第一章 遺傳學基本原理

現代遺傳理論是基于具有一種或多種不同性狀的兩個個體雜交得出的數據推演出的。該理論主要研究個體間呈現出來的遺傳單位代際分布情況。正如化學家假定存在看不見的原子、物理學家假定存在看不見的電子一樣，遺傳學者也假定存在看不見的基本元素，并將其稱為基因。這一類比成立的關鍵在于，他們都是從定量化的數據中得出結論。這些理論得以成立的前提在于，它們能夠幫助我們做出某種基于定量化數據的預測。在這種意義上，基因理論與以往生物學理論的區別在于，雖然以往的生物學理論也假定存在看不見的基本單位，但它認為這些單位的性質是任意的，基因理論則以定量化數據為唯一依據來指定基因單位的性質。

孟德爾兩大定律

孟德爾（Mendel）的貢獻在于發現了作為現代遺傳理論基石的兩條基本定律。在整個20世紀，其他學者的持續努力引領我們在這一方向上不斷深入，并使得建立在更廣闊基礎上的精密理論闡釋成為可能。一些常見的事例可以用來證明孟德爾的發現。

孟德爾把一種食用豌豆的高株品種與矮株品種雜交，得到的第一代雜交種（子代）都為高株（圖1-1）。經過子代自花受精，得到的第二代（孫代）則出現高株和矮株，高矮數量比例為3∶1。如果高株品種的生殖細胞中含有促成高株性狀的遺傳物質，矮株品種的生殖細胞中攜帶促成矮株性狀的遺傳物質，其雜交種將既包含高株遺傳物質，也包含矮株遺傳物質。那么，高株雜交種則意味著高株遺傳物質支配矮株遺傳物質，高株遺傳物質呈顯性，相應地，矮株遺傳物質呈隱性。

圖 1-1 高株豌豆與矮株豌豆的遺傳

注：高株豌豆與矮株豌豆雜交，得到第一代（子代），即高（矮）雜交種，子代的配子（卵子與花粉粒）經過再結合，以3∶1的高矮比例產生第二代（孫代）。

孟德爾指出，子代中出現3∶1的高矮比例可以用一個簡單的假說來解釋，如果在卵子與花粉粒將要成熟時，將高株遺傳物質與矮株遺傳物質（二者并存于雜交種內）分離，那么將有一半卵子含有高株遺傳物質，另一半卵子含有矮株遺傳物質（圖1-1），花粉粒與之同理。任一卵子與任一花粉粒在同等機會下相遇受精，平均而言，將獲得3∶1的高矮分布比例，也就是說，當高株與高株受精時會得到高株，高株與矮株受精會得到高株，矮株與高株受精依然得到高株，只有當矮株與矮株受精時，才可以得到矮株。

孟德爾對這一假說進行了簡單測試，讓雜交種與隱性型回交，如果雜交種的生殖細胞具有高、矮兩種類型，那么，其子代也應該具有高、矮兩種類型，并且在數量上各占一半（圖1-2），測試結果證實了假說。

圖 1-2 雜交種豌豆回交親本隱性型

注：子代雜交種高（矮）豌豆與親本隱性型（矮）回交，會得到同等數量的高株與矮株后代。

同樣，人類眼睛顏色的遺傳也可以用來闡釋高株、矮株豌豆所表現出的這種關系。藍眼與藍眼配對，只能得到藍眼子代；褐眼與褐眼結合，只能得到褐眼子代，前提是二者的祖先都是褐眼。如果一個藍眼與一個純種褐眼配對，其后代將是褐眼，如果兩個具有這種親緣關系的褐眼個體配對，其后代擁有褐眼與藍眼的比例將是3∶1。（圖1-3）

圖 1-3 褐眼與藍眼的遺傳

注：人類褐眼（褐褐）與藍眼（藍藍）配對遺傳。

如果一個雜交種褐眼個體（子代褐藍）與一個藍眼個體婚配，其子女為褐眼與藍眼的概率各占一半。（圖1-4）

圖 1-4 雜交種回交隱性藍眼個體

注：含有藍眼要素的褐眼雜交子代個體與隱性型藍眼回交，能夠得到相同數目的褐眼與藍眼后代。

有些雜交例證或許可以為孟德爾第一定律提供更重要的支撐，如紅花紫茉莉與白花紫茉莉雜交，雜交種是粉色花，如果這些粉色花雜交種自花受精，孫代中，一些會像祖代一樣開紅色花，一些會像雜交種一樣開粉色花，還有一些像其他祖代一樣開白色花，三者的比例是1∶2∶1。（圖1-5）當紅色生殖細胞與紅色生殖細胞結合，一種原有的親代花色基因恢復；當白色生殖細胞與白色生殖細胞結合，另一種親代花色基因恢復；而當紅色與白色生殖細胞或白色與紅色生殖細胞結合時，雜交種混合的情形就會出現。所有的第二代（孫代）有色植株與白色植株比例為3∶1。

