发现之路——孟德尔诞辰200周年回顾|孟德尔|实验|性状|生物学|遗传学

撰文、编译 | 啾啾椰

格雷戈尔·孟德尔（Gregor Johann Mendel，1822年7月20日-1884年1月6日），奥地利科学家，天主教修道士，被誉为遗传学创始人，他的豌豆杂交实验至今还被用于讲授遗传学基础。

教科书上简单地说孟德尔利用豌豆杂交实验来研究遗传学定律，然而这掩盖了孟德尔的真实意图。在那个合子和配子概念还未产生的时代，孟德尔真正关心什么？他为之做了什么？他认为自己发现了什么？

2022年7月11日，荷兰Keygene N.V, Wageningen的Peter J. van Dijk在Nature Genetics上发表了文章How did Mendel arrive at his discoveries?，从历史资料出发，系统性回顾了孟德尔的发现。在今年，即孟德尔诞辰200周年之际，让我们跟随这篇文章，一同走近孟德尔的发现之路。

1866年的论文内容

孟德尔本人在1866年发表的论文中首先提到一个观察现象，即观赏植物中来自两个自交系的F1都具有一致的性状。孟德尔从这个现象出发，解释说他的目标是“跟踪杂交后代的发展”。这一表达让人想起他在维也纳的植物学教授弗朗茨·昂格尔（Franz Unger），弗朗茨将亲本植物及其后代视为一个由血统连接的整体【1】。孟德尔说，目前为止还没有对杂交后代的所有后代进行分类并确定它们的数量关系的研究。因此，他开始着手研究 F2 。

关于实验植物的选择，孟德尔说：“选择豆科是由于它们特定的花结构。”【2】孟德尔描述了七对区别稳定性状的遗传——五个植物本身特征：花的颜色、成熟豆荚的形状、未成熟豆荚的颜色、花的位置和茎长的差异。其余两个种子特征：颜色（黄色与绿色）和形状（圆形与皱纹）。

尽管 1866 年的论文中，这项研究拥有合乎逻辑的线性进展，但实际上研究路径很少是线性的，往往比纸面上展现出的更加错综复杂。研究计划和目标可以随着研究进行而修改，或在撰写论文时重新制定；孟德尔在给 Nägeli 的第二封信中写道，对 34 个豌豆品种的第一次试验是在 1854 年春天进行的，这说明实验计划一定是在 1853 年左右制定的，从豌豆实验的第一次计划到结果出版，有 12 年的时间。因此，最初的原因并非论文中描述的这么简单。

图1：孟德尔对Gärtner所著《植物界杂交实验与观察》的最后一页注释

孟德尔想要发现什么？

关于孟德尔最初开始研究的原因，主要有三种观点。

第一种基于Fisher的说法，即孟德尔从一开始就有一个全面的理论。De Beer说，“这是天才的标志”【3】。Mayr对此写道：“（孟德尔）实验的整个计划、对他的方法的解释以及对材料的选择，都说明在他工作的早期就已经形成了一个完善的理论，并且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理论驱动的，而是完全经验归纳的。1979 年，Olby 发表了一篇有着煽动性标题的文章 Mendel no Mendelian?【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最初的意图。Olby发现孟德尔论文的标题中缺少“遗传”（Erblichkeit）这个词，并据此认为，孟德尔主要不是对性状的遗传感兴趣，而是对 F1 杂种是否可以产生新物种感兴趣。

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，虽然孟德尔没有一个预先想好的理论，但他的出发点是非混合遗传假设【6】。在研究过程中，他根据实验提出了新的假设，然后通过后续实验（假设-演绎法）进行测试。

孟德尔的遗传学来自蔬菜育种计划

与上述以基础科学问题为出发点，关于孟德尔研究原因的猜想相反的是，孟德尔早期很重视育种应用。孟德尔早期有两篇文章都与害虫有关，第一篇关于萝卜蛾【7】，第二篇关于豌豆象鼻虫 (Bruchus pisorum)【8】。孟德尔很关心豌豆，他将豌豆称为“最有营养的作物之一”。

1861 年 7 月，Brünn 报纸 Neuigkeiten 的一篇文章赞扬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 Nägeli 的第二封信中写道，他在 1859 年“获得了一个非常肥沃的后代，种子大而美味”，并且在接下来的六年里每年都在修道院的菜园中种植它。

修道院一向有与庄园相关的动物饲养和园艺传统。自 1850 年代初以来，人们对培育蔬菜作物品种的兴趣日益浓厚。1852 年 1 月，巴伐利亚园艺学会杂志发表了一篇论文 “Crossing, Especially Garden Vegetables（杂交吧，花园蔬菜！）” ，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，因为修道院院长Napp 和 Mendel 都阅读了该杂志。

因此，孟德尔一开始的研究动力很可能来自植物育种。

1861 年 7 月 26 日在 Neuigkeiten 的一篇短文，以及英文翻译

对孟德尔研究过程的还原

在一个干燥 F1 植物标本（图3）中，可以在 F1 植物上对 F2 种子表型进行评分和计数。黄色与绿色、圆与皱的比例分别为24:13和30:7，与3: 1没有明显偏差。两个P植物之间的单次杂交很容易产生30个F1种子，在自花受精后很容易产生900个F2种子，就很容易得到3：1的比例。

