豌豆：遺傳學(xué)的幸運(yùn)材料

史軍

豌豆從何而來

豌豆是最早被人類馴化和栽培的作物之一，人類栽培豌豆的時(shí)間長達(dá)7000 年，中國栽培豌豆的時(shí)間可以追溯到春秋時(shí)期。這些小豆子的“老家”在亞洲西部和地中海區(qū)域，在歐洲和近東的新石器時(shí)代的遺址中也曾出土過豌豆。

因?yàn)橥愣棺蚜８缓妓衔?，一直都是人類的重要食物。再加上一年兩次的播種，讓豌豆成為優(yōu)秀的農(nóng)作物。在長期的培育過程中，人類還培育出了很多不同類型的豌豆，比如荷蘭豆。

豌豆是豆科蝶形花亞科的植物，因這個(gè)家族的花朵都像小蝴蝶而得名。這些花朵的共同特征就是分成5 瓣，它們都有自己的名字?；ǘ渖戏阶畲蟮摹⑷缤幻娲笃煺姓沟幕ò杲衅彀?，主要承擔(dān)招蜂引蝶的任務(wù);在旗瓣下方，兩片像小翅膀展開的花瓣叫翼瓣;在翼瓣的下方就是兩片“默默無聞”“吃苦耐勞”的龍骨瓣了，它們一般是蜜蜂等昆蟲在花朵上停留的“踏腳石”。但令人意外的是，豌豆花瓣的功能僅為了保護(hù)花蕊，因?yàn)樵谒鼈兊幕ǘ渚`放之前就已經(jīng)完成了授粉工作。

自花授粉的小花朵

通常來說，花朵之所以美麗，就是為了吸引傳粉昆蟲，讓傳粉昆蟲帶著花粉在花叢中穿梭，這不僅僅是為了繁育后代，更是為了繁育多樣性的后代。傳粉會(huì)帶來更多新的基因組合，更多的基因組合意味著植物能在最大程度上適應(yīng)多變的環(huán)境，獲得更多的生存機(jī)會(huì)。

豌豆花在開放之前，就已經(jīng)用自身的花粉為自身的胚珠進(jìn)行受精。所以，即便傳粉昆蟲來訪，也只是白忙活一場(chǎng)。豌豆這種繁殖方式在環(huán)境穩(wěn)定的條件下，不失為一個(gè)成功的生存策略，只需要強(qiáng)化自身的優(yōu)勢(shì)就足夠了。如同賽馬場(chǎng)上的賽馬，為了追求速度優(yōu)勢(shì)，會(huì)嚴(yán)格保證遺傳基因的純正。除此之外，在外界環(huán)境不穩(wěn)定的情況下，自花授粉植物也可以順利產(chǎn)生種子，這也是自花授粉植物的優(yōu)勢(shì)所在。畢竟再好的基因組合，也是需要以順利產(chǎn)生種子為前提。因此，強(qiáng)化基因交流和自花授粉，是植物應(yīng)對(duì)不同生存環(huán)境的不同策略。

豌豆：遺傳學(xué)材料的基礎(chǔ)

150多年前，生物學(xué)家格雷戈?duì)枴っ系聽栐诔酝愣箷r(shí)忽然發(fā)現(xiàn)，盤中的豌豆粒長相不盡相同，有的是綠色的，有的是黃色的;有的表皮是光滑的，有的表皮則皺巴巴的……為什么會(huì)有這樣的差異呢？

孟德爾還發(fā)現(xiàn)一個(gè)奇特的現(xiàn)象，把豌豆播種下去，黃色豆粒的后代還是黃色的，綠色豆粒的后代還是綠色，光滑豆粒的后代還是光滑的，皺皮豆粒的后代還是皺巴巴的。

那么，如果將擁有不同特性的豌豆進(jìn)行雜交授粉，結(jié)果會(huì)是怎樣的呢？于是，孟德爾開始了一項(xiàng)偉大的實(shí)驗(yàn)。他把這些豌豆都播種在小花園里。然后在豌豆開花之前，去除掉花朵中帶花粉的雄蕊，按照自己設(shè)計(jì)的組合給花朵進(jìn)行人工授粉。

