开山之作：孟德尔的豌豆实验和摩尔根的白眼果蝇揭示生物遗传的三大规律

现代遗传学的开山之作——“分离规律”、“自由组合规律”和“连锁与互换规律”，分别由孟德尔和摩尔根所发现。现代基因工程就是在这三个定律的基础上逐渐发展起来的。

一. 孟德尔的豌豆杂交实验

孟德尔（Gregor Johann Mendel）出生于奥地利帝国西里西亚海因策道夫村，在布隆(今捷克布尔诺)的修道院担任神父，是遗传学的奠基人，被誉为现代遗传学之父。

1840年，孟德尔考入奥尔米茨大学哲学院，主攻古典哲学，还学习了数学。1856年，孟德尔开始了长达8年的豌豆实验。他从种子商那里弄到34个豌豆品种，从中挑选出22个品种用于实验。这些品种都具有某种可以相互区分的稳定性状（植株高矮、种子圆粒或皱粒、种皮灰色或白色等）。孟德尔通过培植、杂交这些豌豆，观察研究不同代豌豆的性状变化现象，发现了生物遗传的基本规律——遗传分离规律和基因自由组合规律。

孟德尔豌豆实验的初衷并不是研究遗传，而是希望获得优良品种。在试验过程中，他才逐步转向探索遗传规律。豌豆属于具有稳定品种特性的自花授粉植物，容易栽种和逐一分离统计，是孟德尔研究遗传规律的理想样本。除了豌豆，孟德尔还对玉米、紫罗兰和紫茉莉等植物作了类似比较研究。

1865年，孟德尔在布鲁恩科学协会第一次宣读研究成果，他只简单地介绍了试验的目的、方法和过程，使听众如坠入云雾中。第二次宣读研究成果，孟德尔着重根据实验数据进行理论证明。也许是孟德尔的思维和实验太超前了，与会者包括化学家、地质学家、生物学家，植物学家、藻类学家都对他的论证分析毫无兴趣。

豌豆杂交实验从1856年至1864年共进行了8年，孟德尔将研究结果整理成《植物杂交试验》发表。由于此前在1859年达尔文出版了《物种起源》，几乎全部生物学家转向生物进化的讨论。虽然孟德尔的理论一时间无人与之共识，但他晚年仍充满信心对好友尼耶塞尔（布鲁恩高等技术学院大地测量学教授）说：“看吧，我的时代来到了。”孟德尔逝世16年后，即《植物杂交试验》正式发表后的第34年，他的预言终于变成了现实。

1.分离规律

孟德尔根据试验现象提出了显性性状与隐性性状的概念。他用纯种的高茎豌豆与矮茎豌豆作亲本，在它们的不同植株间进行异花传粉，无论是以高茎作母本，矮茎作父本，或者以高茎作父本，矮茎作母本(即正交或反交)，杂交得到的第一代植株(F1)都表现为高茎。这意味着对于一对相对性状而言，F1植株的性状只能表现出双亲中的一个亲本的性状——高茎，而另一亲本的性状——矮茎完全没有得到表现。同样，在纯种红花豌豆和白花豌豆杂交的试验中，无论是正交还是反交，F1植株全都是红花豌豆。据此，孟德尔把一对性状在F1能够表现出来的那个性状（高茎、红花）叫做显性性状，未能表现出来的性状（矮茎、白花）叫做隐性性状。对豌豆的其它5对相对性状的杂交试验观察，孟德尔也都得到了相同的结果。

F1只表现出相对性状中的一个性状——显性性状，那么，相对性状中的另一个性状——隐性性状是不是在杂交中消失了呢？孟德尔继续杂交试验，他让F1的高茎豌豆自花授粉，然后把得到的F2再播种栽培，得到杂种F2的豌豆植株出现了两种类型：一种是高茎的豌豆(显性性状)，一种是矮茎的豌豆(隐性性状)。即一对相对性状在F2代都分离为高茎和矮茎性状，孟德尔称之为分离现象。他还从F2的高、矮茎豌豆的数字统计中发现：在1064株豌豆中，高茎的有787株，矮茎的有277株，两者数目之比接近3∶1。

