物种起源》出版了。这部著作引起了科学界的兴趣,几乎全部的
生物学家都转向生物进化的讨论。这一点也许对孟德尔论文的命运
起了决定性的作用。
第二,当时的科学界缺乏理解孟德尔定律的思想基础。首先那
个时代的科学思想还没有包含孟德尔论文所提出的命题:遗传的不
是一个个体的全貌,而是一个个性状。其次,孟德尔论文的表达方
式是全新的,他把生物学和统计学、数学结合了起来,使得同时代
的博物学家很难理解论文的真正含义。
第三,有的权威出于偏见或不理解,把孟德尔的研究视为一般
的杂交实验,和别人做的没有多大差别。
4.孟德尔的实验过程
孟德尔在实验工作中贯彻了从简单到复杂的原则。他所用的两
个亲本(父本和母本)都只相差一个性状,事实上不管这两个亲本
有多少种性状差别,他只注意研究一对性状的遗传规律。孟德尔与
那些早期研究者相比,他获得成功主要有以下四个原因。
(1)精心选择实验材料
孟德尔从豆科植物中选择了自花传粉而且是闭花传粉的豌豆
作为杂交实验的材料。从市场买来的豌豆种子可以说都是纯种。杂
交实验从纯种出发,是他实验成功的保证,只有这样才能得到真正
的杂种。豌豆花的结构特点,使得人工方法去雄和进行异花传粉很
方便。此外,他对豌豆材料进行了品种和性状的选择,挑选的有差
异的性状既明显又稳定。
(2)精心设计实验方法
实验设计是科学方法学的重要组成部分。孟德尔的成功还归因
于采取单因子分析法,即分别地观察和分析在一个时期内一对性状
的差异,最大限度地排除各种复杂因素的干扰。他首先发现了分离
定律,然后在这个基础上,再把个别性状综合起来,又发现了自由
组合定律。
(3)精确的统计分析
对杂交实验的子代中出现的性状进行分类、计数和数学的归纳。
由于孟德尔有数学和统计学家的头脑和训练,他从一个简单的二项
式展开式的各项系数中,找到了豌豆杂交实验显示出来的规律性,
并深刻地认识到 1:1、3:1 数字中所隐藏着的深刻意义和规律。
(4)首创了测交方法
孟德尔巧妙地设计了测交方法,令人信服地证明了他的因子分
离假设的正确性。实践证明这种以杂交子一代个体再与其隐性纯合
亲本进行测交的方法,完美而巧妙地成为遗传学分析的经典方法。
(5)创造性地使用科学符号体系
孟德尔在解释豌豆杂交实验时,巧妙地抽象出科学概念,创造
科学符号体系予以表达。与自然语言系统相比,科学符号具有专业
性、简洁性和明确性等特征,如科学符号 02 与 0 可以明确区分,
它们分别代表氧分子和氧元素。同理,孟德尔抽象出了相对性状(显
性性状、隐性性状)、性状分离、显性因子(基因)、隐性因子等
概念,并用科学符号表示。如控制显性性状的显性因子用大写的英
文字母(如 D)表示,隐性因子用小写的英文字母(如 d)表示。
使用科学符号能更简洁、准确、清晰地表达生物学概念,方便人们
的交流和沟通,如运用科学符号通过遗传图解表示生物遗传因子的
传递过程和形式。
孟德尔成功地发现了遗传规律也存在“巧合”的因素。现在已
知豌豆体细胞中存在不同的 7 对同源染色体,配子中有 7 条染色
体。孟德尔研究的 7 对性状的遗传因子并不是分别位于 7 对不同
的同源染色体上,而是分布在 4 对同源染色体上。其中第 1 对同
源染色体上有 2 对等位基因(子叶颜色和花的颜色,图距单位为
204),第 4 对同源染色体上有 3 对等位基因(茎的高度、花的位
置、豆荚形状)。第 5 对同源染色体上有 1 对等位基因(豆荚颜