圖 1-5 紫茉莉花色的遺傳

注：紅花紫茉莉與白花紫茉莉雜交，得到粉色子代，并且存在1紅、2粉、1白的孫代比例分布。

有兩點需要注意，我們預計紅花孫代與白花孫代個體可以產生純種后代，因為它們分別含有紅花要素或者白花要素，但粉色孫代不應該產生粉色后代，因為它們同時含有紅花要素與白花要素（圖1-6），這與雜交一代相同。當我們對這些植物進行檢驗時，這些結論都是正確的。

圖 1-6 圖1-5所示雜交的基因分布

注：前面闡釋了紅花紫茉莉與白花紫茉莉雜交中生殖細胞的演變過程（圖1-5），小黑圓點代表產生紅花的基因，小白圓點代表產生白花的基因。

到目前為止，現有結果只能告訴我們，雜交種生殖細胞中來自父母雙方的遺傳物質是分離的，單從這一證據，這些結果可以解釋為紅花與白花植株在遺傳上具有整體性。

另一個實驗進一步闡釋了這一問題。孟德爾將結黃色圓潤種子的豌豆植株與結綠色褶皺種子的豌豆植株雜交，從其他雜交事例中我們知道，黃色種子與綠色種子是一對相對性狀，其雜交孫代具有3∶1的比例關系，同時，圓潤種子與褶皺種子構成另一對相對性狀。

在這一實驗中，后代都是黃圓型（圖1-7），子代自交之后，按照9∶3∶3∶1的比例產生黃圓、黃皺、綠圓、綠皺這四種個體。

孟德爾指出，如果黃、綠要素的分離與圓、皺要素的分離彼此獨立，那么這里提到的數據就可以得到解釋，也就是雜交種在遺傳上會產生黃圓、黃皺、綠圓、綠皺這四種生殖細胞。（圖1-8）

圖 1-7 黃圓與綠皺豌豆的遺傳

注：該圖說明了兩對孟德爾式性狀的遺傳，即黃圓豌豆與綠皺豌豆。該圖的下端，顯示了四種孫代豌豆類型，即黃圓與綠皺兩種原始型，以及黃皺與綠圓兩種再結合型。

圖1-8 兩對性狀的基因分布

注：該圖說明，當子代雜交種的四種卵子與四種花粉粒結合，將得到十六種孫代再結合類型（從黃圓到綠皺）。

如果這四種卵子與花粉粒隨機受精，將會有十六種組合可能，黃色是顯性，綠色是隱性，圓形是顯性，褶皺是隱性。這十六種組合將會分成四類，按9∶3∶3∶1的比例構成。

實驗結果顯示，不能假定在雜交種中，親代生殖物質都是分離的。有些情況下，參與雜交時黃色、圓形性狀是在一起的，雜交之后二者卻是分離的。綠色、褶皺也一樣。

孟德爾進一步指出，當有三對甚至四對性狀雜交時，在雜交種生殖細胞中性狀要素不受干預地相互結合。

似乎不管有多少對性狀參與特定雜交，這一結論都是成立的。這意味著有多少種性狀組合可能，生殖物質中就有多少對互不干涉的要素。進一步研究表明，孟德爾關于自由組合的第二定律在運用時有著更為嚴格的限制，因為很多要素之間并不能自由組合，一些參與雜交時就聚合在一起的固定要素，在雜交后代中也聚合在一起。這種現象叫作連鎖。

連鎖

孟德爾的論文在1900年被重新發現。四年后，貝特森（Bateson）與龐尼特（Punnett）的報告指出，他們的觀察結果并沒有得到預期的兩對獨立性狀自由配對時應有的數字結果。例如，當具有紫花和長形花粉粒的香豌豆植株與具有紅花和圓形花粉粒的香豌豆植株雜交時，這兩種性狀類型聯合參與雜交，但在雜交后代中聯合出現的情形卻比預期的紫紅與圓長自由配對時應該出現的情形更為頻繁。（圖1-9）他們指出，之所以產生這一結果，是因為那些來自各自父母的紫、長、紅、圓性狀在組合時相互排斥。現在這種關系被稱為連鎖，指的是當某些性狀聯合參與雜交時，它們傾向于在后代中也保持聯合狀態，或者從反面說，某些性狀對之間的組合并不是隨機的。