以同样的试验方法，孟德尔又进行红花豌豆的F1自花授粉。在杂种F2的豌豆植株中，同样出现了两种类型：一种是红花豌豆(显性性状)，另一种是白花豌豆(隐性性状)，共929株，其中红花豌豆705株，白花豌豆224株，二者之比同样接近于3∶1。

对于3∶1的性状分离，孟德尔感觉这绝对不是某种偶然的巧合，可能是一种遗传上的规律性。他经过一番创造性思维，提出了遗传因子的分离假说。这个假说可归纳为：

⑴.生物性状的遗传由遗传因子决定(遗传因子后来被称基因)。

⑵.遗传因子在体细胞内成对存在，其中一个来自父本，一个来自母本，二者分别由精卵细胞带入。在形成配子时，成对的遗传因子又彼此分离，并且各自进入到一个配子中。所以在每一个配子中只含有成对遗传因子中的一个成员，也许来自父本，也许来自母本。

⑶.在杂种F1的细胞中，来自父本、母本的两个遗传因子处在各自独立、互不干涉的状态之中，二者对性状发育所起的作用可以表现出明显的差异，即一方对另一方起了决定性的作用，也就是存在显性因子和隐性因子之分，或者说有显性性状与隐性性状之分。

⑷.杂种F1所产生的不同类型的配子，其数目相等，而雌雄配子的结合是随机的，各种不同类型的雌、雄配子的结合机会均等。

但是，假说毕竟只是假说，不能用来代替真理。要使假说上升为科学真理，还必须用实验方法来验证。孟德尔设计了一种验证方法，也是他用得最多的测交法。测交就是让杂种子一代与隐性类型相交，用来测定F1的基因型。按照孟德尔对分离现象的解释，杂交种子一代F1(Dd)一定会产生带有遗传因子D和d的两种配子，并且两者的数目相等；而隐性类型(dd)只能产生一种带有隐性遗传因子d的配子，这种配子不会遮盖F1中遗传因子的作用。所以，测交产生的后代应当一半是(Dd)的，一半是(dd)的，即两种性状之比为1∶1。

孟德尔用子F1高茎豌豆(Dd)与纯本矮茎豌豆(dd)相交，得到的后代共64株，其中高茎的30株，矮茎的34株，即性状分离比接近1∶1，实验结果符合预先设想。对其他几对相对性状的测交试验，也无一例外地得到了近似于1∶1的分离比。由此证明了遗传因子分离假说是正确的，并且被后人的无数次试验所证实。

孟德尔分离规律的实质是，在杂合体中决定某一性状的成对遗传因子，在减数分裂过程中，彼此分离，互不干扰，使得配子中只具有成对遗传因子中的一个，从而产生数目相等的两种类型的配子，且独立地遗传给后代，这就是孟德尔的分离规律。

2.自由组合规律

孟德尔在揭示了由一对遗传因子(或称一对等位基因)控制一对相对性状杂交的遗传规律——分离规律之后，他又接连进行了两对、三对甚至更多对相对性状杂交的遗传试验，进而发现了第二条重要的遗传学规律——自由组合规律（也有人称独立分配规律）。

孟德尔仍以豌豆为样本，选取了具有两对相对性状差异的纯合体作为亲本进行杂交，一个亲本是结黄色圆形种子(黄色圆粒)，另一亲本是结绿色皱形种子(绿色皱粒)。无论正交还是反交，所得到的F1全都是黄色圆形种子。由此可知，豌豆的黄色对绿色是显性，圆粒对皱粒是显性，所以F1的豌豆呈现黄色圆粒性状。

把F1的种子播下去，让它们自花授粉(自交)，则在F2中出现了明显的性状分离和自由组合现象：共计得到556粒F2种子中，有四种不同的表现类型。如果以数量最少的绿色皱形种子32粒为基数1，那么F2的四种表现型的数字比例大约为9∶3∶3∶1。

F2所出现的四种类型，有两种是亲本原有的性状组合，即黄色圆形种子和绿色皱形种子，还有两种不同于亲本类型的新组合，即黄色皱形种子和绿色圆形种子。这一结果表明了不同相对性状之间的自由组合特性。孟德尔还发现，如果单就其中的一对相对性状而言，那么，其杂交后代的显、隐性状之比仍然符合3∶1的近似比值。

