遺傳定律
基本定律

孟德?tīng)栠z傳定律
任何一門(mén)學(xué)科的形成與發(fā)展,總是同當時(shí)熱衷于這門(mén)科學(xué)研究的杰出人物緊密相關(guān),遺傳學(xué)的形成與發(fā)展也不例外,孟德?tīng)柧褪沁z傳學(xué)杰出的奠基人。他揭示出遺傳學(xué)的兩個(gè)基本定律——分離定律和自由組合定律。分離規律
豌豆具有一些穩定的、容易區分的性狀,這很符合孟德?tīng)柕脑囼炓蟆K^性狀,即指生物體的形態(tài)、結構和生理、生化等特性的總稱(chēng)。在他的雜交試驗中,孟德?tīng)柸褙炞⒌匮芯苛?對相對性狀的遺傳規律。所謂相對性狀,即指同種生物同一性狀的不同表現類(lèi)型,如豌豆花色有紅花與白花之分,種子形狀有圓粒與皺粒之分等等。為了方便和有利于分析研究起見(jiàn),他首先只針對一對相對性狀的傳遞情況進(jìn)行研究,然后再觀(guān)察多對相對性狀在一起的傳遞情況。這種分析方法是孟德?tīng)柅@得成功的一個(gè)重要原因。 大家知道,孟德?tīng)柕恼撐牡男涯繕祟}是《植物雜交試驗》,因此他所從事試驗的方法,主要是“雜交試驗法”。他用純種的高莖豌豆與矮莖豌豆作親本(親本以P表示),在它們的不同植株間進(jìn)行異花傳粉。如圖2-4所示高莖豌豆與矮莖豌豆異花傳粉的示意圖。結果發(fā)現,無(wú)論是以高莖作母本,矮莖作父本,還是以高莖作父本,矮莖作母本(即無(wú)論是正交還是反交),它們雜交得到的第一代植株(簡(jiǎn)稱(chēng)“子一代”,以F1表示)都表現為高莖。也就是說(shuō),就這一對相對性狀而言,F1植株的性狀只能表現出雙親中的一個(gè)親本的性狀——高莖,而另一親本的性狀——矮莖,則在F1中完全沒(méi)有得到表現。 又如,純種的紅花豌豆和白花豌豆進(jìn)行雜交試驗時(shí),無(wú)論是正交還是反交,F1植株全都是紅花豌豆。正因為如此,孟德?tīng)柧桶言谶@一對性狀中,F1能夠表現出來(lái)的性狀,如高莖、紅花,叫做顯性性狀,而把F1未能表現出來(lái)的性狀,如矮莖、白花,叫做隱性性狀。孟德?tīng)栐谕愣沟钠渌?對相對性狀的雜交試驗中,都得到了同樣的試驗結果,即都有易于區別的顯性性狀和隱性性狀。
在上述的孟德?tīng)栯s交試驗中,由于在雜種F1時(shí)只表現出相對性狀中的一個(gè)性狀——顯性性狀,那么,相對性狀中的另一個(gè)性狀——隱性性狀,是不是就此消失了呢?能否表現出來(lái)呢?帶著(zhù)這樣的疑問(wèn),孟德?tīng)柪^續著(zhù)自己的雜交試驗工作。
孟德?tīng)栕屔鲜鯢1的高莖豌豆自花授粉,然后把所結出的F2豌豆種子于次年再播種下去,得到雜種F2的豌豆植株,結果出現了兩種類(lèi)型:一種是高莖的豌豆(顯性性狀),一種是矮莖的豌豆(隱性性狀),即:一對相對性狀的兩種不同表現形式——高莖和矮莖性狀都表現出來(lái)了。孟德?tīng)柕囊蓡?wèn)解除了,并把這種現象稱(chēng)為分離現象。不僅如此,孟德?tīng)栠€從F2的高、矮莖豌豆的數字統計中發(fā)現:在1064株豌豆中,高莖的有787株,矮莖的有277株,兩者數目之比,近似于3∶1。 孟德?tīng)栆酝瑯拥脑囼灧椒ǎ诌M(jìn)行了紅花豌豆的F1自花授粉。在雜種F2的豌豆植株中,同樣也出現了兩種類(lèi)型:一種是紅花豌豆(顯性性狀),另一種是白花豌豆(隱性性狀)。對此進(jìn)行數字統計結果表明,在929株豌豆中,紅花豌豆有705株,白花豌豆有224株,二者之比同樣接近于3∶1。
