基因工程的遗传学基础

基因工程的遗传学基础当一个婴儿呱呱落地的时候，全家人都会为一个新的生命降临到这个世界上来而感到高兴。

细心的祖母或外祖母也许会很快的告诉全家人：这孩子的眼睛长得像妈妈，嘴巴耳朵长得象爸爸……这个“象”字就已经暗示人们，父母的某些外观已传递给了自己的孩子，这种由父母双亲（科学术语称之为亲代，常用P表示）将某些外观（科学术语称之为表型或性状）传递给孩子（科学术语称之为子代，用F表示）的过程称之为遗传。

严格地讲，遗传是父母双亲将各自的一套遗传物质传递给了后代，只是有些性状肉眼能观察到，而大多数性状是无法用肉眼观察到的。

研究这个传递规律的科学称之为遗传学（Genetics）。

虽然人的外观（即表型）很容易为人们所观察到，但人们往往对此却熟视无睹，认为这是天经地义的事，因而遗传规律的发现却是来自于对其他生物的研究结果：是植物中的豌豆（pea）让我们发现了遗传学的两大规律—分离和自由组合规律，是动物中的果蝇（fruitfly）让我们发现了遗传学的第三大规律—连锁与互换，是微生物中的粗糙脉胞菌让我们发现了一个基因编码一种酶，也是微生物中的大肠杆菌让我们破译了遗传密码，而我们人类本身将为我们自己破译生命的本质。

“天生我才必有用”，地球上的各种生物都会给我们带来认识生命的信息，从而更好地使人类与其他生物和谐地生长在这个地球上。

遗传过程是怎样发生的？它们的物质基础是什么？这种物质基础又是如何表现出来的？它与生物体内的环境（内环境）和生物体外的环境（外环境）又是如何相互作用的？我们人类应该如何利用自然界提供给我们的不同遗传资源，使我们能有效的利用这些资源而不会破坏生态环境？这些都是遗传学家必须认真回答的。

遗传分离规律的发现豌豆是一种广泛栽种于我国南方的农作物，由于它的产量不是很高，因而它也往往被间种在麦地里，这就是说它并不是一种主要农作物。

对于现代都市的孩子们，能知道豌豆长得什么样子的孩子并不多。

然而正是这种不起眼的植物，为我们人类揭示了两个重要的遗传规律—分离和自由组合规律。

1857年，在奥地利布鲁恩的一个修道院里，一位35岁的修道士孟德尔决定开始对修道院中一大块菜园的豌豆进行研究。

他十分热爱植物学，很想成为一名高中老师，但经过三次教学考试都未通过，因而只好放弃当教师的念头，21岁时到修道院当了一名修道士。

正是这样一次重大的人生转折,使他成为了“遗传学之父”，也正是修道院里宁静的生活，使他能在长达8年的时间里潜心研究了30,000多株豌豆，建立起了孟德尔定律。

孟德尔在研究豌豆时注意到这种植物具有许多明显的特征：有的豌豆开白花，有的豌豆则开红花；有的豌豆长得较高，有的豌豆长得较矮；有的豌豆种子的颜色是黄色的，有的则是绿色的。

而且他也注意到有的子代的特征与亲代完全相同，有的则不相同。

此外，豌豆是自花授粉的植物，但也可以进行人工异花授粉。

正是孟德尔选择了合适的材料和性状，才使他在8年的时间里同时发现了两个遗传学规律。

分离规律孟德尔首先研究豌豆植株高度的传递规律。

他发现自花授粉的高豌豆的后代总是长得高，自花授粉的矮豌豆的后代则总是长得矮：高豌豆------>高豌豆矮豌豆------>矮豌豆这个结果并不使孟德尔感到惊奇，因为他认为这种特征的传递是真实的，也是合理的。

于是孟德尔经过人工异花授粉的方式使高豌豆与矮豌豆进行杂交，得到的子代种子长出的植株却全是高豌豆，矮豌豆的性状似乎消失了：高豌豆×矮豌豆------>高豌豆(F1代)当把杂交产生的子代（F1代）进行自花授粉产生第二代（称F2代），则出现了高豌豆和矮豌豆，矮豌豆的性状又出现了。

