第一章 遗传学基本原理

现代遗传理论是基于具有一种或多种不同性状的两个个体杂交得出的数据推演出的。该理论主要研究个体间呈现出来的遗传单位代际分布情况。正如化学家假定存在看不见的原子、物理学家假定存在看不见的电子一样，遗传学者也假定存在看不见的基本元素，并将其称为基因。这一类比成立的关键在于，他们都是从定量化的数据中得出结论。这些理论得以成立的前提在于，它们能够帮助我们做出某种基于定量化数据的预测。在这种意义上，基因理论与以往生物学理论的区别在于，虽然以往的生物学理论也假定存在看不见的基本单位，但它认为这些单位的性质是任意的，基因理论则以定量化数据为唯一依据来指定基因单位的性质。

孟德尔两大定律

孟德尔（Mendel）的贡献在于发现了作为现代遗传理论基石的两条基本定律。在整个20世纪，其他学者的持续努力引领我们在这一方向上不断深入，并使得建立在更广阔基础上的精密理论阐释成为可能。一些常见的事例可以用来证明孟德尔的发现。

孟德尔把一种食用豌豆的高株品种与矮株品种杂交，得到的第一代杂交种（子代）都为高株（图1-1）。经过子代自花受精，得到的第二代（孙代）则出现高株和矮株，高矮数量比例为3∶1。如果高株品种的生殖细胞中含有促成高株性状的遗传物质，矮株品种的生殖细胞中携带促成矮株性状的遗传物质，其杂交种将既包含高株遗传物质，也包含矮株遗传物质。那么，高株杂交种则意味着高株遗传物质支配矮株遗传物质，高株遗传物质呈显性，相应地，矮株遗传物质呈隐性。

图 1-1 高株豌豆与矮株豌豆的遗传

注：高株豌豆与矮株豌豆杂交，得到第一代（子代），即高（矮）杂交种，子代的配子（卵子与花粉粒）经过再结合，以3∶1的高矮比例产生第二代（孙代）。

孟德尔指出，子代中出现3∶1的高矮比例可以用一个简单的假说来解释，如果在卵子与花粉粒将要成熟时，将高株遗传物质与矮株遗传物质（二者并存于杂交种内）分离，那么将有一半卵子含有高株遗传物质，另一半卵子含有矮株遗传物质（图1-1），花粉粒与之同理。任一卵子与任一花粉粒在同等机会下相遇受精，平均而言，将获得3∶1的高矮分布比例，也就是说，当高株与高株受精时会得到高株，高株与矮株受精会得到高株，矮株与高株受精依然得到高株，只有当矮株与矮株受精时，才可以得到矮株。

孟德尔对这一假说进行了简单测试，让杂交种与隐性型回交，如果杂交种的生殖细胞具有高、矮两种类型，那么，其子代也应该具有高、矮两种类型，并且在数量上各占一半（图1-2），测试结果证实了假说。

图 1-2 杂交种豌豆回交亲本隐性型

注：子代杂交种高（矮）豌豆与亲本隐性型（矮）回交，会得到同等数量的高株与矮株后代。

同样，人类眼睛颜色的遗传也可以用来阐释高株、矮株豌豆所表现出的这种关系。蓝眼与蓝眼配对，只能得到蓝眼子代；褐眼与褐眼结合，只能得到褐眼子代，前提是二者的祖先都是褐眼。如果一个蓝眼与一个纯种褐眼配对，其后代将是褐眼，如果两个具有这种亲缘关系的褐眼个体配对，其后代拥有褐眼与蓝眼的比例将是3∶1。（图1-3）

图 1-3 褐眼与蓝眼的遗传

注：人类褐眼（褐褐）与蓝眼（蓝蓝）配对遗传。

如果一个杂交种褐眼个体（子代褐蓝）与一个蓝眼个体婚配，其子女为褐眼与蓝眼的概率各占一半。（图1-4）

图 1-4 杂交种回交隐性蓝眼个体

注：含有蓝眼要素的褐眼杂交子代个体与隐性型蓝眼回交，能够得到相同数目的褐眼与蓝眼后代。

有些杂交例证或许可以为孟德尔第一定律提供更重要的支撑，如红花紫茉莉与白花紫茉莉杂交，杂交种是粉色花，如果这些粉色花杂交种自花受精，孙代中，一些会像祖代一样开红色花，一些会像杂交种一样开粉色花，还有一些像其他祖代一样开白色花，三者的比例是1∶2∶1。（图1-5）当红色生殖细胞与红色生殖细胞结合，一种原有的亲代花色基因恢复；当白色生殖细胞与白色生殖细胞结合，另一种亲代花色基因恢复；而当红色与白色生殖细胞或白色与红色生殖细胞结合时，杂交种混合的情形就会出现。所有的第二代（孙代）有色植株与白色植株比例为3∶1。

