发现之路——孟德尔诞辰周年回顾

写作，编译|啾啾椰子

奥地利科学家、天主教修道士格雷戈尔·孟德尔被认为是遗传学的创始人。他的豌豆杂交实验已经被用来教授遗传学的基础。

教科书上只是简单地说孟德尔用豌豆杂交实验研究遗传规律，但这掩盖了孟德尔的真实意图。在合子和配子的概念还没有出现的时候，孟德尔真正关心的是什么？他为此做了什么？他认为他发现了什么？

2022年7月11日，荷兰Keygene n . v . Wageningen的Peter J. van Dijk在《自然遗传学》上发表了《孟德尔是如何得出他的发现》一文，根据史料系统地评述了孟德尔的发现。今年是孟德尔诞辰200周年，让我们跟随这篇文章，一起走近孟德尔的发现之路。

1866年论文的内容

孟德尔本人在1866年发表的论文中首次提到一个观察现象，即观赏植物中两个自交系的F1具有相同的性状。从这一现象出发，孟德尔解释说，他的目标是“追踪杂交后代的发育”。这种表达方式让人想起他在维也纳的植物学教授弗朗茨·昂格尔，他认为母体植物和后代是由血缘联系在一起的整体[1]。孟德尔说，到目前为止，还没有对杂交后代的所有后代进行分类并确定其数量关系的研究。因此，他开始研究F2。

关于实验植物的选择，孟德尔说，“选择豆科是因为它们特殊的花结构。”[2]孟德尔描述了7对可区分的稳定性状的遗传——5个植物性状:花的颜色、成熟荚的形状、未成熟荚的颜色、花位和茎长的差异。另外两个种子特征:颜色和形状。

虽然在1866年的论文中，这项研究取得了逻辑上的线性进展，但实际上，研究路径很少是线性的，往往比纸上出现的更复杂。研究计划和目标可以随着研究的进展进行修改，或者在写论文时重新制定；孟德尔在给恩格利的第二封信中写道，在34个豌豆品种上的第一次实验是在1854年春天进行的，这表明实验计划肯定是在1853年左右制定的。从豌豆实验的第一个计划到结果公布，用了12年。所以，最初的原因并不像文中描述的那么简单。

图1:孟德尔在Grtner写的《植物杂交的实验与观察》最后一页的评语。

孟德尔想发现什么？

关于孟德尔最初开始研究的原因，主要有三种观点。

第一种是基于费希尔的说法，即孟德尔从一开始就有一套全面的理论。德·比尔说，“这是天才的标志”[3]。迈尔写道:“实验的整个计划，他的方法的解释和材料的选择都表明，在他工作的前期已经形成了一个完善的理论，他的实验实际上在于检验他的理论。【4】"

第二种观点认为，孟德尔的研究不是由理论驱动的，而是完全由经验诱导的。1979年，Olby发表了一篇文章Mendelno Mendelian，标题带有煽动性[5]。他认为后来的遗传学家对孟德尔工作的解读超出了孟德尔的本意。奥尔比发现孟德尔的论文题目中缺少“遗传”一词，并据此推断孟德尔对性状的遗传不感兴趣，而对F1杂种能否产生新物种感兴趣。

第三种观点认为孟德尔的出发点是非混合遗传。遗传学家Orel和Hartl认为，虽然孟德尔没有前思想理论，但他的出发点是非混合遗传假说[6]。在研究过程中，他以实验为基础提出新的假说，然后通过后续实验进行检验。

孟德尔的遗传学来自蔬菜育种计划。

与上述关于孟德尔基于基础科学问题进行研究的原因的猜想相反，孟德尔早期非常重视育种应用。孟德尔早年有两篇关于害虫的文章，第一篇是关于萝卜蛾的[7]，第二篇是关于豌豆象的[8]。孟德尔非常关心豌豆，他称之为“最有营养的作物之一”。

1861年7月，Brünn报纸Neuigkeiten的一篇文章称赞了孟德尔通过人工杂交获得的豌豆、豆类和黄瓜的产量和味道[9]。孟德尔在给恩格利的第二封信中写道，他“在1859年得到了一个非常能产的后代，种子又大又好吃”，并在接下来的6年里每年都把它种在修道院的菜园里。

修道院一直有与庄园相关的动物饲养和园艺传统。自20世纪50年代初以来，人们对种植蔬菜作物越来越感兴趣。1852年1月，巴伐利亚园艺学会杂志发表论文《杂交，尤其是庭园蔬菜》，呼吁培育适合当地的晚熟豌豆品种。这篇文章可能启发了孟德尔的蔬菜育种计划，因为abbots Napp和孟德尔都读过该杂志。

因此，孟德尔最初的研究动机很可能来自植物育种。

1861年7月26日在Neuigkeiten发表的一篇短文及其英译本

孟德尔研究过程的简化

在干燥的F1植物标本中，可以对F1植物的F2种子表型进行评分和计数。黄色与绿色、圆形与皱纹的比例分别为24:13和30:7，没有明显偏离3: 1。两株P株单交容易产生30粒F1种子，自交后产生900粒F2种子，因此很容易得到3: 1的比例。

