豌豆与果蝇
俗话说:“种瓜得瓜,种豆得豆”;“一母生九子,九子各不同”。这说明,我们的祖先很早就在生活和实践中认识到了生物遗传和变异的特性。在我国,秦代时的人们就已经知道用马和驴杂交,以创造出役用价值更高的骡子,说明当时的人们对变异和杂交现象已经有了比较深的认识。当然,我们的先人们进行的大多是一些比较零星的实用性实践活动,并没有对遗传变异进行系统的研究,最早进行比较系统的遗传研究的是奥地利的科学家孟德尔。
说起孟德尔,还有一个令人感叹的故事呢!
1900年春天,荷兰植物学家德菲利斯、德国植物学家考伦斯和奥地利植物学家柴尔马克三人,几乎同时在不同地方通过植物杂交进行遗传实验研究;为了解释自己的试验结果,他们查阅了很多文献;在查阅文献的过程中,三人不约而同的发现了孟德尔于1866年发表的论文《植物杂交的试验》,这才使这篇被埋没了35年之久的论文重见天日,并引起了生物科学界的极大重视,为什么呢?因为孟德尔早在这三位植物学家之前几十年就已经进行了认真周密的实验,并通过实验对生物遗传和变异进行了系统的研究和分析,揭示出了生物的遗传规律。从此,孟德尔被公认为遗传学的奠基人,并以他卓越的科学成就而誉满全球。而此时,他早已离开人间16年了。
孟德尔1822年生于奥地利赞多夫一个贫苦的农民家里。他幼年时很聪明也很好学。在他21岁的时候,因生活困难,被迫中途辍学,进入布隆修道院做见习修道士,虽然孟德尔是一名天主教神父,但在自然科学领域,他却是一名唯物主义者。1851年~1853年,他在维也纳大学学习自然科学,在这期间,他对自然科学产生了浓厚的兴趣。孟德尔博学多才,他不但对植物学感兴趣,对物理学、数学等其他自然科学也都有很深的造诣。
1853年夏,孟德尔又回到了布隆修道院,开始了他艰苦的实验经历。他利用后花园开辟了一块实验地,种植了豌豆、南瓜、紫茉莉、山柳菊、玉米等植物,还饲养了老鼠和蜜蜂,他利用这些植物和小动物作为材料,进行杂交试验。孟德尔最成功的就是豌豆杂交实验,这项遗传实验从1856年开始,直到1864年才结束,共进行了8年之久。
孟德尔在实验方面是非常认真的。他的实验思路谨慎周密,在选材上也很是审慎小心。
他选用豌豆作为主要研究对象就不是偶然的,因为豌豆作为遗传学研究的材料有许多优点:
一是豌豆是严格的自花授粉植物,而且在开花之前就完成了授粉作用,这就避免了由于天然杂交而引起的混杂;其次是豌豆生长期短,容易栽培;还有就是豌豆的花朵较大,便于人工操作,以及豌豆的变异较多等优点。
孟德尔反复研究了豌豆的七种相对性状的遗传变异情况,而且用数学统计的方法分析了实验结果,他发现:开红花的豌豆同开白花的豌豆杂交后,第一代全部开出红花;杂交一代自交产生的杂交二代,开红花的约占3/4,开白花的约占1/4。也就是说,杂交二代豌豆开红花的植株与开白花植株的数量之比是3∶1。
孟德尔在解释这一性状的遗传行为时认为,在开红花的豌豆和开白花的豌豆杂交后,第一代杂交后代全部开红花,这说明豌豆开红花的性状遗传下来了,而且呈显性;而豌豆开白花的性状虽然也存在于豌豆花中,但隐而未现,因此叫做隐性;到了杂交的第二代中,开红花的豌豆占到3/4,其中只含有红花性状的占1/4,同时含有两种性状而红花性状呈显性、白花性状呈隐性的占1/2,开白花的也就是说只含有白花性状的占1/4。这个实验证明,杂交植物的不同性状在它的第一代后代中会全部包含,只不过有显性和隐性的区别;在第二代之后,这些植物的不同性状会通过一定的规律逐步分离出来,返回到其原来的状态中去。这就是著名的孟德尔分离定律。