色),第 7 对同源染色体上有 1 对等位基因(种子形状)。
由于交换值具有相对稳定性,所以通常以交换值表示两个基因
在同一染色体上的相对距离,或称为遗传学图上的图距。图距小于
50 出现连锁现象。孟德尔的二因子和三因子杂交实验所涉及的性
状不是由非同源染色体上的基因决定,就是由同源染色体上的基因
决定,但两对基因的图距非常大,以致这两对基因表现出自由组合。
(二)正交、反交、杂交、自交的实验方法介绍
孟德尔的杂交实验实际上包含了两种交配方式:一种交配方式
称为杂交,另一种交配方式称为自交。
杂交一般指两个具有不同基因型品种或类型的个体间雌雄
配子的结合。自交是指同一个体或不同个体但为同一基因型的个体
间雌雄配子的结合;此定义比植物学的定义广,植物学自交特指自
花传粉。植物学的自花传粉即遗传学上的自交;但植物学的异花传
粉包含遗传学上的杂交和交。
在植物有性杂交中,把接受花粉的植株叫作母本,用符号“♀
表示;供给花粉的植株称为父本,用“♂”表示。父母本统称为亲
本,用"P"表示,杂交符号用“×”表示,自交符号用“U"表示,
杂种一代用"F1"表示,杂种二代用"F2"表示,以此类推。
如果在做杂交时,父母本相互交换,这在遗传学上称为互交。
例如,现有两个亲本,用 P1 和 P2 表示。第一个杂交实验♀P1×P2
♀,第二个杂交实验♂P1×P2♀,即第一个杂交实验 P1 为母本,
而 P2 为父本;第二个杂交实验 P1 却作为父本,而 P2 作为母本,
前一个杂交组合称为正交,后一个杂交组合称为反交,两个杂交组
合就叫互交。互交实验结果是否一致可以推断控制性状的基因是细
胞质基因还是细胞核基因。正反交结果一致说明控制性状的基因是
核基因;不一致说明控制性状的基因是细胞质基因。当核基因分为
常染色体基因(位于常染色体上的基因)和性染色体基因(位于性
染色体上的基因)时,两种基因控制的性状也可以通过互交实验加
以区别。互交结果一致说明控制性状的基因是常染色体基因;不一
致说明基因为性染色体基因。
杂交亲本一般应选用纯合子,即基因型纯合的个体。玉米属于
异花传粉作物,一般情况下都是杂合子。为了获得纯合的个体,让
玉米植株通过多次自交,就可得到几乎是基因型纯合的个体,我们
称为自交系,它可作为配制杂种的亲本。
自交方法基本同杂交方法。不同的是:杂交是两个不同自交系
间个体的交配,而自交是同一自交系内个体(包括同一个体)的交
配;杂交的目的是获得杂合的个体,而自交的目的是获得纯合的个
体;杂合个体可产生多种不同的配子,后代中出现分离现象,纯合
个体只产生一种配子,后代只有一种基因型,后代中不出现分离现
象,且表型与基因型都相同。
(三)孟德尔设计测交实验的目的
孟德尔的一对相对性状的杂交实验中,F2 中显隐性比例接近 3:
1,在所有的实验中没有中间类型出现。他指出 F1 中的显性性状
有两种含义:亲本类型的显性和杂种类型的显性。前者指性状稳定
地传给所有后代,后者指在后代中继续表现分离,这从孟德尔在
F1 中的结果可以得到证实。在全部 7 对性状的 F2 中,具有显性性
状的类型中,213 是具有杂种性状的显性,13 则是具有亲本性状
的显性。因此,在 F2 中,显隐性 3:1 的比例可分解为 1:2:1
的比例。这种比例对以后各代都适用。即杂种后代中,每一代都以
1:2:1 的比例分为杂种类型和两种稳定类型。
孟德尔为了确定几对相对性状由于杂交而结合于杂种中时,是