与分离规律相类似，孟德尔对自由组合规律同样采用了测交法来验证。把F1杂种与双隐性亲本进行杂交，由于双隐性亲本只能产生一种含有两个隐性基因的配子(yr)，所以测交所产生的后代，不仅能表现出杂种配子的类型，而且还能反映出各种类型配子的比数。也就是说，当F1杂种与双隐性亲本测交，如能产生四种不同类型的后代，而且比数相等，那么就可以证实F1杂种在形成配子时，其基因就是按照自由组合的规律彼此结合的。测交试验的结果显示，无论正交还是反交，都得到了四种数目相近的（比数为1∶1∶1∶1）不同类型的后代，与预期的结果完全符合，从而验证了自由组合规律——具有两对(或更多对)相对性状的亲本进行杂交，当F1产生配子时，在等位基因分离的同时，非同源染色体上的非等位基因表现为自由组合。也就是说，一对等位基因与另一对等位基因的分离与组合互不干扰，各自独立地分配到配子中。

孟德尔的分离规律和自由组合规律是遗传学中最基本、最重要的规律，后来发现的许多遗传学规律都是在这个基础上产生并建立起来的，它犹如一盏明灯，照亮了近代遗传学发展的前途。尤其是自由组合规律，为我们理解自然界生物的多样性提供了重要的理论依据。

 二. 摩尔根的白眼果蝇实验

美国进化生物学家、遗传学家和胚胎学家托马斯·亨特·摩尔根(Thomas Hunt Morgan) 是现代实验生物学奠基人，他因发现染色体的遗传机制，创立染色体遗传理论，获得1933年诺贝尔奖。

摩尔根在攻读博士研究生和获得博士学位后的10多年里，主要从事实验胚胎学的研究。他起初很怀疑孟德尔定律，认为这个定律可能只适合于豌豆而不适用于其他生物。他提出了一个非常尖锐的问题：生物的性别肯定是由基因控制的，那么决定性别的基因是显性的，还是隐性的？不论怎样回答，都会面对一个难以收拾的局面，因为在自然界中大多数生物的两性个体比例是1:1，不论性别基因是显性还是隐性，都不会得出这样的比例。他曾用白腹黄侧的家鼠与野生型杂交，得到的结果五花八门，根本无法用孟德尔定律来解释。所以他认为关于染色体上有基因的说法还只是猜测，只有通过实验证实才是可信的。与此同时，孟德尔对德弗里斯的突变论却越来越感到满意。

1909～1928年，摩尔根创建以果蝇为实验材料的研究室，从事进化和遗传方面的工作。他的实验室被同事戏称为“蝇室”，除了几张旧桌子外，就是培养了千千万万只果蝇的若干个牛奶罐。果蝇属于苍蝇一类，但是比我们日常看到的苍蝇要小，体长不过半厘米，一个牛奶瓶就可以装成百上千只。果蝇喜欢吃腐烂的水果，并由此而得名。果蝇繁殖力强，1天时间即可由卵孵化为蛆，2到3天变成蛹，再过5天羽化为成虫，一年可以繁殖30代。果蝇细胞内的染色体只有4对8条，清晰可辨。

摩尔根养果蝇希望得到突变体，在屡战屡败的情况下，他"严刑拷打"新得到的一批果蝇：使用X光照射、激光照射，用不同的温度，或者加糖、加盐、加酸、加碱，甚至不让果蝇睡觉。各种手段都使用了，目的就是要诱发果蝇发生突变。然而一晃两年时间一无所获。

1910年5月，摩尔根夫人（实验员）在红眼的果蝇群中发现了一只异常的白眼雄性果蝇。摩尔根以前从来没有见过这样的类型，他认为这应该是罕见的突变品种。摩尔根将它装在瓶子里，睡觉时放在身旁，白天又带回实验室。白眼果蝇被养精蓄锐，终于在与一只正常的红眼雌蝇交配之后才死去，留下了突变基因。