孟德?tīng)栠€分別對其他5對相對性狀作了同樣的雜交試驗,其結果也都是如此。
概括上述孟德?tīng)柕碾s交試驗結果,至少有三點(diǎn)值得注意:
分離規律
⑴F1的全部植株,都只表現某一親本的性狀(顯性性狀),而另一親本的性狀,則被暫時(shí)遮蓋而未表現(隱性性狀)。 ⑵在F2里,雜交親本的相對性狀——顯性性狀和隱性性狀又都表現出來(lái)了,這就是性狀分離現象。由此可見(jiàn),隱性性狀在F1里并沒(méi)有消失,只是暫時(shí)被遮蓋而未能得以表現罷了。 ⑶在F2的群體中,具有顯性性狀的植株數與具有隱性性狀的植株數,常常表現出一定的分離比,其比值近似于3∶1。
3.對性狀分離現象的解釋
孟德?tīng)枌ι鲜?個(gè)豌豆雜交試驗結果中所反映出來(lái)的、值得注意的三個(gè)有規律的現象感到吃驚。事實(shí)上,他已認識到,這絕對不是某種偶然的巧合,而是一種遺傳上的普遍規律,但對于3∶1的性狀分離比,他仍感到困惑不解。經(jīng)過(guò)一番創(chuàng )造性思維后,終于茅塞頓開(kāi),提出了遺傳因子的分離假說(shuō),其主要內容可歸納為: ⑴生物性狀的遺傳由遺傳因子決定(遺傳因子后來(lái)被稱(chēng)為基因)。
⑵遺傳因子在體細胞內成對存在,其中一個(gè)成員來(lái)自父本,另一個(gè)成員來(lái)自母本,二者分別由精卵細胞帶入。在形成配子時(shí),成對的遺傳因子又彼此分離,并且各自進(jìn)入到一個(gè)配子中。這樣,在每一個(gè)配子中,就只含有成對遺傳因子中的一個(gè)成員,這個(gè)成員也許來(lái)自父本,也許來(lái)自母本。
⑶在雜種F1的體細胞中,兩個(gè)遺傳因子的成員不同,它們之間是處在各自獨立、互不干涉的狀態(tài)之中,但二者對性狀發(fā)育所起的作用卻表現出明顯的差異,即一方對另一方起了決定性的作用,因而有顯性因子和隱性因子之分,隨之而來(lái)的也就有了顯性性狀與隱性性狀之分。 ⑷雜種F1所產(chǎn)生的不同類(lèi)型的配子,其數目相等,而雌雄配子的結合又是隨機的,即各種不同類(lèi)型的雌配子與雄配子的結合機會(huì )均等。
為了更好地證明分離現象,下面用一對遺傳因子的圖解來(lái)說(shuō)明孟德?tīng)柕耐愣闺s交試驗及其假說(shuō)。用大寫(xiě)字母D代表決定高莖豌豆的顯性遺傳因子,用小寫(xiě)字母d代表矮莖豌豆的隱性遺傳因子。在生物的體細胞內,遺傳因子是成對存在的,因此,在純種高莖豌豆的體細胞內含有一對決定高莖性狀的顯性遺傳因子DD,在純種矮莖豌豆的體細胞內含有一對決定矮莖性狀的隱性遺傳因子dd。雜交產(chǎn)生的F1的體細胞中,D和d結合成Dd,由于D(高
孟德?tīng)柕倪z傳定律豌豆實(shí)驗圖解
莖)對d(矮莖)是顯性,故F1植株全部為高莖豌豆。當F1進(jìn)行減數分裂時(shí),其成對的遺傳因子D和d又得彼此分離,最終產(chǎn)生了兩種不同類(lèi)型的配子。一種是含有遺傳因子D的配子,另一種是含有遺傳因子d的配子,而且兩種配子在數量上相等,各占1/2。因此,上述兩種雌雄配子的結合便產(chǎn)生了三種組合:DD、Dd和dd,它們之間的比接近于1∶2∶1,而在性狀表現上則接近于3(高)∶1(矮)。 因此,孟德?tīng)柕倪z傳因子假說(shuō),使得豌豆雜交試驗所得到的相似結果有了科學(xué)的、圓滿(mǎn)的解釋。