否也能应用上述一对相对性状的规律,他做了两对相对性状和三对
相对性状的杂交,证明这个规律同样有效。例如:黄色圆粒(AABB)
×绿色皱粒(aabb),F1 全部为黄色圆粒,F2 有 4 种表型:315
个黄圆、108 个绿圆、101 个黄皱、32 个绿皱,比例接近 9:3:
3:1
将 F2 的种子全部种下去,得到 9 类植株,这 9 类植株的分离
情况,按所结种子性状归类得到如下结果。
138 株全部黄圆种子和亲本一样保持稳定 AABB
135 株全部绿圆种子和亲本一样保持稳定 aaBB
128 株全部黄皱种子和亲本一样保持稳定 AAbb
130 株全部绿皱种子和亲本一样保持稳定 abb
265 株有黄圆和绿圆分离只有一对性状分离 AaBB
268 株有黄皱和绿皱分离只有一对性状分离 Aabb
260 株有黄圆和黄皱分离只有一对性状分离 AABb
267 株有绿圆和绿皱分离只有一对性状分离 aaBb
4138 株分离出黄圆、绿圆、黄皱、绿皱二对性状都分离 AaBb
孟德尔以其敏锐的数学头脑从上列各类比例中看出:这是组合
系列中的各项式比值,把 A 与和 B 与 b 这两对性状各自的分离比
(AA+2Aa+a)和(BB+2Bb+bb)组合起来就可得到上述比例。
孟德尔得到了两对性状的组合规律后,自然地得到三对性状的组合
规律。实验结果和他的预测比例完全相符。
孟德尔为了解释上述实验的结果,进一步分析了杂种中卵细胞
和花粉细胞的性质。他推论在杂交后代中出现稳定类型,说明受精
的卵细胞和花粉细胞中必然具有相同的因子,而且一株杂种植株或
一朵花中就能产生稳定的后代,可见杂种的子房和花药中形成不止
一种生殖细胞。子房和花药中有多少种生殖细胞,就会有多少种稳
定类型。如果杂种产生的各类卵细胞以及各类花粉细胞数目相等,
就可解释各个杂种中的后代分离表现。这样孟德尔设计了自己首创
的测交实验。例如,黄色圆粒与绿色皱粒杂交,F1 与绿色皱粒进
行正反交,预测结果为:
1,杂种卵细胞 AB,Ab,aB,ab 与花粉细胞 ab 杂交得到
AaBb:Aabb:aaBb:aabb=1:1:1:1
2,杂种花粉细胞 AB,Ab,aB,ab 与卵细胞 ab 杂交得到
AaBb:Aabb:aaBb:aabb=1:1:1:1
实验结果和他的理论预测结果几乎完全一致。
正交实验结果:31 粒黄圆,26 粒绿圆,27 粒黄皱,26 粒绿
皱。
反交实验结果:24 粒黄圆,25 粒绿圆,22 粒黄皱,27 粒绿
皱。
由于隐性亲本性状不能遮盖显性性状,并能显出纯隐性性状,
这样的测交结果就能直接反映 F1 所产生的配子的种类和比例,因
而从测交子代的表型可以直接判断杂合子的基因组成,这就是测交
的作用。
孟德尔在解释上述现象时指出:哪一种花粉细胞和卵细胞结
合,全出于偶然。就一对性状而言,杂种 Aa 产生相等数量的 A 和
a 卵细胞以及相等数量的 A 和 a 花粉细胞。任一 A 或 a 花粉细胞
和 A 或 a 卵 细 胞 结 合 的 机 会 相 等 。 受 精 结 果 就 会 得 到 组 合
AA+2Aa+a,进一步得到多对性状的组合。
通过测交实验结果可以引申出以下结论。
1.成对的遗传因子在杂合状态时互不污染,保持其独立性,在
形成配子时发生分离,分别进入不同的配子中(即分离定律)。
2.控制不同性状的遗传因子在杂合状态时,虽同处一体,但互
不混淆,各自保持其独立性。在形成配子时,成对的遗传因子各自
