從遺傳學(xué)材料的變更管窺遺傳學(xué)的發(fā)展史

易永春

遺傳學(xué)的發(fā)展大致可以分為三個(gè)時(shí)期：細(xì)胞遺傳學(xué)時(shí)期、微生物遺傳學(xué)時(shí)期和分子遺傳學(xué)時(shí)期。科學(xué)家在研究生物遺傳時(shí)，用到了很多實(shí)驗(yàn)材料，通過對這些實(shí)驗(yàn)材料變更的分析，可以反映遺傳學(xué)的發(fā)展。

1 細(xì)胞遺傳學(xué)時(shí)期

1.1 細(xì)胞遺傳學(xué)的發(fā)展史

孟德爾于1856～1864年在他所在修道院的小花園內(nèi)對豌豆進(jìn)行了雜交實(shí)驗(yàn)，于1865年在當(dāng)?shù)卣匍_的自然科學(xué)學(xué)會(huì)上宣讀了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。他認(rèn)為生物性狀的遺傳是受遺傳因子控制的，并提出了遺傳因子分離和自由組合的基本遺傳規(guī)律。

在1875～1884年間，德國解剖學(xué)家和細(xì)胞學(xué)家弗萊明在動(dòng)物中，德國植物學(xué)家和細(xì)胞學(xué)家施特拉斯布格在植物中，分別發(fā)現(xiàn)了有絲分裂、減數(shù)分裂、染色體的縱向分裂以及分裂后的趨向兩極的行為；比利時(shí)動(dòng)物學(xué)家貝內(nèi)登還觀察到馬副蛔蟲的每一個(gè)身體細(xì)胞中含有等數(shù)的染色體；德國動(dòng)物學(xué)家赫特維希在動(dòng)物中，施特拉斯布格在植物中分別發(fā)現(xiàn)受精現(xiàn)象。這些發(fā)現(xiàn)都為遺傳的染色體學(xué)說奠定了基礎(chǔ)。

1903年薩頓發(fā)現(xiàn)染色體行為與遺傳因子的行為一致，于是提出了染色體是遺傳因子的載體的觀點(diǎn)。

約在1910年，美國遺傳學(xué)家摩爾根及其同事根據(jù)對普通果蠅的研究，確定了基因是染色體上的分散單位，在染色體上呈直線排列，提出了基因的連鎖交換規(guī)律，并結(jié)合當(dāng)時(shí)的細(xì)胞學(xué)成就，創(chuàng)立了以染色體遺傳為核心的細(xì)胞遺傳學(xué)。

細(xì)胞遺傳學(xué)時(shí)期大致是1910～1940年，可從美國遺傳學(xué)家和發(fā)育生物學(xué)家摩爾根在1910年發(fā)表關(guān)于果蠅的性連鎖遺傳開始，到1941年美國遺傳學(xué)家比德爾和美國生物化學(xué)家塔特姆發(fā)表關(guān)于鏈孢霉的營養(yǎng)缺陷型方面的研究結(jié)果為止。因顯微技術(shù)所限，該時(shí)期細(xì)胞遺傳學(xué)材料主要集中于各種動(dòng)植物。

1.2 細(xì)胞遺傳學(xué)時(shí)期幾種常用遺傳學(xué)材料

1.2.1 豌豆

豌豆屬豆科植物，一年生藤本作物，羽狀復(fù)葉，小葉卵形，開白色或淡紫色的花，果實(shí)有莢。嫩莢和種子供食用。

作為遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)材料的優(yōu)點(diǎn)是：自花傳粉，閉花授粉；品種間性狀差別顯著，且相對性狀多；花大，便于操作，成熟的種子保留在豆莢中，不容易脫落，利于觀察和統(tǒng)計(jì)。

1.2.2 果蠅

果蠅是果蠅科果蠅屬昆蟲，約1 000種。廣泛用作遺傳和進(jìn)化的室內(nèi)外研究材料，尤其是黃果蠅易于培育。其生活史短，在室溫下不到兩周。其生活環(huán)境有些種生活在腐爛水果上，有些種則在真菌或肉質(zhì)的花中生活。

作為實(shí)驗(yàn)動(dòng)物，果蠅有很多優(yōu)點(diǎn)。飼養(yǎng)容易，并且繁殖快，在25℃左右下約10 d就繁殖一代，一只雌果蠅一代能繁殖數(shù)百只。同時(shí)果蠅只有四對染色體，數(shù)量少而且形狀有明顯差別，便宜觀察；并且果蠅性狀變異很多，比如眼睛的顏色、翅膀的形狀等性狀都有多種變異。這些特點(diǎn)對遺傳學(xué)研究也有很大好處。