基因型與表現型已經(jīng)看到,在上述一對遺傳因子的遺傳分析中,遺傳下來(lái)的和最終表現出來(lái)的并不完全是一回事,如當遺傳結構為DD型時(shí),其表現出來(lái)的性狀是高莖豌豆,而遺傳結構為Dd型時(shí),其表現出來(lái)的也是高莖豌豆。像這樣,生物個(gè)體所表現出來(lái)的外形特征和生理特性叫做表現型,如高莖與矮莖,紅花與白花;而生物個(gè)體或其某一性狀的遺傳基礎,則被稱(chēng)為基因型,如高莖豌豆的基因型有DD和Dd兩種,而矮莖豌豆的基因型只有dd一種。由相同遺傳因子的配子結合成的合子發(fā)育而成的個(gè)體叫做純合體,如DD和dd的植株;凡是由不同遺傳因子的配子結合成的合子發(fā)育而成的個(gè)體則稱(chēng)為雜合體,如Dd。 基因型是生物個(gè)體內部的遺傳物質(zhì)結構,因此,生物個(gè)體的基因型在很大程度上決定了生物個(gè)體的表現型。例如,含有顯性遺傳因子D的豌豆植株(DD和Dd)都表現為高莖,無(wú)顯性遺傳因子的豌豆植株(dd)都表現為矮莖。由此可見(jiàn),基因型是性狀表現的內在因素,而表現型則是基因型的表現形式。
由以上分析還可知道,表現型相同,基因型卻并不一定相同。例如,DD和Dd的表現型都是高莖,但其基因型并不相同,并且它們的下一代有差別:DD的下一代都是高莖的,而Dd的下一代則有分離現象——既有高莖,也有矮莖。
4.分離規律的驗證
前面講到孟德?tīng)枌Ψ蛛x現象的解釋?zhuān)瑑H僅建立在一種假說(shuō)基礎之上,他本人也十分清楚這一點(diǎn)。假說(shuō)畢竟只是假說(shuō),不能用來(lái)代替真理,要使這個(gè)假說(shuō)上升為科學(xué)真理,單憑其能清楚地解釋他所得到的試驗結果,那是遠遠不夠的,還必須用實(shí)驗的方法進(jìn)行驗證這一假說(shuō)。下面介紹孟德?tīng)栐O計的第一種驗證方法,也是他用得最多的測交法。 測交就是讓雜種子一代與隱性類(lèi)型相交,用來(lái)測定F1的基因型。按照孟德?tīng)枌Ψ蛛x現象的解釋?zhuān)s種子一代F1(Dd)一定會(huì )產(chǎn)生帶有遺傳因子D和d的兩種配子,并且兩者的數目相等;而隱性類(lèi)型(dd)只能產(chǎn)生一種帶有隱性遺傳因子d的配子,這種配子不會(huì )遮蓋F1中遺傳因子的作用。所以,測交產(chǎn)生的后代應當一半是高莖(Dd)的,一半是矮莖(dd)的,即兩種性狀之比為1∶1。
孟德?tīng)栍米右淮咔o豌豆(Dd)與矮莖豌豆(dd)相交,得到的后代共64株,其中高莖的30株,矮莖的34株,即性狀分離比接近1∶1,實(shí)驗結果符合預先設想。對其他幾對相對性狀的測交試驗,也無(wú)一例外地得到了近似于1∶1的分離比。
孟德?tīng)柕臏y交結果,雄辯地證明了他自己提出的遺傳因子分離假說(shuō)是正確的,是完全建立在科學(xué)的基礎上的。
5.分離規律的實(shí)質(zhì)