图3:自交F1豌豆荚中F2种子性状的分离。

孟德尔对数字的敏感有助于分离比的发现。其他研究人员也研究了豌豆种子的颜色和形状，但他们都没有意识到常规的分离比。孟德尔在维也纳大学研究植物生理学和物理学，并在布伦进行气象观测。他熟悉实验、测量和组合理论，了解变化和随机现象。他似乎对数字很感兴趣，而且非常细致。孟德尔和他的朋友帕维尔·奥莱克西克所做的气象观测是这样评价的:“与奥莱克西克的一些混乱的数据相比，孟德尔的数据是非常清晰的”。这种“有准备的头脑”可能使他能够识别植物育种杂交种子性状中重复的3:1分离模式。

研究的发展很可能是这样的:到了1856年秋天，孟德尔注意到了黄而圆的种子在f 1中的优势地位。第二年，他注意到F2的3:1分离，1858年，他将3:1的比例分解为1:2:1。在发现种子性状的显著遗传比例后，出于好奇，孟德尔可能对植物性状是否具有相似的分离模式感兴趣。但是植物特性的研究需要更多的劳动和种植时间。

性状分离比的理论解释

观察到这一现象后，孟德尔需要寻求理论解释。孟德尔选择了22个品种，这个大规模的研究项目至少需要24000株。如此巨大的努力必须得到住持纳普的批准。纳普不仅对应用育种感兴趣，也明白纯科学研究的重要性。在1837年关于绵羊育种的讨论中，纳普曾问道:“什么是遗传，如何进行遗传？”【10】

在寻求分离比的生物学解释时，孟德尔把注意力转向花粉和卵细胞。然而，细胞理论本身仍不完整。1838年，施莱登和施万的精子细胞理论指出，细胞是生物体的普遍成分[11]。直到20世纪50年代，细胞才被普遍认为是永久性结构。用鲁道夫·维尔乔的话说，“每一个细胞都来源于一个预先存在的细胞”。细胞分裂的机制也不清楚。直到20世纪80年代，有丝分裂为子细胞的精确分裂和分布提供了一种机制。

1854年孟德尔研究之初，开花植物受精的细胞机制也不确定。包括孟德尔的植物学教授昂格尔在内的大多数研究人员认为，胚胎是由卵细胞接触花粉管后发育而成的。1858年5月，孟德尔的朋友约翰·纳夫(Johann Nave)做了一个题为“藻类的发育和繁殖”的讲座，强调藻类和开花植物受精过程的相似性。Nave引起了孟德尔对植物育种理论的兴趣。孟德尔提出，对于一个给定的性状，杂种产生等量的两种类型的生殖细胞，其中一种只含有一种“元素”。只有一个花粉粒随机使一个卵细胞受精，“形成一个细胞作为杂交的基础”，两种元素结合产生新物体的特征。在自交和回交实验中，孟德尔检验并证实了这一建议的预言。

如果我们以19世纪中期已知的细胞理论为基础来看待孟德尔的理论，我们会发现孟德尔比他的时代领先了几十年。他推断成对的元素被分成不同的子细胞。他可能不是在理论和假设的基础上开始工作，而是在经验的基础上，但这并不妨碍他理解遗传的意义。孟德尔是遗传学当之无愧的创始人。

一项重大发现

孟德尔在1866年的论文中合乎逻辑地提出了他的豌豆实验，好像他们从一开始就被计划好要解决性状遗传的问题。1866年新年前夕，孟德尔用一封长长的附信把重印本寄给了慕尼黑的安杰利。安杰利回答说，他认为孟德尔会在其他物种身上重复这一发现。

孟德尔在第二封给安吉利的信中写道，他的工作很难与当代科学知识相协调，他的讲话得到了不同的反应。尽管安杰利明白孟德尔的研究是关于遗传的，但作为混合遗传的坚定信徒，他并没有看到孟德尔发现的重要性。

人们花了将近35年才理解孟德尔工作的重要性。雨果·德·弗里斯、卡尔·科伦斯和埃里希·冯·切马克在1900年的出版标志着人们开始了解孟德尔的发现。此时孟德尔已经去世16年，他的笔记已经不存在了。

图4:重建的孟德尔豌豆研究计划时间表。

总结:

孟德尔既有应用蔬菜育种计划，又有基础科研计划。种子性状分离的观察触发了孟德尔的科研计划，使孟德尔发现了遗传规律。在发现分离比之后，孟德尔更进一步。他提出了分离比规则的细胞生物学解释。孟德尔在他1866年的论文中解释了性状如何从父母传递给后代的机制。孟德尔在19世纪的科学家中是独一无二的。他进行了一系列定量实验，得出了结论。即使出版后，他的作品也难以理解，被忽视了35年。

原始链接:

https://www.nature.com/articles/s41588-022-01109-9

参考

1.昂格尔。

2.孟德尔。Verh。版本。布鲁恩4，3–47。

3.德·比尔、孟德尔、达尔文和费希尔。注释记录。R. Soc。19, 192–226 .

4.生物学思想的成长。

5.孟德尔没有孟德尔历史。Sci。17, 57–72 .

6.解释孟德尔发现的争议。历史。菲洛斯。生命科学。16, 423–464 .

7.孟德尔。Verh。Zool。-机器人。维伦。维恩。3, 116–168 .

8.孟德尔，G. ber Bruchus pisi，mitgeteilt von V. Kollar。Verh。Zool。-机器人。维伦。维恩。4, 27–28 .

9.孟德尔对遗传的兴趣如何产生于植物改良。遗传学210，347–355。

10.第一位遗传学家。

11.细胞的诞生。