1.2.3 玉米

玉米是一年生禾本科草本植物。植株高大，莖強(qiáng)壯，挺直。葉窄而大，邊緣波狀，于莖的兩側(cè)互生。雄花花序穗狀頂生。雌花花穗腋生。玉米是遺傳學(xué)研究的良好材料，其理由如下：玉米開單性花，雌雄同株（可同株受精也可異株受粉），雌雄蕊長在不同花序上，去雄容易雜交方便；很多性狀可在種子上看到，種子雖然長在母株上的果穗上，但已是下一代了；同一果穗上有幾百粒種子，便于統(tǒng)計(jì)分析；生長周期短；具有易于區(qū)分的相對性狀。

2 微生物遺傳學(xué)時(shí)期

2.1 微生物遺傳學(xué)發(fā)展史

大致是1940～1960年，從1941年比德爾和塔特姆發(fā)表關(guān)于脈孢霉屬中的研究結(jié)果開始，到1960～1961年法國分子遺傳學(xué)家雅各布和莫諾發(fā)表關(guān)于大腸桿菌的操縱子學(xué)說為止。在這一時(shí)期中，采用微生物作為材料研究基因的原初作用、精細(xì)結(jié)構(gòu)、化學(xué)本質(zhì)、突變機(jī)制以及細(xì)菌的基因重組、基因調(diào)控等，取得了已往在高等動(dòng)植物研究中難以取得的成果，從而豐富了遺傳學(xué)的基礎(chǔ)理論。1900～1910年人們只認(rèn)識(shí)到孟德爾定律廣泛適用于高等動(dòng)植物，微生物遺傳學(xué)時(shí)期的工作成就則使人們認(rèn)識(shí)到遺傳學(xué)的基本規(guī)律適用于包括人和噬菌體在內(nèi)的一切生物。

2.2 微生物作為遺傳學(xué)研究材料的優(yōu)點(diǎn)

大約從1910年～1930年間的主要成就是闡明遺傳物質(zhì)的傳遞規(guī)律，包括染色體變異和進(jìn)化的研究在內(nèi)，從20世紀(jì)40年代起則主要是闡明基因突變機(jī)制和基因作用機(jī)制，而在這些研究中，微生物方面的研究占有重要地位。微生物作為研究遺傳學(xué)的材料有如下優(yōu)點(diǎn)：① 便于獲得營養(yǎng)缺陷型；② 便于作為基因作用研究的材料；③ 便于作為基因突變的研究材料；④ 便于作為研究雜交、轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)化等現(xiàn)象的材料；⑤ 便于作為基因精細(xì)結(jié)構(gòu)的研究材料；⑥ 能被用作研究復(fù)雜體制的生物的簡單模型，常用大腸桿菌和噬菌體。

腸埃希氏菌通常稱為大腸桿菌，是Escherich在1885年發(fā)現(xiàn)的，是一種普通的原核生物，屬細(xì)菌。

2.3 常用的微生物——紅色面包霉

紅色面包霉（2n=14）是一類被稱為子囊菌的真菌中的一種。子囊菌門是最大的一個(gè)真菌門類。其營養(yǎng)體由單倍體多細(xì)胞菌絲體和分生孢子所組成。紅色面包霉的生活史包括無性和有性兩個(gè)世代，其無性世代是通過菌絲的有絲分裂發(fā)育成菌絲體，或由分生孢子發(fā)芽形成新的菌絲體。而有性世代是由兩種不同生理類型（接合型）菌絲或稱不同的接合型通過融合，或異型核結(jié)合形成二倍體合子。合子形成后進(jìn)行減數(shù)分裂產(chǎn)生4個(gè)單倍體的核，稱為四分孢子，四分孢子再經(jīng)一次有絲分裂形成8個(gè)子囊孢子，并以4對“雙生”，成線性排列在子囊中。

作為遺傳學(xué)研究的材料其優(yōu)點(diǎn)有：① 因?yàn)槭菃伪扼w，染有顯隱性的復(fù)雜問題，基因型直接在表現(xiàn)型上反映出來；② 一次只分析一個(gè)減數(shù)分裂的產(chǎn)物；③ 個(gè)體小，生長快，易于培養(yǎng)，一次雜交可產(chǎn)生大量后代，便于科學(xué)統(tǒng)計(jì)；④ 生殖方式是有性生殖，染色體的結(jié)構(gòu)和功能也與高等生物類似。

