歐洲動(dòng)、植物育種技術(shù)與孟德爾發(fā)現(xiàn)遺傳學(xué)定律的關(guān)系*

朱 麗 趙曉溪 吳清梅 劉維東 耿甜甜 孫 坤 張 輝

（西北師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院 甘肅蘭州 730070）

孟德爾是遺傳學(xué)的奠基人，被譽(yù)為“遺傳學(xué)之父”。有研究發(fā)現(xiàn)，1861年布爾諾當(dāng)?shù)氐膱?bào)紙直接稱孟德爾為“育種家”，推測孟德爾關(guān)于遺傳規(guī)律的興趣可能與其育種實(shí)踐有關(guān)[1]。也有研究表明，孟德爾終其一生都在從事園藝植物育種活動(dòng)，是一位名副其實(shí)的“園藝育種學(xué)家”[2]。本文以歐洲動(dòng)、植物雜交育種技術(shù)的發(fā)展及其在布爾諾地區(qū)的傳播交流為線索，梳理了系譜選擇和回交育種這2 種育種技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)及對孟德爾豌豆實(shí)驗(yàn)的影響，進(jìn)一步探究了科學(xué)育種與孟德爾揭示遺傳定律的關(guān)系。

1 歐洲動(dòng)、植物育種技術(shù)發(fā)展的簡要?dú)v程

選擇優(yōu)良的親本有利于培育優(yōu)質(zhì)后代，這是人們在生產(chǎn)、生活中對遺傳規(guī)律的初級認(rèn)識(shí)。當(dāng)人們在動(dòng)、植物生產(chǎn)中選擇保留優(yōu)良個(gè)體用于后代繁育時(shí)，便形成了最初的選擇育種技術(shù)（selective breeding）。18—19 世紀(jì)的歐洲工業(yè)革命極大地推動(dòng)了當(dāng)?shù)丶徔棙I(yè)的發(fā)展。為了滿足對優(yōu)質(zhì)羊毛的需求，人們開始尋求生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)羊毛的方法，進(jìn)行更有針對性的育種，在此過程中，雜交育種的方法應(yīng)運(yùn)而生。人們探索得到的綿羊育種技術(shù)在這一時(shí)期的農(nóng)業(yè)著作中有詳細(xì)記錄，這使得歐洲綿羊育種技術(shù)在其他牲畜及園藝植物中得到了廣泛應(yīng)用。其中，最具代表性的是阿爾斯特默（Alstromer J.,1685—1761）、貝克韋爾（Bakewell R.,1725—1795）和蓋斯勒恩（Geisslern F.,1751—1824）等綿羊育種先驅(qū)的育種技術(shù)。

瑞典的阿爾斯特默最早于1723年進(jìn)口西班牙的美利奴羊以改良本地品種，他通過足夠的回交世代將外來品種的優(yōu)良品質(zhì)引入并固定于本地品種中。事實(shí)上，引種改良技術(shù)早先誕生于17 世紀(jì)的英國，是公認(rèn)的用于賽馬繁育的成功途徑。該技術(shù)將精心挑選的母馬與純種非洲公馬或阿拉伯公馬重復(fù)交配多代以產(chǎn)生所需的品種，旨在增加高貴血統(tǒng)的比例，這是“升級改良（grading up）”的過程。在回交4 代后，所需血統(tǒng)的比例幾乎達(dá)到95%，此數(shù)字于1667年被卡文迪什（Cavendish）發(fā)現(xiàn)并記錄[3]。1727年阿爾斯特默出版了第1 本指導(dǎo)瑞典美利奴羊養(yǎng)殖的操作手冊。1752年他的同胞哈斯特弗（Hastfer）的《關(guān)于養(yǎng)羊和羊毛改良的指南》更具影響力，書中建議將最好的西班牙進(jìn)口公羊與當(dāng)?shù)啬秆蜻M(jìn)行連續(xù)回交，并認(rèn)為需要回交3～4 代才能產(chǎn)生預(yù)期的改進(jìn)效果[4]，這一過程現(xiàn)在被稱為“多代回交”或“回交育種”。