经过多次实验，他发现在F2代总是发生这种分离现象，且在F2代中出现的高豌豆和矮豌豆植株的数目之比总是3:1，即：孟德尔还发现另外六对性状与茎高的遗传规律是相同的：当孟德尔进行豌豆杂交实验时，不管他用上述每对性状中的哪种豌豆作父本(表示为♂)或做母本(表示为♀ )，所获得的结果都是相同的。

这种研究结果在孟德尔的菜豆和其它学者所做的植物，动物和人类的研究中得到了证实。

所有这些研究结果可以得出如下结论：1.生物的性状是可以独立遗传的。

2.每一个性状是由生殖细胞中的相应决定因子所控制。

3.每一个性状在生物体的体细胞中应有两个决定因子，一个是来自雄性亲本，另一个则来自雌性亲本。

4.在生殖细胞形成的过程中，成对的因子发生分离；每个生殖细胞之中含有其中一个因子。

5.当两种生殖细胞杂交形成杂种（F1）后，F1代仍具有来自亲本的两个决定因子，亲本在杂种中所显示的性状称为显性性状，未显现的性状则称为隐性性状。

6.当杂种形成生殖细胞时，来自亲本的两个决定因子又会发生分离，即有一半的生殖细胞的决定因子来自其中一个亲本，另一半则来自另一个亲本；当发生自交时，雌雄生殖细胞相互配对的机会是均等的，因而在F2代中可以看到F1代的分离现象，即两亲本的性状在F2代中又显现出来。

以上就是孟德尔分离规律的要点。

如果用一句话表述孟德尔分离规律，那就是：在生物形成生殖细胞时，所有性状决定因子都要发生分离。

为了更清楚的阐述孟德尔定律，我们仍以高豌豆和矮豌豆的杂交实验为例，用D表示高豌豆生殖细胞中决定因子（产生高豌豆），用d表示矮豌豆生殖细胞中决定因子（产生矮豌豆），由于豌豆茎高性状是成对存在的，因而两亲本和自交后的结果应该表述为：当把高豌豆与矮豌豆进行杂交时，则应是：虽然两个亲本各产生两个生殖细胞，但它们应是相同的。

因此图中最后形成的杂交个体中实际就只有一对决定因子Dd。

因为高相对于矮是显性的，因而杂种一代是高豌豆。

由上述讨论已能明显地看出：杂交豌豆与纯种（即亲代）高豌豆的决定因子是不相同的。

一个是Dd，另一个是DD，尽管它们的外观都是高豌豆。

当F1代进行自交时，F1代可以产生四种生殖细胞，从而获得：从上图中可以看出，表型只有两种：高豌豆和矮豌豆，但从高豌豆中的决定因子看，则有两种类型：DD，Dd。

显然，前一种决定因子的豌豆与亲本相同，是纯种，而另外一种则仍是杂种，仍要继续发生分离。

孟德尔在做豌豆杂交实验的同时，还做了许多其他生物的杂交实验，如菜豆，野豌豆，玉米，蜜蜂，小家鼠等10多种生物，但最成功的就是豌豆杂交实验。

它成功的秘诀是什么？除了他那坚韧不拔，持之以恒的毅力外，还有如下几点：1.豌豆是一年生植物，一次可以获得大量的种子用于实验；如果选用动物，需要耗费大量人力物力（修道院不可能提供这种消耗）。

2.豌豆是自花授粉的植物，但也可以进行人工异花授粉。

因此在杂交试验过程中，可以用两个亲本中的任何一个亲本作为父本或母本，操作比较简单，所获结果十分可靠。

3.孟德尔在观察和分析豌豆性状时，对每个性状进行单独考察，并且选择的这些性状都是具有明显的显性或隐性，便于实验结果的分析和得出正确的结论。

因此，材料的选择和实验方案的设计是十分重要的。

凡是有志于将来成为科学家的年青人，应该记住孟德尔的豌豆实验。

自由组合定律如果把豌豆的两个或多个性状一起进行研究时，又会获得什么结果呢？孟德尔在研究豌豆种子性状和颜色这两个性状时，他把圆形黄色豌豆与皱皮绿色豌豆杂交，获得如下结果：F1代的性状与其中一个亲本相同，让F1代进行自交，获得的结果如下：这时，自杂结果却出现了有四种性状的豌豆，其中有两种与亲本相同，另外有两种是新产生的：皱皮黄色和圆形绿色豌豆，这两种新的表型是从哪里来的呢？我们先根据孟德尔的分离规律对上述两种豌豆的性状进行分析，就会不难发现，单个性状的分离方式仍是3:1，如黄色性状（9+3）与绿色性状（3+1）的比例是12:4 = 3:1，圆形性状（9+3）和皱皮性状（3+1）的比例也是12:4 = 3:1。

