摩根 果蝇 红眼 白眼

17.7摩根与他的果蝇实验室

《生物学思想发展的历史》 恩斯特·迈尔著 涂长晟等译 https://www.tuenhai.com 整理

摩根于1909年开始培育果蝇。他对德弗里的月见草突变的印像很深并试图通过不同的化学药品、不同温度的处理以及钙和X线辐射在他所培养的果蝇中引起突变,但是都未成功。然而在他的果蝇系谱培养(Pedigreed cultures)中有一个白眼雄蝇出现在红眼果蝇的正常种群中

这一个简单的事实、在实验室培养(物)中出现了单个异常的个体,却引起了一场名符其实的雪崩式的研究热潮。首先提出的问题是,这个“白眼”性状是怎样产生的。将这一罕见的白眼雄果蝇与同一代的雌果蝇交配,摩根发现虽然F1代都是红眼,但在F2代又出现白眼雄蝇,这表示白眼的遗传因子是隐性,它必然是由红眼基因骤然变化所产生的。摩根在几年前曾访问过德弗里在荷兰的实验室,也就为这新等位基因的起源采用了德弗里的“突变”这一术语。由于德弗里的进化突变学说以及月见草突变的染色体性质,这一术语的转移引起了不利的后果,在随后的二三十年中造成了一定的思想混乱(Anen,1967;Mayr and Provine,1980)。然而遗传学家和进化论者最后都习惯了摩根赋予“突变”这词的新涵义

在升物学的历史上还很少有像摩根与他的同事一道工作那样亲密无间。因此很难确定摩根实验室的大量研究成果或发现究竟应归功于谁。有些历史学家倾向于将几乎所有的功绩归之于他的学生和同事。这未免太过份。应当记住自从摩根于191O年7月发表他的关于果蝇研究的第一篇文章以后的两年中他连续发表了13篇有关20多个果蝇性连锁(伴性)突变型的发现与行为的文章。在发现白眼后不久又发现了两个性连锁隐性突变型:“翅发育不全”,“黄色体色”。毫无疑问摩根在很早就阐述了孟德尔遗传的大部分机制,这些都是他本人所作的贡献。正如穆勒(Muller,1946)所说的:“无论将来会怎样重写和重新评价果蝇研究开始阶段的历史,摩根对交换现象的论证以及基因相距愈远交换也愈频繁的观点就像一声春雷,其重要意义绝不下于孟德尔学说的发现,这一点必然仍旧会被公认。”我在这里所要强调的是摩根本人单独地对连锁和交换问题作出的贡献,因为以后的讨论重点放在问题上而不是果蝇实验室中每个人的特殊贡献。摩根和他的同事在哥伦比亚大学的“果蝇室”中培养了成千上万的果蝇。他们在仔细审查这些果蝇中发现了新的突变不断出现。摩根很快(191O-1911年冬)从哥伦比亚大学的未毕业学生中挑选了斯特体范特(Alfred H,Sturtevant)和布里奇斯(Calvin B.Bridges)两人到他的实验室工作,后来穆勒(H.J.Muller)也参加了这个研究小组(他还在摩根指导下攻读学位)。这个小组的亲密协作是升物学中的一段轶史佳话;“在科学实验室中过去很少有如此激动人心的气氛和如此的持续热情。这主要是由于摩根本人的态度,他将热情和批判精神融合在一起,大度、胸襟开阔并具有幽默感”(Sturtevant,1959;1965a )

在短短的几年之内传递遗传学的一切主要方面都被摩根和他的小组阐明清楚。凡是贝特森、德弗里、柯仑斯,凯塞尔(Castle)以及其他早期的孟德尔主义者所没有找到的正确答案(实际上是没有提出正确的问题)都由摩根小组出色地完成了。其所以如此,一个重要的原因是摩根虽然是胚胎学家出身,但是他将基因生理学和个体发生问题扔在一边,审慎地倾注全力于传递遗传学。他没有去臆测遗传定律而是探究事实和这些事实的最简单的可能解释。他是一位彻底的经验主义者

等位基因

孟德尔充分了解表现型性状是成群出现,在他所选用的性状中则是成对出现。1900年以后的研究工作证实了对应于某个表现型状的物质基础可以有二者择一的表现形式或表达。将之直译成希腊文,这些二择一的(决)定(因)子就是“相对基因”(allelomorphs,贝特森的术语)或等位基因(alleies)