神奇的事情發(fā)生了，不管是用了黃色豌豆的花粉，還是用了黃色豌豆的雌蕊，最終結(jié)出的只有黃色豌豆。而光滑豌豆和皺皮豌豆雜交的結(jié)果是，全部種子的外皮都是光滑的。孟德爾的發(fā)現(xiàn)顯然暗合了中國的那句古話——“龍生龍，鳳生鳳，老鼠兒子會(huì)打洞”，這便是現(xiàn)代遺傳學(xué)的開端。

孟德爾沒有就此止步，他把那些雜交產(chǎn)生黃豌豆和光滑豌豆再次播種下去，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，收獲的種子里面又有了綠色豌豆，并且跟黃色豌豆的比例是1 ∶ 3，而皺皮豌豆和圓粒豌豆的比例同樣是1 ∶ 3。也就是說，綠色和皺粒特征并沒隨著雜交而消失，只是被黃色和圓粒這些特征所“壓制”了，而這些特征的核心恰恰就是我們熟知的基因。這就是遺傳學(xué)中所說的顯隱性定律，人類的單雙眼皮、大小耳垂、ABO 血型莫不如此。

遺憾的是，當(dāng)時(shí)人們對(duì)孟德爾的發(fā)現(xiàn)置若罔聞。直到半個(gè)多世紀(jì)之后，科學(xué)界才重新審視孟德爾的結(jié)論，并給予他足夠的尊敬和榮譽(yù)。

孟德爾的“運(yùn)氣”

孟德爾用豌豆開創(chuàng)了現(xiàn)代遺傳學(xué)。在孟德爾之后，經(jīng)過一百多年的研究，我們知道了染色體、基因、DNA。而這一切，都開始于孟德爾面前的那一盤豌豆。正是因?yàn)槊系聽柕呐Γ诤髞淼娜祟悮v史中，才有很多植物推動(dòng)了人類對(duì)于遺傳學(xué)的認(rèn)識(shí)。

1962年，時(shí)任美國芝加哥大學(xué)校長的遺傳學(xué)大師比德爾在芝加哥大學(xué)進(jìn)行了一次關(guān)于遺傳學(xué)的學(xué)術(shù)演講。在演講中，他講述了孟德爾實(shí)驗(yàn)的幸運(yùn)之處。在隨后的關(guān)于孟德爾的諸多文章中，這個(gè)說法被廣泛引用，成為大家熟知的“運(yùn)氣”（實(shí)驗(yàn)材料）影響科研成果的例子。

孟德爾的開創(chuàng)性研究并不僅僅是運(yùn)氣使然，更重要的是對(duì)好奇心的堅(jiān)持，對(duì)科學(xué)方法的堅(jiān)守，最終成為現(xiàn)代遺傳學(xué)研究的引領(lǐng)者。在今天的豌豆實(shí)驗(yàn)中，孟德爾遵循的科學(xué)精神和科學(xué)思維仍然是科學(xué)實(shí)驗(yàn)的根基，仍然值得我們好好學(xué)習(xí)。

延伸閱讀 孟德爾的成功是因?yàn)椤斑\(yùn)氣”嗎？

有一種說法是，孟德爾之所以能發(fā)現(xiàn)遺傳定律，是因?yàn)樗疫\(yùn)了，孟德爾選擇的7 對(duì)性狀，恰好分布在7 對(duì)同源染色體上。于是在孟德爾進(jìn)行雜交實(shí)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析的時(shí)候，很容易歸納總結(jié)出遺傳學(xué)定律。

但是通過現(xiàn)代基因組研究發(fā)現(xiàn)事實(shí)并非如此，孟德爾研究的7 對(duì)性狀其實(shí)分布在4 對(duì)同源染色體上。其中，控制花色的一對(duì)基因（A/a）和控制子葉顏色的一對(duì)基因（I/i）位于第一對(duì)染色體上;控制花的位置的一對(duì)基因（FA/fa）、控制莖的高度的一對(duì)基因（LE/le）和控制豆莢形狀的一對(duì)基因（V/v）位于第四對(duì)染色體上;控制未成熟豆莢顏色的一對(duì)基因（GP/gp）位于第五對(duì)染色體上;控制種子形狀的一對(duì)基因（R/r）位于第七對(duì)染色體上。