图 1-5 紫茉莉花色的遗传

注：红花紫茉莉与白花紫茉莉杂交，得到粉色子代，并且存在1红、2粉、1白的孙代比例分布。

有两点需要注意，我们预计红花孙代与白花孙代个体可以产生纯种后代，因为它们分别含有红花要素或者白花要素，但粉色孙代不应该产生粉色后代，因为它们同时含有红花要素与白花要素（图1-6），这与杂交一代相同。当我们对这些植物进行检验时，这些结论都是正确的。

图 1-6 图1-5所示杂交的基因分布

注：前面阐释了红花紫茉莉与白花紫茉莉杂交中生殖细胞的演变过程（图1-5），小黑圆点代表产生红花的基因，小白圆点代表产生白花的基因。

到目前为止，现有结果只能告诉我们，杂交种生殖细胞中来自父母双方的遗传物质是分离的，单从这一证据，这些结果可以解释为红花与白花植株在遗传上具有整体性。

另一个实验进一步阐释了这一问题。孟德尔将结黄色圆润种子的豌豆植株与结绿色褶皱种子的豌豆植株杂交，从其他杂交事例中我们知道，黄色种子与绿色种子是一对相对性状，其杂交孙代具有3∶1的比例关系，同时，圆润种子与褶皱种子构成另一对相对性状。

在这一实验中，后代都是黄圆型（图1-7），子代自交之后，按照9∶3∶3∶1的比例产生黄圆、黄皱、绿圆、绿皱这四种个体。

孟德尔指出，如果黄、绿要素的分离与圆、皱要素的分离彼此独立，那么这里提到的数据就可以得到解释，也就是杂交种在遗传上会产生黄圆、黄皱、绿圆、绿皱这四种生殖细胞。（图1-8）

图 1-7 黄圆与绿皱豌豆的遗传

注：该图说明了两对孟德尔式性状的遗传，即黄圆豌豆与绿皱豌豆。该图的下端，显示了四种孙代豌豆类型，即黄圆与绿皱两种原始型，以及黄皱与绿圆两种再结合型。

图1-8 两对性状的基因分布

注：该图说明，当子代杂交种的四种卵子与四种花粉粒结合，将得到十六种孙代再结合类型（从黄圆到绿皱）。

如果这四种卵子与花粉粒随机受精，将会有十六种组合可能，黄色是显性，绿色是隐性，圆形是显性，褶皱是隐性。这十六种组合将会分成四类，按9∶3∶3∶1的比例构成。

实验结果显示，不能假定在杂交种中，亲代生殖物质都是分离的。有些情况下，参与杂交时黄色、圆形性状是在一起的，杂交之后二者却是分离的。绿色、褶皱也一样。

孟德尔进一步指出，当有三对甚至四对性状杂交时，在杂交种生殖细胞中性状要素不受干预地相互结合。

似乎不管有多少对性状参与特定杂交，这一结论都是成立的。这意味着有多少种性状组合可能，生殖物质中就有多少对互不干涉的要素。进一步研究表明，孟德尔关于自由组合的第二定律在运用时有着更为严格的限制，因为很多要素之间并不能自由组合，一些参与杂交时就聚合在一起的固定要素，在杂交后代中也聚合在一起。这种现象叫作连锁。

连锁

孟德尔的论文在1900年被重新发现。四年后，贝特森（Bateson）与庞尼特（Punnett）的报告指出，他们的观察结果并没有得到预期的两对独立性状自由配对时应有的数字结果。例如，当具有紫花和长形花粉粒的香豌豆植株与具有红花和圆形花粉粒的香豌豆植株杂交时，这两种性状类型联合参与杂交，但在杂交后代中联合出现的情形却比预期的紫红与圆长自由配对时应该出现的情形更为频繁。（图1-9）他们指出，之所以产生这一结果，是因为那些来自各自父母的紫、长、红、圆性状在组合时相互排斥。现在这种关系被称为连锁，指的是当某些性状联合参与杂交时，它们倾向于在后代中也保持联合状态，或者从反面说，某些性状对之间的组合并不是随机的。