孟德尔遗传中这样的一些表现型性状的二择一定子的发现便对变异的起因问题能作出完全新的解释。这使人联想起豌豆的光滑对皱皮、黄与绿,或者其他的类似成对性状可能有相同的物质基础。等位基因所表一现的性状应当恰好是同一遗传物质的两个译本

1904年法国库恩奥( Cuenot)在家鼠中发现一组性状可能有两个以上的等位基因;例如在家鼠这一特殊情况下其皮色可能是灰、黄、黑色。贝特森、凯塞尔、Shull、摩根以及其他遗传学家后来也发现了这类复等位基因现象。人类的ABO血型就是人所共知的例子。 Sturtevant(1913)首先解释了复等位基因现象,将之归因于同一基因(座位)的各种可供选择到状态。这完全否定了贝特森的基因作用的有或无学说(Presence-absencetbeory)。在某些特殊情况下一个基因有50个以上的等位基因,例如牛的血型基因以及植物的某些亲合性基因(compatibility genes)、脊椎动物的组织亲合性基因。和孟德尔定律相符,在某一配子中永远只有单个等位基因,但在受精时它能够和存在于种群基因库中的许多不同的任何一个等位基因结合。在遗传学历史上后来还发现在某些杂交中基因的行为与等位基因相似而在其他杂交中则并不如此(拟等位现象,pseudoallelism)。Lewis及Green对这类情况的分析使人们对基因本质的认识更深入了一步(见下文)

摩根研究小组对果蝇的白眼基因以及果蝇的其他突变型的研究明确地证明了一个基因可以突变成另一个等位基因,后者又能突变成第三、第四个等位基因。同样值得注意的是这些突变步骤是可逆的,白眼果蝇偶尔也能产生红眼后代

也许最重要的发现是某个基因一旦产生了新等位基因,这新的等位基因就一直保持不变,除非其后代之一发生了新突变。因此基因的特点是,它的几乎完全稳定性

基因突变的发现并不是退回到软式遗传,恰恰相反,这证实了遗传物质是基本固定不变的。可以这样说,这是硬式遗传的决定性征明,即尽管遗传物质直其内在的稳定性,然而它又具有进化演变所容许的突变能力

很快就证实了一切其他升物都能突变,从人类和其他哺乳动物到最简单的动物、各种植物、甚至微升物。事实上从1920年直到195O年研究突变似乎是最有希望的、能阐明遗传物质本质的研究路线。突变过程的研究同时也提出了一些难于解答的问题。在突变时基因究竟发生什么变化?能不能在控制条件下(即在实验条件下)产生变异?德弗里早在1904年就提到“X射验和镭射线都能穿透升物细胞,可以用来改变生殖细胞中的遗传颗粒”(Blakeslee,1936)。自从1901年以后一直试图通过X射线,镭射线,温度骤变(温度休克),或化学药品等办法诱发突变。由于各种技术上的缺陷(异源性物质,试样数量小等等),起初都没有得到明确结果。通过穆勒百折不挠和独创精神倾注全部心血进行研究一直到 1927年才取得成功

性状自由组合与连锁

孟德尔的重要发现之一是“杂种(组合)中的每一对不相同性状的行为与两个亲本植株的所有其他差异无关”(1866:27)。现在我们一般将之称为性状自由组合定律。例如,孟德尔将含有圆形黄色豆粒(这两个性状都是显性)的豌豆品系与具有皱绿豆粒(两者都是隐性)的另一个豌豆纯育品系杂交。他在几代采得的圆黄豆粒与皱绿豆粒的比值不是3:1。在这个特别试验中他总共采得556个豆粒,其中315个为圆黄,101个皱黄,108个圆绿,32个皱绿,比值接近9:3:3:1。因而每一对性状(圆对皱,黄对绿)的比值为3:1(圆、黄为显性),但是这两个性状却是彼此独立进行分离。孟德尔发现他试验的其他五对性状也是如此,因而一度认为所有性状都遵从这一自由组合定律

如果细胞核只是一个装满成对微芽的口袋,在配子形成之前这些成对微芽将会分开并独立分配,孟德尔的这一发现就很自然,不值得奇怪。然而由于细胞核物质是组织成染色体的,而染色体在配子形成时又是作为一个整体进行分离,所以就不会有比染色体数目更多的独立性状对。孟德尔的七个性状自由组合这一点和事实相符,因为后来过了很久之后发现豌豆恰好只有七对染色体(见下文)