圖 1-9 香豌豆兩種連鎖性狀的遺傳

注：圖示紫花、長形花粉粒的香豌豆與白花、圓形花粉粒的香豌豆雜交。在該圖下部，顯示了孫代的四種個體類型以及它們的比例關系。

就連鎖而言，生殖物質的分配似乎是有限的。例如，我們已知的黑腹果蠅（Drosophila melanogaster）大約有四百種新變異類型，但這些類型只能歸為四種性狀群。

前述果蠅的四個性狀群中，有一組性狀的遺傳與性別存在連鎖關系，我們將其表述為“性連鎖”。果蠅大約有一百五十種性連鎖的突變性狀，其中有一些體現在眼睛顏色的變異上，有一些與眼睛的形狀或大小有關，或者體現在小眼分布的規律性方面。其他性狀有的與身體顏色有關，有的關系到翅膀形狀，有的關系到羽翅的脈絡分布，也有一些會影響到覆蓋身體的刺與絨毛。

第二個性狀群大約有一百二十種連鎖性狀，包括身體所有部位的變化，但都與第一性狀群產生的影響不同。

第三個性狀群大約有一百三十種連鎖性狀，也涉及身體的所有部位。這些性狀與前述兩個性狀群中的性狀都不同。

第四個性狀群規模較小，只有三種性狀：第一種與眼睛大小有關，在極端情形下會導致眼睛完全消失；第二種涉及翅膀的姿態；第三種與絨毛長短有關。

下面的例子可以說明連鎖性狀是如何遺傳的。一只具有黑色蠅身、紫眼、痕跡翅、翅基有斑點的四種連鎖性狀（屬于第二個性狀群）的雄性果蠅，與一只具有灰色蠅身、紅眼、長翅、沒有斑點等正常相對性狀的野生型雌性果蠅雜交，其子代都是野生型的。其中一只雄性子代[1]與一只具有四種隱性性狀（黑色蠅身、紫眼、痕跡翅、翅基有斑點）的雌性雜交，孫代只有兩種類型：一半像一種祖代一樣具有四種隱性性狀，另一半像另一種祖代一樣屬于野生型。（圖1-10）

圖 1-10 果蠅四種連鎖性狀的遺傳

注：黑色蠅身、紫眼、痕跡翅和翅基有斑點四種連鎖隱性性狀與野生型正常等位性[2]的遺傳。雄性子代與隱性雌性雜交，孫代（該圖下部）只得出兩種祖代結合類型。

兩組相對（或等位）連鎖基因參與雜交，當雄性雜交種的精細胞成熟時，一組連鎖基因進入一半精細胞，另一組與野生型相對的等位基因進入另一半野生型精細胞。雄性雜交子代與具有四種隱性基因的純種雌性雜交，就可以發現前述兩種精細胞的存在。隱性雌蠅的所有成熟卵子，都包含一組四個隱性基因。任一卵子與帶有一組顯性野生型基因的精子結合，將得到野生型果蠅；任一卵子與一個帶有四個隱性基因（與這里所使用的雌蠅的基因相同）的精子結合，將得到一只黑色蠅身、紫眼、痕跡翅、翅基有斑點的果蠅。這是兩種孫代個體的產生方式。

交換

連鎖群內的基因并不總是像我們剛剛提到的例子中所講的那樣處于完全連鎖的狀態。事實上，在同一雜交情形下的雌性子代中，一個系列的隱性性狀中有些性狀可能與另一系列的野生型性狀相互交換。不過，由于這些性狀在更多時候保持連鎖而非交換，所以仍可以說它們是連鎖的。這種連鎖群之間的相互交換作用稱為交換。這意味著，在兩個相對的連鎖系列之間，大量基因可以進行一種有規律的交換。對這一過程的理解是弄清接下來將要闡釋的很多問題的關鍵，所以列舉幾個交換的例子加以說明。

當一只具有黃翅、白眼兩種隱性突變性狀的雄性果蠅，與一只具有灰翅、紅眼性狀的野生型雌蠅交配時，其子代無論雌雄都具有灰翅、紅眼性狀。如果雌性子代與具有黃翅、白眼隱性性狀的雄性交配，將會產生四種類型的孫代。兩種與祖代相似，具有黃翅、白眼或灰翅、紅眼，這兩種在孫代中總共占到99%。（圖1-11）在雜交過程中，聯合參與雜交的性狀在孫代中又聯合出現的比例要高于孟德爾第二定律（自由組合定律）的預計。此外，在雜交二代中還產生了兩種其他類型的果蠅（圖1-11）：一類為黃翅、紅眼，另一類為灰翅、白眼，二者在雜交孫代中總共占1%。這就是交換型，代表了兩個連鎖群之間的相互交換。