由于同一品种的豌豆可以有多个性状，但它只能拥有成对性状中的一种，如豌豆种子的形状，不是圆形的，就是皱皮的，而不能同时又是圆形的，又是皱皮的。

这就如同一个人要么是单眼皮，要么是双眼皮，不可能既是单眼皮又是双眼皮。

因此不同的性状可以有不同的组合，如上述的豌豆品种在杂交时形成了如下的基因型：此处的英文字母均以显性性状的第一个字母大写表示，隐性则由相应的小写字母表示，而不是用相应性状的第一个字母表示。

如豌豆种子的颜色---黄色是显性，用英文字母yellow的第一个字母大写Y，隐性的绿色性状则只能用小写字母y表示，而不是用绿色green的第一个字母g表示。

当F1代进行自交时，杂种形成的生殖细胞可以发生不同基因型的组合：由于精细胞和卵细胞都含有上述四种组合，因此在自交时可形成下述16种组合：尽管上述16种组合中没有完全相同的组合，但它们的表型仅有四种：圆形黄色：RRYY，2RRYy，2RrYY，4RrYy圆形绿色：RRyy，2Rryy皱皮黄色：rrYY，2rrYy皱皮绿色：rryy对于圆形黄色种子而言，有9种基因型；对于圆形绿色和皱皮黄色种子而言，各有3种基因型，而皱皮绿色种子则只能有一种基因型。

这就是为什么在孟德尔在同时观察两种性状的遗传规律时，结果会出现9:3:3:1。

综上所述，孟德尔的豌豆遗传实验说明：每个生物体都存在成对的遗传因子，当其形成生殖细胞时，即形成精子和卵子时，这些成对的遗传因子要发生分离，不同的遗传因子则进行自由组合；当精子和卵子结合时，再次发生随机组合，而子代的表型则取决于受精方式和亲代的基因型：如果采用自交方式所得的全部子代具有相同的表型，说明亲本是纯种（对于某些性状），要是子代中还出现与亲本不相同的个体，则说明亲本是杂种；要是采用杂交方式所得的子代具有相同的表型，说明两个亲本均是纯种，要是子代具有双亲的表型，则说明亲本中至少有一个是杂种。

孟德尔的豌豆实验使他发现了两个重要的遗传规律，这主要是他不仅选择了一个好的实验材料---既可以自花授粉，又可以异花授粉，而且还选择了豌豆中一些具有明显稳定的性状进行研究。

在自然界中，生物的有些性状并不具有明显的显性或隐性，即杂交后代的性状与两亲本的性状都不相同，这就大大增加了对实验结果的分析难度。

因此，作为一项科学研究工作的起点，应当尽可能选择一些较为简单的系统进行研究，然后再选择一些较为复杂的系统作更深入的研究，以便获得新的发现。

在上述的豌豆实验中，我们只列举了几对性状，它们都是可以进行自由组合的。

换言之，列举的性状在遗传过程中都是独立无关的，但豌豆总还有许多性状并不是肉眼能直接观察到的，如豌豆种子中淀粉，蛋白质的种类和含量等。

这就是说，豌豆中存在很多很多不同的性状，它们是否都是独立无关的？会不会有的性状是一起传递给某一后代？答案是肯定的，但这答案不是由豌豆实验来完成的，而是由果蝇完成的。

连锁与互换规律的发现性别中的雌与雄也是一对性状，同样也会传递给后代，而后代只能有一种性别---雌性或雄性。

如果要回答有的遗传因子是否是以某种方式联系在一起，同时传给了某个后代这个问题，那么选择雌雄异体的生物来进行研究工作则是十分有利的。