英國育種家貝克韋爾[4]是早期提倡近交繁殖技術(shù)的代表人物，于18 世紀(jì)40年代率先采用該技術(shù)改良羊毛質(zhì)量。他認(rèn)為品種內(nèi)部的某些特征可通過血液遺傳，但僅有優(yōu)良的血統(tǒng)是不夠的，必須將選擇育種技術(shù)與近親的可育雜交技術(shù)相結(jié)合以固定所需的性狀。他主張持續(xù)使用一個(gè)或幾個(gè)優(yōu)質(zhì)的雄性親本，反對不斷地從其他地區(qū)引進(jìn)雄性牲畜。在開展綿羊繁育時(shí)，他將偶然產(chǎn)生的優(yōu)良品種混在一起繼續(xù)選擇優(yōu)質(zhì)的個(gè)體，以使群體盡可能接近一致，他將此過程稱為“持續(xù)自交（breeding in-and-in）”。但這一做法受到人們的強(qiáng)烈反對，認(rèn)為這有悖倫理。1786年，貝克韋爾的學(xué)生庫里（Culley）出版的《家畜觀察》一書記錄了貝克韋爾的育種思想，傳播了他的雜交育種技術(shù)。

與孟德爾同在摩拉維亞的蓋斯勒恩于18 世紀(jì)80年代中期開始綿羊育種，在改良羊毛質(zhì)量時(shí)，首先將精心挑選的當(dāng)?shù)啬秆蚺c美利奴公羊升級改良得到性狀表現(xiàn)優(yōu)良的“高貴品系”，該高貴品系不再與其他種畜混合進(jìn)而培育為“純正的高貴品系”，這意味著最嚴(yán)格的近親繁殖。此舉不僅保持了良好的羊毛品質(zhì)，還將進(jìn)口品種變成更適合當(dāng)?shù)丨h(huán)境的品種，蓋斯勒恩也因此被譽(yù)為“摩拉維亞的貝克韋爾”或“奧地利的貝克韋爾”。蓋斯勒恩的學(xué)生魯?shù)婪颍ˋndre）在《基于自然和經(jīng)驗(yàn)的原則指導(dǎo)綿羊改良》一書中詳細(xì)記載了蓋斯勒恩的育種技術(shù)[4-5]，育種經(jīng)驗(yàn)集結(jié)成書為育種知識(shí)的傳播提供了可能。蓋斯勒恩既熟悉通過多代回交可改良土著品種，也能熟練地通過持續(xù)自交純化固定目的性狀，這2 種育種技術(shù)在布爾諾地區(qū)的實(shí)踐和推廣為孟德爾開展豌豆雜交實(shí)驗(yàn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 孟德爾豌豆雜交實(shí)驗(yàn)是對育種技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展

在孟德爾出生之前，布爾諾就有了豐富的動(dòng)、植物育種實(shí)踐和濃厚的學(xué)術(shù)研究氛圍，魯?shù)婪虻母赣H安德烈（Andre）對此發(fā)揮了極大的推動(dòng)作用。安德烈于1814年成立的綿羊育種協(xié)會(huì)（SBA）旨在解決當(dāng)?shù)氐木d羊育種問題，1816年創(chuàng)立的果樹協(xié)會(huì)（PA）致力于植物育種，這2個(gè)協(xié)會(huì)成為當(dāng)?shù)靥接懹N技術(shù)和傳播育種知識(shí)的學(xué)術(shù)團(tuán)體，協(xié)會(huì)主辦的期刊《經(jīng)濟(jì)新聞與議事錄》（ONV）發(fā)表了涵蓋動(dòng)、植物育種各個(gè)學(xué)科的前沿研究，也記錄了大量關(guān)于育種方面的報(bào)告和心得[3,6]。收錄在當(dāng)?shù)貓D書館的期刊和書籍，為孟德爾接觸、學(xué)習(xí)和掌握當(dāng)?shù)爻晒Φ挠N技術(shù)創(chuàng)造了條件。

孟德爾于1822年出生在奧地利的一個(gè)農(nóng)民家庭，從小受到父親園藝栽培活動(dòng)的熏陶，也學(xué)會(huì)了不少園藝嫁接等實(shí)踐技能。1843年，孟德爾進(jìn)入布爾諾的奧古斯汀修道院后便接受農(nóng)業(yè)協(xié)會(huì)和果樹協(xié)會(huì)會(huì)員凱勒（Keller）的指導(dǎo)。凱勒在西瓜雜交育種方面成就顯著，也潛移默化地影響了孟德爾[7]。1846年，孟德爾參加了迪布爾（Diebl）教授開設(shè)的果樹栽培課程，該課程從理論和實(shí)踐上對植物人工授粉以產(chǎn)生新品種的方法作了講解。1848年，孟德爾從克拉塞爾（Klacel）手中接過并開始打理修道院的植物園，得到了克拉塞爾等前輩在園藝技能方面的指導(dǎo)[7]。1851—1853年，孟德爾在維也納大學(xué)深造期間接受了系統(tǒng)的教育和訓(xùn)練。1854年，孟德爾學(xué)成回到布爾諾后，修道院院長納普（Napp）為孟德爾修建了溫室，支持孟德爾對育種實(shí)踐中的遺傳學(xué)問題進(jìn)行研究。孟德爾對遺傳學(xué)的興趣受到了納普院長的極大影響[1]。