孟德?tīng)柼岢龅倪z傳因子的分離假說(shuō),用他自己所設計的測交等一系列試驗,已經(jīng)得到了充分的驗證,亦被后人無(wú)數次的試驗所證實(shí),現已被世人所公認,并被尊稱(chēng)為孟德?tīng)柕姆蛛x規律。那么,孟德?tīng)柗蛛x規律的實(shí)質(zhì)是什么呢? 這可以用一句話(huà)來(lái)概括,那就是:雜合體中決定某一性狀的成對遺傳因子,在減數分裂過(guò)程中,彼此分離,互不干擾,使得配子中只具有成對遺傳因子中的一個(gè),從而產(chǎn)生數目相等的、兩種類(lèi)型的配子,且獨立地遺傳給后代,這就是孟德?tīng)柕姆蛛x規律。 自由組合規律
孟德?tīng)栐诮沂玖擞梢粚z傳因子(或一對等位基因)控制的一對相對性狀雜交的遺傳規律——分離規律之后,這位才思敏捷的科學(xué)工作者,又接連進(jìn)行了兩對、三對甚至更多對相對性狀雜交的遺傳試驗,進(jìn)而又發(fā)現了第二條重要的遺傳學(xué)規律,即自由組合規律,也有人稱(chēng)它為獨立分配規律。這里僅介紹他所進(jìn)行的兩對相對性狀的雜交試驗。 1.雜交試驗現象的觀(guān)察
孟德?tīng)栐谶M(jìn)行兩對相對性狀的雜交試驗時(shí),仍以豌豆為材料。他選取了具有兩對相對性狀差異的純合體作為親本進(jìn)行雜交,一個(gè)親本是結黃色圓形種子(簡(jiǎn)稱(chēng)黃色圓粒),另一親本是結綠色皺形種子(簡(jiǎn)稱(chēng)綠色皺粒),無(wú)論是正交還是反交,所得到的F1全都是黃色圓形種子。由此可知,豌豆的黃色對綠色是顯性,圓粒對皺粒是顯性,所以F1的豌豆呈現黃色圓粒性狀。
如果把F1的種子播下去,讓它們的植株進(jìn)行自花授粉(自交),則在F2中出現了明顯的性狀分離和自由組合現象。在共計得到的556粒F2種子中,有四種不同的表現類(lèi)型.
如果以數量最少的綠色皺形種子32粒作為比例數1,那么F2的四種表現型的數字比例大約為9∶3∶3∶1。如圖2-7所示豌豆種子兩對相對性狀的遺傳實(shí)驗。
從以上豌豆雜交試驗結果看出,在F2所出現的四種類(lèi)型中,有兩種是親本原有的性狀組合,即黃色圓形種子和綠色皺形種子,還有兩種不同于親本類(lèi)型的新組合,即黃色皺形種子和綠色圓形種子,其結果顯示出不同相對性狀之間的自由組合。
2.雜交試驗結果的分析

實(shí)驗中的孟德?tīng)?/div>
孟德?tīng)栐陔s交試驗的分析研究中發(fā)現,如果單就其中的一對相對性狀而言,那么,其雜交后代的顯、隱性性狀之比仍然符合3∶1的近似比值。以上性狀分離比的實(shí)際情況充分表明,這兩對相對性狀的遺傳,分別是由兩對遺傳因子控制著(zhù),其傳遞方式依然符合于分離規律。
此外,它還表明了一對相對性狀的分離與另一對相對性狀的分離無(wú)關(guān),二者在遺傳上是彼此獨立的。
如果把這兩對相對性狀聯(lián)系在一起進(jìn)行考慮,那么,這個(gè)F2表現型的分離比,應該是它們各自F2表現型分離比(3∶1)的乘積:這也表明,控制黃、綠和圓、皺兩對相對性狀的兩對等位基因,既能彼此分離,又能自由組合。
3.自由組合現象的解釋
那么,對上述遺傳現象,又該如何解釋呢?孟德?tīng)柛鶕鲜鲭s交試驗的結果,提出了不同對的遺傳因子在形成配子中自由組合的理論。