自从重新发现孟德尔定律后进行了越来越多的杂交试验,在这些试验中发现了与自由组合不相符的例外(首先是柯仑斯于1900年在紫罗兰中发现的,其他的是由贝特森小组发现),然而由于下面即将提到的原因这类例外很难解释。在白眼果蝇中性别和眼睛颜色并不自由组合这一情况很快就被摩根发现。当他将F1代果蝇杂交时,F2代果蝇中红眼与白眼的比值为3:1,但所有的白眼都是雄果蝇,而在所有的红眼果蝇中雌雄比 2:1(见图2a)。在其他的一些杂交中,结果更出人意料。例如白眼雌果蝇与正常购红眼雄果蝇杂交时,所有的雌性后代都是红眼,所有的雄性后代都是白眼(图2b)

图2a红眼母本的F1代雄蝇具有母本X染色体为红眼。由于正常孟德尔分离,50%的F1雌蝇的F2雄蝇又为白眼

图2b在互交(正反交)中, F1雌蝇接受了母本的X染色体。如果母本是纯 合隐性白眼,其全部雄性后代将均为白眼,尽管其父本为红眼

很明显,性基因和眼的颜色基因并不自由组合

摩根在1910年根据上述观察断定眼睛颜色因子(从红色突变成白色)是和决定性别的X因子互相偶联的。一年以后(1911:384)他特地从染色体的角度来解释这类性状偶联现象:“我们发现的不是孟德尔意义上的随机分离而是在染色体上相处很近的“因子联合”(association of factors)。细胞学提供了实验证据所需要的机制。”其他的一些突变,例如黄体色和小形翅也是:和性别连锁的,也就是说位于性染色体上。其他的性状连锁群和性别无关,显然是处在果蝇的其他染色体上,这些染色体被称为常染色体或普通染色体(和性染色体区分开)

德弗里、柯仑斯、波弗利和瑟顿实际上也早已从理论上预言过连锁现象。他们是根据染色体的个体性和(通过细胞有丝分裂周期的)连续性进行推理的

不分离

布里奇斯(摩根小组的成员之一)干1914年为染色体遗传学说提供了一个更有说服力的证明。当一个白眼雌果蝇(在两个X染色体上都具有隐性白色等位基因)和一个正常红眼雄果蝇(在其单个X染色体上带有显性红色等位基因)进行杂交时,F1代产生相同数目的杂合性红眼雌蝇和白眼雄蝇。这是两个亲本的遗传组成所决定的,必然如此。但是在摩根的实验室中出现了一种异常的果蝇品系,在这样的杂交试验中这一品系的果蝇在其F1代中约有4.3%是白眼雌蝇和红眼雄蝇。关于这试验的细节和解释,在经典遗传学教科书中都有详细介绍,这里不再重复。布里奇斯曾设想这一品系的雌果蝇不仅有两个X染色体还有一个雄性Y染色体。这一XXY雌果蝇可能是当一个具有两个XX染色体的异常卵子(由于减数分裂中的差错)被一个Y精于授精后产生的。当这样的一个具有三个性染色体(两个X,一个Y的个体在形成配子时,或者这两个X染色体进到不同的配子(卵子)中,形成X和XY卵子(实际上所形成的配子中91.8%就是这种情况)多或者是两个X进入一个卵子,Y进到另一个卵子,形成XX和Y卵子(约占8.2%)。经过正常的、带有X或Y的精子授精,XXX和YY合子不能生存而死亡,然而有少数的特殊红眼雄蝇(XY)和白眼雌蝇(XXy)产生(见图3)。布里奇斯的设想后来由细胞学观察证实,即证实了这一品系的果蝇有XXY雌蝇和XYY雄蝇存在

在此以前(Wilson,1909)和以后,还先后发现了一些不分离现象,包括个体含有额外的常染色体。例如人类中有三个21号染色体,被称为由于不分离的21号染色体三体,它是唐氏先天愚症(Down’s Syndrome伸舌白痴)的原因。在很多种植物中有的个体具有额外的染色体(三体)或失去了一个常染色体(单体)。这些个体能够生存并被用来研究同一基因的各种平衡效应。例如曼陀罗属12对染色体的任何一种三体不仅能够存活并且有特殊的形态。烟草属23对染色体的任一种单体也是如此

布里奇斯这项研究的重要意义在于它第一次提供了性连锁基因是由X染色体携带的直接证明。他的结论在后来一再被证实。自此以后就更加没有理由反对染色体学说,虽然还有少数学者,如贝特森和 Goldschmidt,仍然怀疑,甚至摩根也在一定程度上表现模棱两可

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