將同樣的性狀按照不同的方式組合可以進行類似的實驗。如果一只黃翅、紅眼雄蠅與灰翅、白眼雌蠅交配，那么其雌性子代具有灰翅、紅眼性狀。如果其雌性子代與具有黃翅、白眼兩種隱性突變性狀的雄蠅交配，將會得到四種果蠅。其中兩種與其祖父母類似，并在孫代中占99%。另外兩種是新的組合，即交換型：一種是黃翅、白眼，另一種是灰翅、紅眼，二者在孫代中總共占1%。（圖1-12）

圖 1-11 果蠅兩種性連鎖性狀的遺傳

注：兩種連鎖的隱性性狀白眼、黃翅與其正常的等位性狀紅眼、灰翅的遺傳。

圖 1-12 圖1-11中相同性狀在相反組合中的遺傳

注：兩種連鎖性狀與圖1-11的相同，不過此例是相反組合，即紅眼、黃翅與白眼、灰翅的遺傳。

這些結果表明，不管雜交時兩種性狀如何組合，它們之間的交換率都是相同的。如果兩種隱性性狀聯合參與雜交，它們在雜交子代中也傾向于聯合出現。這種關系被貝特森與龐尼特稱為聯偶。如果兩種隱性性狀分別來自雙方父母，那么它們傾向于在雜交子代中分開出現（分別與最初聯合參與雜交的顯性性狀結合），這種關系叫作相斥。但就剛才兩個雜交實驗而言，這些關系不是兩種不同的現象，而是同一情形的不同表現。換句話說，這兩種連鎖性狀參與雜交，最終傾向于聯合出現，這與它們是顯性還是隱性無關。

其他性狀給出不同的交換占比。例如，具有白眼、細翅兩種隱性突變性狀的雄蠅，與紅眼、長翅的兩種性狀野生型果蠅交配，其子代將具有長翅、紅眼兩種性狀。如果雌性子代與白眼、細翅雄蠅交配，孫代將有四種類型。兩種祖父母型在孫代中占67%，兩種交換型在孫代中占33%。（圖1-13）

下面這一實驗具有更高的交換率。白眼、叉毛雄蠅與野生型雌蠅交配，其子代為紅眼、直毛。如果雌性子代與白眼、叉毛雄蠅交配，將得到四種個體類型。孫代中祖父母型占60%，交換型占40%。（圖1-14）

圖 1-13 白眼、細翅果蠅的遺傳（回交）

注：白眼、細翅與紅眼、長翅兩種性連鎖性狀的遺傳。

圖 1-14 白眼、叉毛果蠅的遺傳

注：白眼、叉毛與紅眼、直毛兩種性連鎖性狀的遺傳。

一項關于交換的研究表明，所有交換發生的占比都有，最高達50%。如果交換發生的占比能夠達到50%，那么這一數字結果就與自由組合發生時的數字結果相同。即便這些性狀處于相同的連鎖群，也不會出現連鎖關系。不過，兩種性狀處于同一性狀群的關系可以通過它們各自與同一群內第三性狀的共同的連鎖關系來表明。如果能夠發現50%以上的交換率，交換組合出現的概率就會大于祖父母型，一種相反情形的連鎖就會出現。

事實上，雌蠅中的交換概率總是低于50%，原因在于存在另一種稱作雙交換的連鎖現象。雙交換的意思是雜交中兩對基因的相互交換發生兩次。我們觀察到的交換次數減少，原因是第二次交換抵消了第一次交換的影響。我們將在稍后對此進行解釋。

許多基因同時進行交換

在剛才提到的交換實驗中，研究了兩對性狀，只涉及雜交中兩對基因之間發生單次交換的證據。為了獲得連鎖群中其余部分發生交換的情況，有必要囊括整個連鎖群的性狀對。例如，如果具有第一群內的盾片、棘眼、無橫脈、截翅、黃褐色體、朱紅色眼、深紅色眼、叉毛、短毛九種性狀的雌蠅與野生型雄蠅雜交，同時子代雌蠅又回交同樣的九種隱性性狀類型，孫代將呈現各種交換類型。（圖1-15）如果交換在兩群中心附近（介于朱紅與深紅之間）發生，結果將如圖1-16所示，有兩個完整的半截相互交換。