这个家系的子一代全是红眼的，表明红相对白而言是显性的。摩尔根又使子一代自相互交配，果然发现子二代中的红、白眼果蝇都有，其中3470个红眼的，782个白眼的，基本符合3:1的比例，遵循孟德尔的研究结果。

然而，孟德尔进一步观察发现，子二代的782个白眼果蝇全是雄性，这种现象却不同于孟德尔规律。按照孟德尔的自由组合规律，那些长着白眼的果蝇，它们的性别应当是有雄性的，也有雌性的。但是这些白眼果蝇全部是雄性，没有一只是雌性。也就是说，突变出来的白眼基因伴随着雄性个体遗传。摩尔根终于明白从果蝇身上看到了孟德尔在豌豆上观察不到的现象。

对特殊现象的解释，就是建立新的定律。摩尔根知道，果蝇的4对染色体中，有一对是决定性别的：其中雌性果蝇的两条性染色体完全一样（XX）；雄性果蝇的性染色体一大一小（XY）。摩尔根判断，白眼基因位于这对染色体的X染色体上。因此，白眼果蝇与红眼果蝇的子一代会因为红眼是显性基因（位于X），所以不论雌雄都是红眼果蝇。当第二次进行杂交时，体内含有白眼基因的雌性红眼果蝇与正常的雄性红眼果蝇交配，就会出现含白眼基因的一条X染色体与一条Y染色体结合，生成第二代杂交果蝇中的白眼类型，而且都是雄性的。摩尔根把这种白眼基因跟随X染色体遗传的现象，叫做"连锁"，两类基因——白眼基因和决定性别的基因好像被锁定一起，当细胞中的染色体对分裂时它们一同行动，组合时也一同与另外的染色体结合。

摩尔根和他的学生发现突变白眼果蝇之后，另外的突变类型便接踵而至。在几个月内，他们又发现了四种眼色突变。例如，果蝇中出现了粉红眼，通过对这个类型的分离和组合，发现其与性别无关，也与白眼基因无关，显然粉红眼基因位于另外的染色体上，而且不在性染色体上；而朱砂眼果蝇的遗传特点与白眼果蝇完全一致，同样是伴性遗传的——两个基因都位于X染色体上。

摩尔根的学生发现了一种突变性状——果蝇的小翅基因，给摩尔根创立的理论带来了挑战。这种突变基因是伴性遗传的，与白眼基因一样位于X染色体。但是，当染色体配对时，这两个基因有时却并不像是被锁定在一起的。例如，携带白眼基因与小翅基因的果蝇，根据连锁原理，产生的下一代应该只有两种类型，要么是白眼小翅的，要么是红眼正常翅的。但是摩尔根却发现，还出现了一些白眼正常翅和红眼小翅的类型。为了解释这种现象，摩尔根提出，染色体上的基因连锁群并不像铁链一样牢靠，有时染色体也会发生断裂，甚至与另一条染色体互换部分基因。两个基因在染色体上的位置距离越远，它们之间出现变故的可能性就越大，染色体交换基因的频率就越大。白眼基因与小翅基因虽然同在一条染色体上，但是相距较远，因此当染色体彼此互换部分基因时，果蝇产生的后代中就会出现新的类型。这就是"互换"定律。

"连锁与互换定律"是摩尔根在遗传学领域的一大贡献，它和孟德尔的分离定律、自由组合定律一道，被称为遗传学三大定律。有趣的是，虽然摩尔根是个讨厌空谈理论，注重实验的人，他曾经对达尔文的进化论和孟德尔的遗传学说抱有怀疑态度，但是为他赢得声誉最多的论文，却不是关于实验的描述，而是他发表在《科学》杂志上的一篇阐述连锁与互换定律的理论文章，而这篇论文并没有列举任何实验数据。

染色体就是基因的载体！摩尔根和他的学生还推算出了各种基因的染色体上的位置，并画出了果蝇的4对染色体上的基因所排列的位置图。基因学说从此诞生了，男女性别之谜也终于被揭开了，遗传学结束了空想时代，重大发现接踵而至，并成为20世纪最为活跃的研究领域。