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8.1: 孟德尔的实验

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    约翰·格雷戈尔·孟德尔（1822-1884）（图\(\PageIndex{1}\)）是一位终身学习者、教师、科学家和有信仰的人。 年轻时，他加入了位于现在的捷克共和国布尔诺的圣托马斯奥古斯丁修道院。 在修道院的支持下，他在中学和大学阶段教授物理、植物学和自然科学课程。 1856年，他开始了长达十年的研究，涉及蜜蜂和植物的遗传模式，最终选择豌豆植物作为他的主要模型系统（一种具有便捷特征的系统，用于研究特定的生物现象以获得理解，并应用于其他现象）系统）。 1865 年，孟德尔向当地自然历史学会展示了他对近 30,000 株豌豆植物的实验结果。 他证明了特质是以特定的模式从父母忠实地传给后代的。 1866年，他在布伦自然历史学会会刊上发表了他的著作《植物杂交实验》1。

    图片是约翰·格雷戈尔·孟德尔的素描。
    图\(\PageIndex{1}\)：约翰·格雷戈尔·孟德尔为遗传学研究设定了框架。

    孟德尔的作品几乎没有被科学界注意，他们错误地认为遗传过程涉及父母特征的混合，从而在后代中产生了中等的外观。 这个假设的过程似乎是正确的，因为我们现在所知道的连续变化。 连续变化是我们在人体身高等特征上看到的个体之间微小差异的范围。 当我们观察表现出持续变异的特征时，后代似乎是其父母特征的 “混合体”。 孟德尔改用了显示不连续变异的特征。 不连续变异是指当每个人表现出两种或极少数几个易于区分的特征（例如紫罗兰花或白花）中的一种时，个体之间出现的变异。 孟德尔对这类特征的选择使他能够通过实验看出，这些特征没有像当时预期的那样融合在后代中，而是作为不同的特征继承的。 1868 年，孟德尔成为修道院的住持，将他的科学追求换成了牧师职责。 他一生中非凡的科学贡献没有得到认可；事实上，直到1900年，他的作品才被处于发现遗传染色体基础边缘的科学家重新发现、复制和振兴。

    孟德尔十字架

    孟德尔的开创性工作是使用花园豌豆 P isum sativum 来研究遗传学完成的。 这个物种自然会自我受精，这意味着花粉在同一朵花中会遇到卵子。 花瓣保持密封状态，直到授粉完成，以防止其他植物授粉。 结果是豌豆植物高度近交或 “真繁殖”。 这些植物总是会产生看起来像亲本的后代。 通过尝试真正繁殖的豌豆植物，孟德尔避免了后代出现意想不到的特征，如果这些植物不是真正的繁殖则可能出现这种特征。 园豌豆也可以在一个季节内长成熟，这意味着可以在相对较短的时间内评估几代人。 最后，可以同时种植大量的豌豆，这使孟德尔得出结论，他的结果并非偶然产生。

    孟德尔进行了杂交，包括交配两个具有不同特征的真正繁殖个体。 在自然自授粉的豌豆中，这是通过手动将花粉从一个品种的成熟豌豆植物的花药转移到第二个品种的单独成熟豌豆植物的柱头上来完成的。

    第一代杂交中使用的植物被称为 P 或亲代植物（图\(\PageIndex{2}\)）。 孟德尔收集了从每个杂交中产生 P 植物产生的种子，并在下一个季节种植它们。 这些后代被称为 F 1，或第一代（孝顺 = 女儿或儿子）。 孟德尔研究了F 1 代植物的特征后，他允许它们自然地自我受精。 然后，他收集并种植了 F 1 植物的种子，以生产 F 2 或第二代。 孟德尔的实验从 F 2 一代延伸到 F 3 代、F 4 世代等，但最吸引人的 P、F 1 和 F 2 代的特性比率成为孟德尔的基础假设。

    该图显示了真正繁殖紫色花色的豌豆植物与真正繁殖白花颜色的豌豆植物之间的杂交。 P 世代的这种交叉受精产生了 F_ {1} 一代，全是紫罗兰花。 F_ {1} 一代的自我受精产生了 F_ {2} 代，其中包括 705 株有紫罗兰花的植物和 224 株有白花的植物。
    图\(\PageIndex{2}\)：孟德尔进行十字架的过程包括检查花朵的颜色。

    Garden Pea 的特征揭示了遗传的基础

    孟德尔在1865年的出版物中报道了他的十字架的结果，这些交叉涉及七个不同的特征，每个特征都有两个截然不同的特征。 特征被定义为可遗传特征的物理外观的变化。 特征包括植物高度、种子质地、种子颜色、花朵颜色、豌豆荚大小、豌豆荚颜色和花位置。 例如，就花色的特征而言，两个截然不同的特征是白色和紫罗兰色。 为了全面检查每个特征，孟德尔生成了大量的 F 1 和 F 2 植物，并报告了数千个 F 2 植物的结果。

    孟德尔在他的花朵颜色十字架上发现了什么结果？ 首先，孟德尔证实他使用的是真正繁殖出来的白色或紫色花朵颜色的植物。 不管孟德尔检查了多少代人，所有有白花的父母的自我交叉后代都有白花，而所有有紫罗兰花的父母的自我交叉后代都有紫罗兰花。 此外，孟德尔证实，除了花的颜色外，豌豆植物在物理上是相同的。 这是一项重要的检查，可以确保豌豆植物的两个品种仅在一个特征（花的颜色）上有所不同。