图 1-9 香豌豆两种连锁性状的遗传

注：图示紫花、长形花粉粒的香豌豆与白花、圆形花粉粒的香豌豆杂交。在该图下部，显示了孙代的四种个体类型以及它们的比例关系。

就连锁而言，生殖物质的分配似乎是有限的。例如，我们已知的黑腹果蝇（Drosophila melanogaster）大约有四百种新变异类型，但这些类型只能归为四种性状群。

前述果蝇的四个性状群中，有一组性状的遗传与性别存在连锁关系，我们将其表述为“性连锁”。果蝇大约有一百五十种性连锁的突变性状，其中有一些体现在眼睛颜色的变异上，有一些与眼睛的形状或大小有关，或者体现在小眼分布的规律性方面。其他性状有的与身体颜色有关，有的关系到翅膀形状，有的关系到羽翅的脉络分布，也有一些会影响到覆盖身体的刺与绒毛。

第二个性状群大约有一百二十种连锁性状，包括身体所有部位的变化，但都与第一性状群产生的影响不同。

第三个性状群大约有一百三十种连锁性状，也涉及身体的所有部位。这些性状与前述两个性状群中的性状都不同。

第四个性状群规模较小，只有三种性状：第一种与眼睛大小有关，在极端情形下会导致眼睛完全消失；第二种涉及翅膀的姿态；第三种与绒毛长短有关。

下面的例子可以说明连锁性状是如何遗传的。一只具有黑色蝇身、紫眼、痕迹翅、翅基有斑点的四种连锁性状（属于第二个性状群）的雄性果蝇，与一只具有灰色蝇身、红眼、长翅、没有斑点等正常相对性状的野生型雌性果蝇杂交，其子代都是野生型的。其中一只雄性子代[1]与一只具有四种隐性性状（黑色蝇身、紫眼、痕迹翅、翅基有斑点）的雌性杂交，孙代只有两种类型：一半像一种祖代一样具有四种隐性性状，另一半像另一种祖代一样属于野生型。（图1-10）

图 1-10 果蝇四种连锁性状的遗传

注：黑色蝇身、紫眼、痕迹翅和翅基有斑点四种连锁隐性性状与野生型正常等位性[2]的遗传。雄性子代与隐性雌性杂交，孙代（该图下部）只得出两种祖代结合类型。

两组相对（或等位）连锁基因参与杂交，当雄性杂交种的精细胞成熟时，一组连锁基因进入一半精细胞，另一组与野生型相对的等位基因进入另一半野生型精细胞。雄性杂交子代与具有四种隐性基因的纯种雌性杂交，就可以发现前述两种精细胞的存在。隐性雌蝇的所有成熟卵子，都包含一组四个隐性基因。任一卵子与带有一组显性野生型基因的精子结合，将得到野生型果蝇；任一卵子与一个带有四个隐性基因（与这里所使用的雌蝇的基因相同）的精子结合，将得到一只黑色蝇身、紫眼、痕迹翅、翅基有斑点的果蝇。这是两种孙代个体的产生方式。

交换

连锁群内的基因并不总是像我们刚刚提到的例子中所讲的那样处于完全连锁的状态。事实上，在同一杂交情形下的雌性子代中，一个系列的隐性性状中有些性状可能与另一系列的野生型性状相互交换。不过，由于这些性状在更多时候保持连锁而非交换，所以仍可以说它们是连锁的。这种连锁群之间的相互交换作用称为交换。这意味着，在两个相对的连锁系列之间，大量基因可以进行一种有规律的交换。对这一过程的理解是弄清接下来将要阐释的很多问题的关键，所以列举几个交换的例子加以说明。

当一只具有黄翅、白眼两种隐性突变性状的雄性果蝇，与一只具有灰翅、红眼性状的野生型雌蝇交配时，其子代无论雌雄都具有灰翅、红眼性状。如果雌性子代与具有黄翅、白眼隐性性状的雄性交配，将会产生四种类型的孙代。两种与祖代相似，具有黄翅、白眼或灰翅、红眼，这两种在孙代中总共占到99%。（图1-11）在杂交过程中，联合参与杂交的性状在孙代中又联合出现的比例要高于孟德尔第二定律（自由组合定律）的预计。此外，在杂交二代中还产生了两种其他类型的果蝇（图1-11）：一类为黄翅、红眼，另一类为灰翅、白眼，二者在杂交孙代中总共占1%。这就是交换型，代表了两个连锁群之间的相互交换。

