1866年,一篇从花园走进期刊的论文
1865年2月8日和3月8日,格雷戈尔·孟德尔先后在布尔诺自然科学学会报告植物杂交实验。次年,论文《植物杂交试验》刊入学会会刊。卷册标示的是1865年度,实际出版于1866年,因此报告与发表是相隔一年的两件事。论文把多年栽培的材料整理成亲本、杂交后代和连续世代的数量关系,提出了后来遗传学反复检验的问题:一种性状暂时不显现,是否意味着它已经消失?
实验发生在当时奥地利帝国的摩拉维亚地区。孟德尔在布尔诺修道院工作,置身于关注农业、育种和自然研究的地方社会。他的论文承接了前人关于植物杂交的讨论,重点则落在逐代观察和计数:后代出现哪些类型,每一类占多少,继续繁殖后又怎样变化。
先确定材料,再选择可以数清的性状
孟德尔从种子商处取得34种豌豆,先连续试种两年,检查后代是否保持相同特征,再选取其中22种用于杂交并年年栽培。他需要亲本相对稳定,否则后代的差异就难以归因于一次已知的杂交。豌豆生长周期较短,便于露地和盆栽;其花部结构又使自花授粉容易发生,外来花粉较难混入,杂交后代也能继续结实。
他没有把所有外观差异都纳入统计,而是挑选能明确分开的七组性状:成熟种子的圆或皱、内部黄或绿、种皮颜色及其关联的花色、荚形、未成熟荚的颜色、花的位置和茎的长短。边界模糊的大小、深浅差别被避开。今天所说的黄色或绿色豌豆,主要指子叶颜色;论文使用的植物解剖词汇与现代术语并不完全一致。
让每一次授粉都有来历
控制亲本是实验的关键。孟德尔在花蕾尚未完全发育时打开花部,除去雄蕊,再把选定植株的花粉施于柱头。同一组杂交还交换父母本的角色:一种豌豆先提供胚珠,再在另一组中提供花粉。这样可以检验某种外观是否只是由母本或父本身份决定。在他追踪的这些性状中,正反交得到的杂交外观相同。
大部分植株种在花园,另有盆栽在开花期放入温室,供他检查昆虫带来外来花粉的可能。长茎和短茎后代混生时,他还把矮小植株移到独立畦地,免得被高株遮蔽而影响发育。亲本标识、传粉来源与生长条件的管理,共同保证收获的数量能对应到清楚的实验关系。
参考:[1]
三比一来自成千上万粒种子
圆粒与皱粒亲本杂交后,直接得到的杂交一代显现圆粒特征。让杂交植株自交,皱粒却在后代重新出现。种子形状实验从253株杂交植株收得7324粒种子,其中5474粒圆或近圆,1850粒皱,约为2.96比1。颜色实验则得到6022粒黄色、2001粒绿色,约为3.01比1。其他几组性状也给出接近三比一的总体关系。
孟德尔把杂交中显现的性状称为显性,暂时不显现而能在后代恢复的称为隐性。这些计数显示的是大量后代中的比例,不是每个豆荚都整齐地分成四份。论文列出的单株结果波动很大,有的接近一半对一半,有的严重偏向一种性状。把许多种子分组计数,才使总体规律从这种波动中显现。
参考:[1]
再种一代,区分外表相同的后代
仅凭三比一,仍不能知道三份显性后代是否彼此相同。孟德尔把后代再种下去:由565粒圆种子长成的植株中,193株只结圆种子,372株同时结圆粒与皱粒。由519粒黄色种子长成的植株中,166株只结黄色,353株又出现黄绿分离。外表相同的显性后代,因而可按下一代的表现分成稳定型与继续分离的杂合型,数量约为一比二。
把隐性后代也算进去,就得到稳定显性、杂合、稳定隐性约一比二比一的结构。用今天的符号可写成AA、Aa、aa;原论文的符号体系并不与现代记法完全相同。关键推论是,形成生殖细胞时,杂合状态中的两种遗传成分分别进入不同细胞,受精时再组合。看不见的传递过程由连续世代的可见结果来检验。
参考:[1]
两个性状一起追踪
孟德尔还将圆粒黄色与皱粒绿色亲本杂交,再观察杂交植株产生的种子。15株共结556粒,分成315粒圆黄、101粒皱黄、108粒圆绿和32粒皱绿。除了亲本的两种组合,还出现圆绿和皱黄;四类数量接近后来常写的九比三比三比一。形状与颜色各自分离,再彼此组合,可以解释这组结果。
他继续播种这些种子,查看各类后代是否稳定,而不只把四个数字停留在一次收获上。这样的设计把单性状实验和多性状实验接起来,使组合关系成为可以预测和复核的命题。论文据此讨论不同性状的独立传递,但这套简单比例有适用条件;后来发现的连锁现象说明,不能把所有性状都当成相互独立的单位。
从地方学会到遗传学
1866年的发表没有立即建立一门新学科。论文已有读者,但其数量分析长期未成为研究中心。1900年前后,德弗里斯、科伦斯和切尔马克的杂交研究使孟德尔的论文重新受到广泛关注,随后被纳入育种和遗传研究的共同讨论。原有的计数结果与符号,在新的理论框架中得到解释。
二十世纪的细胞学研究将遗传规律与染色体行为联系起来,分子生物学又逐步揭示基因的物质结构。1866年论文留下的研究方法继续被采用:挑选稳定材料,控制交配,逐代分类计数,再用新一代后代检验上一轮解释。