    这些验证完成后，孟德尔将紫罗兰花植物的花粉涂在有白花的植物的柱头上。 孟德尔在收集并播种了这个杂交产生的种子后，发现F 1 杂交一代中有100％有紫罗兰花。 当时的传统观点本来可以预测杂交花是淡紫罗兰色，或者杂交植物会有相等数量的白花和紫罗兰花。 换句话说，对比鲜明的父母特征有望融入后代中。 相反，孟德尔的结果表明，在F 1 世代中，白花特征已经完全消失了。

    重要的是，孟德尔并没有在那里停止他的实验。 他允许 F 1 植物自我受精，发现 F 2 世代中有 705 株植物有紫罗兰花，224 株有白花。 这是 3.15 朵紫罗兰花与一朵白花的比例，约为 3:1。 当孟德尔将花粉从有紫罗兰花的植物转移到有白花的植物的柱头上时，反之亦然，无论哪个亲本（雄性还是雌性）贡献了哪个特征，他获得的比例大致相同。 这就是所谓的互惠十字架——一种配对的十字架，其中一个十字架中雄性和雌性的各自特征成为另一个十字架中雌性和雄性的各自特征。 对于孟德尔研究的其他六个特征，F 1 和 F 2 世代的行为方式与花朵颜色的行为相同。 这两个特征中的一个将从 F 1 世代中完全消失，但在 F 2 世代中以大约 3:1 的比例重新出现（图\(\PageIndex{3}\)）。

    图中说明了孟德尔豌豆植物的七个特征。 花可以是紫色或白色。 豌豆可以是黄色或绿色，也可以是光滑的或有皱纹的。 豌豆荚可以膨胀或收缩，也可以是黄色或绿色。 花的位置可以是轴向的或终端的。 茎的长度可以很高，也可以很矮小。
    图\(\PageIndex{3}\)：孟德尔确定了七种豌豆植物特征。

    孟德尔在汇编了成千上万株植物的结果后得出结论，这些特征可以分为表现性状和潜在特征。 他分别称这些显性特征和隐性特征为显性特征。 Dominanttraits 是那些在杂交中遗传不变的特征。 隐性特征在杂交的后代中变得潜伏或消失。 但是，隐性特征确实在杂交后代的后代中重新出现。 显性特征的一个例子是紫罗兰色的花朵特征。 对于同样的特征（花的颜色），白色花是一种隐性特征。 隐性性状在 F 2 代中重新出现的事实意味着 F 1 代的植物中，这些性状仍然是分开的（没有混合）。 孟德尔提出，这是因为这些植物拥有两个花色特征的副本，而且每个父母都将两个副本中的一份传给了后代，然后它们聚集在一起。 此外，对显性特征的物理观察可能意味着该生物体的遗传组成包括该特征的两个显性版本，或者它包括一个显性版本和一个隐性版本。 相反，观察到隐性特征意味着该生物体缺乏这种特征的任何显性版本。

    章节摘要

    孟德尔在研究园豌豆植物时发现，父母之间的杂交在一种性状上存在差异，产生的 F 1 后代都表达了父母一方的性状。 在 F 1 世代中可见的特征被称为显性特征，在 F 1 代中消失的特征被描述为隐性特征。 当孟德尔实验中的 F 1 植物自交时，F 2 后代以 3:1 的比例表现出显性状或隐性特征，这证实了隐性特征是从原始 P 亲本忠实传播的。 倒数交叉生成相同的 F 1 和 F 2 后代比率。 通过检查样本量，孟德尔表明特征是作为独立事件遗传的。

    脚注

    1. 1 约翰·格雷戈尔·孟德尔，“Versuche 关于 PflanzenHybriden。” Bd Brünn 的 Verhandlungen des naturforschenden Vereines IV for das Jahr，1865 年 Abhandlungen（1866）: 3—47。 [有关英文翻译，请参阅 www.mendelWeb.org/mendel.plain.html]

    词汇表

    连续变化
    一种特征的变异，在这种特征中，个体表现出一系列特征，但它们之间的差异很小
    不连续变化
    一种特征的变异，其中个体表现出两个或几个特征，但它们之间存在很大差异
    占主导地位的
    描述一个特征，当一个个体中存在两个版本的基因时，该特征掩盖了另一个特征的表达
    F 1
    十字架中的第一代孝顺一代；父母一代的后代
    F 2
    F 1 个体自我交叉或相互受精时产生的第二代孝顺
    杂交
    交配两个不同个体的过程，目的是在他们的后代中实现某种特征
    模型系统
    一种物种或生物系统，用于研究特定生物现象以获得理解，并将应用于其他物种
    P
    十字架上的父母一代
    隐性
    描述一个特征，当两个特征的等位基因都存在于个体中时，其表达被另一个特征掩盖
    倒数交叉
    一个成对的十字架，其中一个十字架中雄性和雌性的各自特征成为另一个十字架中雌性和雄性的各自特征
    特征
    遗传特征的变异