将同样的性状按照不同的方式组合可以进行类似的实验。如果一只黄翅、红眼雄蝇与灰翅、白眼雌蝇交配，那么其雌性子代具有灰翅、红眼性状。如果其雌性子代与具有黄翅、白眼两种隐性突变性状的雄蝇交配，将会得到四种果蝇。其中两种与其祖父母类似，并在孙代中占99%。另外两种是新的组合，即交换型：一种是黄翅、白眼，另一种是灰翅、红眼，二者在孙代中总共占1%。（图1-12）

图 1-11 果蝇两种性连锁性状的遗传

注：两种连锁的隐性性状白眼、黄翅与其正常的等位性状红眼、灰翅的遗传。

图 1-12 图1-11中相同性状在相反组合中的遗传

注：两种连锁性状与图1-11的相同，不过此例是相反组合，即红眼、黄翅与白眼、灰翅的遗传。

这些结果表明，不管杂交时两种性状如何组合，它们之间的交换率都是相同的。如果两种隐性性状联合参与杂交，它们在杂交子代中也倾向于联合出现。这种关系被贝特森与庞尼特称为联偶。如果两种隐性性状分别来自双方父母，那么它们倾向于在杂交子代中分开出现（分别与最初联合参与杂交的显性性状结合），这种关系叫作相斥。但就刚才两个杂交实验而言，这些关系不是两种不同的现象，而是同一情形的不同表现。换句话说，这两种连锁性状参与杂交，最终倾向于联合出现，这与它们是显性还是隐性无关。

其他性状给出不同的交换占比。例如，具有白眼、细翅两种隐性突变性状的雄蝇，与红眼、长翅的两种性状野生型果蝇交配，其子代将具有长翅、红眼两种性状。如果雌性子代与白眼、细翅雄蝇交配，孙代将有四种类型。两种祖父母型在孙代中占67%，两种交换型在孙代中占33%。（图1-13）

下面这一实验具有更高的交换率。白眼、叉毛雄蝇与野生型雌蝇交配，其子代为红眼、直毛。如果雌性子代与白眼、叉毛雄蝇交配，将得到四种个体类型。孙代中祖父母型占60%，交换型占40%。（图1-14）

图 1-13 白眼、细翅果蝇的遗传（回交）

注：白眼、细翅与红眼、长翅两种性连锁性状的遗传。

图 1-14 白眼、叉毛果蝇的遗传

注：白眼、叉毛与红眼、直毛两种性连锁性状的遗传。

一项关于交换的研究表明，所有交换发生的占比都有，最高达50%。如果交换发生的占比能够达到50%，那么这一数字结果就与自由组合发生时的数字结果相同。即便这些性状处于相同的连锁群，也不会出现连锁关系。不过，两种性状处于同一性状群的关系可以通过它们各自与同一群内第三性状的共同的连锁关系来表明。如果能够发现50%以上的交换率，交换组合出现的概率就会大于祖父母型，一种相反情形的连锁就会出现。

事实上，雌蝇中的交换概率总是低于50%，原因在于存在另一种称作双交换的连锁现象。双交换的意思是杂交中两对基因的相互交换发生两次。我们观察到的交换次数减少，原因是第二次交换抵消了第一次交换的影响。我们将在稍后对此进行解释。

许多基因同时进行交换

在刚才提到的交换实验中，研究了两对性状，只涉及杂交中两对基因之间发生单次交换的证据。为了获得连锁群中其余部分发生交换的情况，有必要囊括整个连锁群的性状对。例如，如果具有第一群内的盾片、棘眼、无横脉、截翅、黄褐色体、朱红色眼、深红色眼、叉毛、短毛九种性状的雌蝇与野生型雄蝇杂交，同时子代雌蝇又回交同样的九种隐性性状类型，孙代将呈现各种交换类型。（图1-15）如果交换在两群中心附近（介于朱红与深红之间）发生，结果将如图1-16所示，有两个完整的半截相互交换。