因為最初選用的一個(gè)親本——黃色圓形的豌豆是純合子,其基因型為YYRR,在這里,Y代表黃色,R代表圓形,由于它們都是顯性,故用大寫(xiě)字母表示。而選用的另一親本——綠色皺形豌豆也是純合子,其基因型為yyrr,這里y代表綠色,r代表皺形,由于它們都是隱性,所以用小寫(xiě)字母來(lái)表示。 由于這兩個(gè)親本都是純合體,所以它們都只能產(chǎn)生一種類(lèi)型的配子,即:
YYRR——YR
yyrr——yr
二者雜交,YR配子與yr配子結合,所得后代F1的基因型全為YyRr,即全為雜合體。由于基因間的顯隱性關(guān)系,所以F1的表現型全為黃色圓形種子。雜合的F1在形成配子時(shí),根據分離規律,即Y與y分離,R與r分離,然后每對基因中的一個(gè)成員各自進(jìn)入到下一個(gè)配子中,這樣,在分離了的各對基因成員之間,便會(huì )出現隨機的自由組合,即:
⑴Y與R組合成YR;
⑵Y與r組合成Yr;⑶y與R組合成yR;
⑷y與r組合成yr。
由于它們彼此間相互組合的機會(huì )均等,因此雜種F1(YyRr)能夠產(chǎn)生四種不同類(lèi)型、相等數量的配子。當雜種F1自交時(shí),這四種不同類(lèi)型的雌雄配子隨機結合,便在F2中產(chǎn)生16種組合中的9種基因型合子。由于顯隱性基因的存在,這9種基因型只能有四種表現型,即:黃色圓形、黃色皺形、綠色圓形、綠色皺形。它們之間的比例為9∶3∶3∶1。
這就是孟德?tīng)柈敃r(shí)提出的遺傳因子自由組合假說(shuō),這個(gè)假說(shuō)圓滿(mǎn)地解釋了他觀(guān)察到的試驗結果。事實(shí)上,這也是一個(gè)普遍存在的最基本的遺傳定律,這就是孟德?tīng)柊l(fā)現的第二個(gè)遺傳定律——自由組合規律,也有人稱(chēng)它為獨立分配規律。
4.自由組合規律的驗證
與分離規律相類(lèi)似,要將自由組合規律由假說(shuō)上升為真理,同樣也需要科學(xué)試驗的驗證。孟德?tīng)枮榱俗C實(shí)具有兩對相對性狀的F1雜種,確實(shí)產(chǎn)生了四種數目相等的不同配子,他同樣采用了測交法來(lái)驗證。
把F1雜種與雙隱性親本進(jìn)行雜交,由于雙隱性親本只能產(chǎn)生一種含有兩個(gè)隱性基因的配子(yr),所以測交所產(chǎn)生的后代,不僅能表現出雜種配子的類(lèi)型,而且還能反映出各種類(lèi)型配子的比數。換句話(huà)說(shuō),當F1雜種與雙隱性親本測交后,如能產(chǎn)生四種不同類(lèi)型的后代,而且比數相等,那么,就證實(shí)了F1雜種在形成配子時(shí),其基因就是按照自由組合的規律彼此結合的。為此,孟德?tīng)栕隽艘韵聹y交試驗。 實(shí)際測交的結果,無(wú)論是正交還是反交,都得到了四種數目相近的不同類(lèi)型的后代,其比數為1∶1∶1∶1,與預期的結果完全符合。這就證實(shí)了雌雄雜種F1在形成配子時(shí),確實(shí)產(chǎn)生了四種數目相等的配子,從而驗證了自由組合規律的正確性。
5.自由組合規律的實(shí)質(zhì)
根據前面所講的可以知道,具有兩對(或更多對)相對性狀的親本進(jìn)行雜交,在F1產(chǎn)生配子時(shí),在等位基因分離的同時(shí),非同源染色體上的非等位基因表現為自由組合,這就是自由組合規律的實(shí)質(zhì)。也就是說(shuō),一對等位基因與另一對等位基因的分離與組合互不干擾,各自獨立地分配到配子中。