图3：自交 F1 豌豆植物豆荚中 F2 种子性状的分离。

孟德尔对数字的敏感度有助于分离比的发现。其他研究人员（例如 Seton、Goss等）也研究了豌豆的种子颜色和形状，但都没有认识到常规的分离比率。孟德尔曾在维也纳大学学习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，并了解变化和随机性等现象。他似乎对数字很感兴趣，而且非常一丝不苟。孟德尔和他的朋友 Pavel Olexík 进行的气象观测得到了这样的评价，“与 Olexík 的有些杂乱无章的数据相比，孟德尔的数据非常清晰”。这种“有准备的头脑”可能使他能够认识到植物育种杂交的种子性状中反复出现的 3:1 分离模式。

研究的发展很有可能是这样的：到 1856 年秋天，孟德尔注意到了黄色和圆形种子在 F1 中的主导地位。第二年，他注意到 F2 的 3:1 分离，而在 1858 年，他将 3:1 的比例分解为 1:2:1 。在发现种子性状的显着遗传比率后，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。而对植物特性的研究需要付出更多的劳动力和种植空间。

性状分离比的理论解释

观察到了现象，孟德尔需要寻求理论解释。孟德尔选定了 22 个品种，这一大规模研究计划至少需要 24,000 株植物，如此庞大的付出必须得到修道院长 Napp 的同意。而 Napp 不仅对应用育种感兴趣，还明白纯科学研究的重要性。在 1837 年关于绵羊饲养的讨论中，Napp曾问：“什么是遗传，怎么进行遗传？”【10】

在寻求分离比的生物学解释时，孟德尔将目光转向了花粉和卵细胞。然而，细胞理论本身仍然不完整。1838 年 Schleiden 和 Schwann 的精细胞理论指出，细胞是生物体的普遍成分【11】。直到 1850 年代，细胞才被普遍认为是永久性结构，用 Rudolph Virchow 的话来说， “每个细胞都源自预先存在的细胞”。细胞分裂的机制也不明确，直到 1880 年代，有丝分裂才为子细胞的准确分裂和准确分配提供了一种机制。

在 1854 年孟德尔研究之初，开花植物受精的细胞机制也存在不确定性。大多数研究人员，包括孟德尔的植物学教授昂格尔，都认为胚胎是在卵细胞与花粉管接触后从卵细胞发育而来的。1858 年 5 月，孟德尔的朋友Johann Nave作了题为“关于藻类的发育和繁殖”的讲座，强调了藻类和开花植物之间受精过程的类比。Nave 激发了孟德尔植物育种工作理论的兴趣。孟德尔提出，对于给定的特征，杂种产生相等数量的两种类型的生殖细胞，其中一种生殖细胞仅包含一种“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体的基础”（现在的合子），两种元素结合，产生新生物体特征。在自我受精和回交实验中，孟德尔测试并证实了这一提议的预测。

倘若以19 世纪中叶已知的细胞理论基础来看待孟德尔的理论，会发现孟德尔比他的时代领先了几十年。他推论成对元素分离成不同的子细胞。他可能不是依据理论和假设开始的工作，而是根据经验进行，但这并不妨碍他理解遗传的含义。孟德尔是遗传学当之无愧的创始人。

被尘封的发现

孟德尔在 1866 年的论文中，有逻辑地提出了他的豌豆实验，好像它们从一开始就是为了解决性状遗传问题而计划的。1866 年除夕夜，孟德尔向慕尼黑的 Nägeli 寄了一份重印本，并附上一封长长的求职信。Nägeli 回答说，他认为孟德尔也会在其它物种中重复这一发现。

在给 Nägeli 的第二封信（1867 年 4 月）中，孟德尔写道，他的工作很难与当代科学知识相协调，他的演讲收到了不同的反应。虽然 Nägeli 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，他没有看到孟德尔发现的重要性。

孟德尔工作的重要性花了将近 35 年的时间才被理解。Hugo De Vries、Carl Correns 和 Erich von Tschermak 在 1900 年的出版物标志着人们开始理解孟德尔的发现。而此时孟德尔已经死了 16 年，他的笔记也不复存在了。

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，也有基础科学研究计划。对种子性状分离的观察触发了孟德尔的科学研究计划，并使得孟德尔发现了遗传规则。在发现分离比之后，孟德尔走得更远，他为分离比规则提出了细胞生物学解释。孟德尔在1866 年论文中解释了性状如何从父母传给后代的机制。孟德尔在19世纪的科学家中独树一帜，他进行了一系列定量实验，并得出了结论。即使在出版后，他的作品也难以被理解，被忽视了35年之久。

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

制版人：十一

参考文献

1. Unger, F. Botanische Briefe (C. Gerold & Sohn, 1852).

2. Mendel, G. Versuche über Pflanzen-hybriden. Verh. Ver. Brünn 4, 3–47 (1866).

3. De Beer, G. Mendel, Darwin and Fisher (1865–1965). Notes Rec. R. Soc. 19, 192–226 (1964).

4. Mayr, E. The Growth of Biological Thought (Harvard University Press, 1982).

5. Olby, R. C. Mendel no Mendelian?Hist. Sci.17, 57–72 (1979).

6. Orel, V. & Hartl, D. L. Controversies in the interpretation of Mendel’s discovery.Hist. Philos. Life Sci.16, 423–464 (1994).

7. Mendel, G. Über Verwüstung im Gartenrettich durch Raupen (Botys margaritalis). Verh. Zool.-Bot. Verein. Wien. 3, 116–168 (1853).

8. Mendel, G. Über Bruchus pisi, mitgeteilt von V. Kollar. Verh. Zool.-Bot. Verein. Wien. 4, 27–28 (1854).

9. Van Dijk, P. J., Weissing, F. J. & Ellis, T. H. N. How Mendel’s interest in inheritance grew out of plant improvement.Genetics210, 347–355 (2018).