独立地分离,不同对的遗传因子则自由组合(即白由组合定律)。
孟德尔发现的两个遗传基本规律,解释了他的实验结果,他所
创造的测交实验证实了他发现的两个规律是正确的。
(四)假说-演法
假说-演绎法是指在观察、实验和分析的基础上提出问题以后,
通过推理和想象提出解释问题的假说,由于假说无法被直接验证,
需要根据假说进行演绎推理,推出预测的结果,再通过实验来检验。
如果实验结果与预测相符,就证明假说是正确的;反之,则说明假
说是错误的。这是现代科学研究中常用的一种方法。
假说-演绎法的锥形可追溯到古希腊亚里士多德的归纳-演绎
模式。按照这一模式,科学家应从要解释的现象中归纳出解释性原
理,再从包含这些原理的前提中演绎出关于现象的陈述。17 世纪
中叶,笛卡儿在《哲学原理》一书中提出,理性从天赋观念即第一
原理(物质和运动)演绎出关于自然的确实知识,一般认为他是假
说一演法的倡导者。
假说-演绎法是科学认识从经验水平向理论水平上升所必需的
工具,它肯定了理性和演绎在科学发现中的作用,强调了由假说演
绎得出的结论必须用实验来检验,这就确保了像所有科学样,生命
科学也具有自我修正的机制。这种科学发现逻辑的确立,反映了经
验论与唯理论互相融合的趋向。对假说-演绎法争论最多的问题是
假说的提出。归纳主义者强调最好的假说必须满足归纳法的要求,
演绎主义和假说主义者则强调假说要靠创造性的猜想、直觉来建立。
也有人不管假说最初的产生,只把假说-演绎法理解为一种科学解
释的演绎模型。恩格斯曾经说过,只要自然科学在思维着,它的发
展形式就是假说,充分说明假说在自然科学发展中的作用。
19 世纪中期,孟德尔用豌豆做了大量的杂交实验,在对实验
结果进行观察、记录和进行数学统计分析的过程中,发现杂种后代
中出现了一定比例的性状分离,两对及两对以上相对性状杂交实验
中子二代出现不同性状自由组合现象。他通过严谨的推理和大胆的
想象提出假说,并对性状分离现象和不同性状自由组合现象作出尝
试性解释,这种解释就是假说。然后他巧妙地设计了杂交实验用以
检验假说,杂交实验不可能直接验证假说本身,而是验证由假说演
绎出的推论,即如果遗传因子决定生物性状的假说是成立的,那么,
根据假说可以对杂交实验结果进行理论推导和预测;然后,将实验
获得的数据与理论推导值进行比较,如果二者一致证明假说是正确
的,如果不一致则证明假说是错误的。当然,对假说的实践检验过
程是很复杂的,不能单靠一两个实验来说明问题。事实上,孟德尔
做的很多实验都得到了相似的结果,后来又有数位科学家做了许多
与孟德尔实验相似的观察,大量的实验都验证了孟德尔假说的真实
性。之后,孟德尔假说最终发展为遗传学的经典理论。我们知道,
演绎推理是科学论证的一种重要推理形式,杂交实验值与理论推导
值的一致性为什么就能证明假说是正确的呢?原来,杂交后代的表
型及其比例真实地反映出子一代产生的配子种类及其比例,根据子
一代的配子类型必然可以推导其遗传组成,揭示这个奥秘为演绎推
理的论证过程起到了画龙点睛的作用,不揭示这个奥秘则难以理解
假说-演绎法的科学性和严谨性,对演绎推理得出的结论仍停留在
知其然的状态。此外,对基因与染色体的关系的探究历程,DNA
复制方式和中心法则的提出与证实,遗传密码的破译都是假说一演
绎法的案例。
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