图 1-15 九种性连锁隐性基因的位置

注：图示两组等位基因系列的连锁基因。上面一行是九种性连锁隐性基因的大致位置，下面一行是正常等位基因。

图 1-16 图1-15基因组中深红色眼、朱红色眼之间的交换

注：图示深红色眼与朱红色眼之间的交换，即图1-15中两个性状群中心的附近。

交换在一些情况下可以发生在某一端附近，如棘眼与无横脉之间。如图1-17所示，两个群之间只有很短的两段发生了交换。无论交换何时发生，同一情形都将出现。虽然一般看到的只是交换点两侧的基因，但整个基因组都发生了交换。

图 1-17 图1-15基因组中棘眼与无横脉之间的交换

注：图示棘眼与无横脉的交换，靠近图1-15两组的左端。

当交换同时在两个层面上发生时（图1-18），也将涉及非常多的基因。例如，在刚才提到的基因组中，截翅和黄褐色体之间发生交换，深红色眼和叉毛之间发生另一个交换，两个基因组中段的所有基因都参与交换。因为两个基因组的两端与以前的一样，所以，如果没有突变基因标示交换发生的事实，我们是观察不出交换的发生的。

图 1-18 双交换

注：图示图1-15中两组等位基因系列连锁基因的双交换。一次交换发生于截翅与黄褐色体之间，另一次发生于深红色眼与叉毛之间。

基因的线性排列

邻近的两对基因与相距较远的两对基因相比，交换发生的概率很小。两对基因相距越远，交换的概率就会相应增加。利用这一关系，可以获得任意两对要素相互间的距离信息。根据这一信息，可以制作出每一连锁群内许多要素相对位置的图表。果蝇所有连锁群内的基因都已经制成了图表。（图1-19）这样的图表只表明现有研究成果。

在前面给出的连锁群与交换的例证中，基因像一串珠子一样连接成一条直线。事实上，交换得出的数据显示，只有图1-20所示的排列方式，才能同所得到的结果一致。

图1-20中，假设黄翅、白眼之间的交换是以1.2%的概率发生的，那么如果现在检验白眼与相同基因群的第三基因二裂脉之间的交换率就应为3.5%，如果二裂脉与白眼在同一条直线上，并且位于白眼的同一侧，那么可以预测二裂脉与黄翅之间就应有4.7%的交换率。如果二裂脉在白眼的另一侧，可以预测二裂脉与黄翅之间就应有2.3%的交换率。而实际上得到的结果是4.7%，因此，我们将二裂脉排在图1-20中白眼的下方。不管同一连锁群内的哪一新性状与其他两种性状相比较，也不管何时进行比较，都将得出这一结果。新性状与其他两种已知性状的任一交换，其交换值为其他两个交换值的和或差。这就是我们所熟知的直线上各性状点之间的关系，也是基因线性排列的证据。到目前为止，还没有发现任何其他空间关系能够满足这些条件。

图 1-19 果蝇连锁基因图表

注：图示四种黑腹果蝇（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）的连锁基因群，每一性状左侧的数字代表“图距[3]”。

图 1-20 果蝇黄翅、白眼、二裂脉三种性连锁基因的线性排列

现在我们可以明确地阐述基因论。这一理论认为：个体性状可以与生殖物质内的成对要素（基因）建立起联系，这些基因相互联合，组成一定数量的连锁群；当生殖细胞成熟时，按照孟德尔第一定律，每一对中的两个基因都是相互分离的，由此推断每个生殖细胞都只包含一组基因；从属于不同连锁群的基因，会按照孟德尔第二定律互不干涉地自由组合；相对连锁群内的基因之间有时会发生有规则的交换；同时，交换概率为每个连锁群内的要素呈线性排列提供了证据，并且证明了要素之间的相对位置。

基因论

我姑且将这些理论统称为基因论。这些理论能够帮助我们在严谨的数据基础上研究遗传学问题。同时，这些理论使我们可以对某些特定条件下将会发生什么事情进行准确性较高的预测。在这些方面，基因论完全满足了一个科学理论的要求。

[1] 由于雌性个体的这些性状不完全连锁，因此有必要选取雄性果蝇作为实验对象。（若无特别说明，本书脚注均为原著作者注）

[2] 等位性是指等位基因之间的相互关系，如上述果蝇的黑身、灰身便互为等位性。——译者注

[3] 图距指用交换单位来表示同一染色体上基因位点间的距离。——译者注