圖 1-15 九種性連鎖隱性基因的位置

注：圖示兩組等位基因系列的連鎖基因。上面一行是九種性連鎖隱性基因的大致位置，下面一行是正常等位基因。

圖 1-16 圖1-15基因組中深紅色眼、朱紅色眼之間的交換

注：圖示深紅色眼與朱紅色眼之間的交換，即圖1-15中兩個性狀群中心的附近。

交換在一些情況下可以發生在某一端附近，如棘眼與無橫脈之間。如圖1-17所示，兩個群之間只有很短的兩段發生了交換。無論交換何時發生，同一情形都將出現。雖然一般看到的只是交換點兩側的基因，但整個基因組都發生了交換。

圖 1-17 圖1-15基因組中棘眼與無橫脈之間的交換

注：圖示棘眼與無橫脈的交換，靠近圖1-15兩組的左端。

當交換同時在兩個層面上發生時（圖1-18），也將涉及非常多的基因。例如，在剛才提到的基因組中，截翅和黃褐色體之間發生交換，深紅色眼和叉毛之間發生另一個交換，兩個基因組中段的所有基因都參與交換。因為兩個基因組的兩端與以前的一樣，所以，如果沒有突變基因標示交換發生的事實，我們是觀察不出交換的發生的。

圖 1-18 雙交換

注：圖示圖1-15中兩組等位基因系列連鎖基因的雙交換。一次交換發生于截翅與黃褐色體之間，另一次發生于深紅色眼與叉毛之間。

基因的線性排列

鄰近的兩對基因與相距較遠的兩對基因相比，交換發生的概率很小。兩對基因相距越遠，交換的概率就會相應增加。利用這一關系，可以獲得任意兩對要素相互間的距離信息。根據這一信息，可以制作出每一連鎖群內許多要素相對位置的圖表。果蠅所有連鎖群內的基因都已經制成了圖表。（圖1-19）這樣的圖表只表明現有研究成果。

在前面給出的連鎖群與交換的例證中，基因像一串珠子一樣連接成一條直線。事實上，交換得出的數據顯示，只有圖1-20所示的排列方式，才能同所得到的結果一致。

圖1-20中，假設黃翅、白眼之間的交換是以1.2%的概率發生的，那么如果現在檢驗白眼與相同基因群的第三基因二裂脈之間的交換率就應為3.5%，如果二裂脈與白眼在同一條直線上，并且位于白眼的同一側，那么可以預測二裂脈與黃翅之間就應有4.7%的交換率。如果二裂脈在白眼的另一側，可以預測二裂脈與黃翅之間就應有2.3%的交換率。而實際上得到的結果是4.7%，因此，我們將二裂脈排在圖1-20中白眼的下方。不管同一連鎖群內的哪一新性狀與其他兩種性狀相比較，也不管何時進行比較，都將得出這一結果。新性狀與其他兩種已知性狀的任一交換，其交換值為其他兩個交換值的和或差。這就是我們所熟知的直線上各性狀點之間的關系，也是基因線性排列的證據。到目前為止，還沒有發現任何其他空間關系能夠滿足這些條件。

圖 1-19 果蠅連鎖基因圖表

注：圖示四種黑腹果蠅（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）的連鎖基因群，每一性狀左側的數字代表“圖距[3]”。

圖 1-20 果蠅黃翅、白眼、二裂脈三種性連鎖基因的線性排列

現在我們可以明確地闡述基因論。這一理論認為：個體性狀可以與生殖物質內的成對要素（基因）建立起聯系，這些基因相互聯合，組成一定數量的連鎖群；當生殖細胞成熟時，按照孟德爾第一定律，每一對中的兩個基因都是相互分離的，由此推斷每個生殖細胞都只包含一組基因；從屬于不同連鎖群的基因，會按照孟德爾第二定律互不干涉地自由組合；相對連鎖群內的基因之間有時會發生有規則的交換；同時，交換概率為每個連鎖群內的要素呈線性排列提供了證據，并且證明了要素之間的相對位置。

基因論

我姑且將這些理論統稱為基因論。這些理論能夠幫助我們在嚴謹的數據基礎上研究遺傳學問題。同時，這些理論使我們可以對某些特定條件下將會發生什么事情進行準確性較高的預測。在這些方面，基因論完全滿足了一個科學理論的要求。

[1] 由于雌性個體的這些性狀不完全連鎖，因此有必要選取雄性果蠅作為實驗對象。（若無特別說明，本書腳注均為原著作者注）

[2] 等位性是指等位基因之間的相互關系，如上述果蠅的黑身、灰身便互為等位性。——譯者注

[3] 圖距指用交換單位來表示同一染色體上基因位點間的距離。——譯者注