3 分子遺傳學(xué)時(shí)期

3.1 分子遺傳學(xué)發(fā)展史

1953年，美國分子生物學(xué)家沃森和英國分子生物學(xué)家克里克提出DNA的雙螺旋模型標(biāo)志著遺傳學(xué)研究進(jìn)入分子遺傳學(xué)時(shí)期。

分子遺傳學(xué)是在微生物遺傳學(xué)和生物化學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。分子遺傳學(xué)的基礎(chǔ)研究工作都以微生物，特別是以大腸桿菌和它的噬菌體作為研究材料完成的；它的一些重要概念如基因和蛋白質(zhì)的線性對應(yīng)關(guān)系、基因調(diào)控等也都來自微生物遺傳學(xué)的研究。分子遺傳學(xué)在原核生物領(lǐng)域取得上述許多成就后，才逐漸在真核生物方面開展起來。

正像細(xì)胞遺傳學(xué)研究推動(dòng)了群體遺傳學(xué)和進(jìn)化遺傳學(xué)的發(fā)展一樣，分子遺傳學(xué)也推動(dòng)了其他遺傳學(xué)分支學(xué)科的發(fā)展。遺傳工程是在細(xì)菌質(zhì)粒和噬苗體以及限制性內(nèi)切酶研究的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它不但可以應(yīng)用于工、農(nóng)、醫(yī)各個(gè)方面，而且還進(jìn)一步推進(jìn)分子遺傳學(xué)和其他遺傳學(xué)分支學(xué)科的研究。

3.2 分子遺傳學(xué)常用材料

3.2.1 大腸桿菌

大腸桿菌是人和許多動(dòng)物腸道中最主要且數(shù)量最多的一種細(xì)菌，周身鞭毛，能運(yùn)動(dòng)，無芽孢。其主要特征如下：

（1） 大腸桿菌是細(xì)菌，屬于原核生物；具有由肽聚糖組成的細(xì)胞壁，只含有核糖體簡單的細(xì)胞器，沒有細(xì)胞核有擬核；細(xì)胞質(zhì)中的質(zhì)粒常用作基因工程中的運(yùn)載體。

（2） 大腸桿菌的代謝類型是異養(yǎng)兼性厭氧型。

（3） 人體與大腸桿菌的關(guān)系：在不致病的情況下（正常狀況下），可認(rèn)為是互利共生（一般高中階段認(rèn)為是這種關(guān)系）；在致病的情況下，可認(rèn)為是寄生。

（4） 培養(yǎng)基中加入伊紅美藍(lán)遇大腸桿菌，菌落呈深紫色，并有金屬光澤，可鑒別大腸桿菌是否存在。

（5） 大腸桿菌在生物技術(shù)中的應(yīng)用：大腸桿菌作為外源基因表達(dá)的宿主，遺傳背景清楚，技術(shù)操作簡單，培養(yǎng)條件簡單，大規(guī)模發(fā)酵經(jīng)濟(jì)，倍受遺傳工程專家的重視。目前大腸桿菌是應(yīng)用最廣泛最成功的表達(dá)體系，常做高效表達(dá)的首選體系。

（6） 大腸桿菌在生態(tài)系統(tǒng)中的地位，若生活在大腸內(nèi)，屬于消費(fèi)者，若生活在體外則屬于分解者。

（7） 它的基因組DNA為擬核中的一個(gè)環(huán)狀分子，同時(shí)可以有多個(gè)環(huán)狀質(zhì)粒DNA。

大腸桿菌作為遺傳學(xué)材料的優(yōu)點(diǎn)是：體積小、結(jié)構(gòu)簡單（擬核中只有一個(gè)環(huán)狀DNA分子）、繁殖迅速、容易培養(yǎng)、變異類型容易選取。

3.2.2 噬菌體

噬菌體是感染細(xì)菌、真菌、放線菌或螺旋體等微生物的細(xì)菌病毒的總稱。噬菌體具有病毒特有的特性：個(gè)體微小；不具有細(xì)胞結(jié)構(gòu)；只含有單一核酸。噬菌體基因組含有許多個(gè)基因（比細(xì)菌少），但所有已知的噬菌體都是在細(xì)菌細(xì)胞中利用細(xì)菌的核糖體、蛋白質(zhì)合成時(shí)所需的各種因子、各種氨基酸和能量產(chǎn)生系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)其自身的生長和增殖。一旦離開了宿主細(xì)胞，噬菌體既不能生長，也不能復(fù)制，即不能獨(dú)立完成代謝。

主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，只有一種核酸和蛋白質(zhì)外殼，容易觀察到因遺傳物質(zhì)改變導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)和功能的變化；繁殖快；觀察方便（通過觀察噬菌體斑的形態(tài)和數(shù)量）。