孟德爾通過種子商從德國購買豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的種子，在1854—1855年的預(yù)實(shí)驗(yàn)中，引種材料出現(xiàn)對當(dāng)?shù)丨h(huán)境的不適應(yīng)現(xiàn)象，與當(dāng)初蓋斯勒恩進(jìn)行美利奴羊引種馴化時(shí)的情形非常相似。在繼承了布爾諾地區(qū)成熟的動(dòng)、植物雜交育種技術(shù)的基礎(chǔ)上，孟德爾于1856年啟動(dòng)了豌豆的連續(xù)自交和多代回交的傳代實(shí)驗(yàn)。在孟德爾的《植物雜交實(shí)驗(yàn)》論文中持續(xù)自交和多代回交被分別稱為“返祖（reversion）”和“轉(zhuǎn)化（transformation）”，這2個(gè)現(xiàn)象是德國植物學(xué)家科爾羅伊特（Koelreuter）在植物雜交實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的，孟德爾在論文中也曾多次提到了科爾羅伊特的工作[8-9]。1865年2月，孟德爾在布爾諾自然科學(xué)年會(huì)的第1 次演講中首次報(bào)告了其實(shí)驗(yàn)的相關(guān)內(nèi)容，完整介紹了豌豆雜交實(shí)驗(yàn)的框架是同時(shí)推進(jìn)了自交和回交的系列實(shí)驗(yàn)，比較了“返祖”和“轉(zhuǎn)化”二者過程對性狀固定的速度。孟德爾在報(bào)告中稱，“用親本的花粉授到雜種柱頭上的返祖速度要快于用雜種自己的花粉進(jìn)行自交授粉”[10]。

連續(xù)自交和多代回交這2個(gè)育種策略在現(xiàn)代雜交育種體系中居于核心位置，前者稱為系譜選擇育種（pedigree selection），后者稱為回交育種（backcross breeding）[11]。孟德爾將系譜選擇和回交育種這2 個(gè)策略應(yīng)用于豌豆雜交實(shí)驗(yàn)中，創(chuàng)立了遺傳學(xué)中的自交和回交。在實(shí)驗(yàn)過程中，孟德爾對雜交后代的每種類型植株的相對性狀都進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，即育種中常用的系譜記錄；隨后對各類型植株進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，提出可能存在的比例關(guān)系并設(shè)計(jì)測交實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，即育種中的子代分析，這些都是科學(xué)雜交育種對遺傳學(xué)起源的貢獻(xiàn)。孟德爾在對雜交后代的統(tǒng)計(jì)中引入數(shù)學(xué)，雜交育種技術(shù)的數(shù)學(xué)化揭示了相對性狀在后代傳遞的數(shù)學(xué)特征，從而建立起兩數(shù)和平方公式[12]。整體而言，孟德爾的豌豆雜交實(shí)驗(yàn)實(shí)質(zhì)是豌豆育種實(shí)驗(yàn)，不僅實(shí)驗(yàn)興趣來源于育種實(shí)踐，其實(shí)驗(yàn)的基本框架和理論、研究遺傳學(xué)規(guī)律的思維和方法也來自于育種實(shí)踐。孟德爾同時(shí)具備科學(xué)素養(yǎng)和育種技術(shù)，他直接將掌握的育種技術(shù)移植至遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)中，推動(dòng)了遺傳學(xué)實(shí)驗(yàn)方法的建立，其發(fā)現(xiàn)的遺傳學(xué)規(guī)律也必然促進(jìn)育種技術(shù)的發(fā)展。

雜交育種技術(shù)的出現(xiàn)對人類育種歷史的推動(dòng)是革命性的。遺傳學(xué)的早期倡導(dǎo)者貝特森（Bateson）在1899年的英國皇家園藝學(xué)會(huì)的報(bào)告中提出，園藝育種家要將育種實(shí)踐與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)合，并預(yù)言唯有這樣才能有重大發(fā)現(xiàn)[13]。事實(shí)上，孟德爾正是這樣一位既掌握育種技術(shù)又會(huì)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的優(yōu)秀育種家。遺傳學(xué)起源于孟德爾的雜交育種實(shí)踐，這也符合認(rèn)識(shí)來自實(shí)踐的辯證唯物主義認(rèn)識(shí)論。