同时,孟德尔还研究了子叶的颜色、种子的圆皱、植株的高矮等性状的遗传和变异行为。他发现,如果同时考察两对性状,如花色和株高时,性状的分离是互不干扰的,在杂交二代里,红花高秆、红花矮秆、白花高秆和白花矮秆的比例接近于9∶3∶3∶1(高秆为显性性状),这就是植物遗传学上著名的孟德尔独立分配法则。
孟德尔的工作揭示了生物遗传的两个基本规律——分离定律和自由组合定律,后人统称为孟德尔定律。
孟德尔认为植物的每一性状,是由一个遗传因子负责传递的。遗传下来的并不是具体性状,而是遗传因子,因为性细胞里并没有红花、白花等具体性状,他还认为,遗传因子在体细胞内成双存在,而在性细胞内成单,并成颗粒状存在,杂交以后它的颗粒仍保持独立,彼此不融为一体。在杂交产生配子(即性细胞)时,不同遗传因子各自分离开来。并分配到不同的配子里,完整的遗传绐下一代。这就是孟德尔的颗粒遗传因子的概念。
孟德尔的法则与遗传因子的概念,是植物遗传的基本规律,也为生物的基因学说奠定了基础,拉开了现代遗传学研究的帷幕。
到20世纪初,在众多科学家的辛勤努力下,遗传学又有了新的发展,这其中贡献最大的是美国学者摩尔根。摩尔根和他的学生们及其研究组用一种双翅目昆虫——果蝇作为实验材料,对其遗传和变异进行了大量的遗传学和细胞学的研究,提出了染色体遗传理论。
人们大都是饲养猪、狗、猫、鸡、鸭等等,你有没有听说过有人居然喜欢养蝇类,而且成千上万的饲养呢?有这种喜好的人还真的存在,他们便是摩尔根和他的研究组员们。不过摩尔根和他的弟子们养的是一种比较特别的蝇类——果蝇。果蝇的身体很小,饲养成本低、繁殖快,在25摄氏度的时候,果蝇12天就可以繁殖一代,而且一只雌果蝇一次可以生产几千个后代,这就是摩尔根饲养果蝇的原因。事实上,果蝇作为遗传学实验材料还有许多优点,这是摩尔根当时没有想到的。
摩尔根当时用来做实验的雄果蝇具有黑色的身体、紫色眼睛、残缺翅等性状,并且这些性状是可以真实遗传的隐性性状。它们相对应的野生型果蝇是灰色身体、红眼和长翅,这些性状都是显性性状。用具有隐性性状的雄果蝇和具有显性性状的野生型果蝇进行杂交,得到的第一代杂种,全部表现为灰身、红眼和长翅。当把这种杂交的雄性果蝇和具有隐性性状的雌性果蝇做回交实验时,按照孟德尔的自由组合规律,它们的后代应该表现出相等的十六种不同的组合。可是,事实上,它们的后代仅仅出现了两种组合:与它们的祖父母的性状完全一样,不是黑身、紫眼、残翅,就是灰身、红眼、长翅,此外就再也没有其他类型了。
怎么解释这个现象呢?科学家们又遇到了一个大难题。但是,越是有困难就越能激发科学家们的兴趣。为此,不少科学家纷纷进行研究,提出各种假说,但是,只有摩尔根才对这个现象给予了一个成功的解释。
摩尔根首先假定这三个性状的基因都位于一个染色体上,那么,不同染色体上的基因是按照自由组合规律进行分配的,但是在同一条染色体上的基因便不能自由的组合了。摩尔根就把这种现象叫做连锁。后来,科学家们又进行了许多实验,终于证明了连锁现象的存在。
科学家们把连锁在一起的基因叫做连锁群,而且他们发现,不少生物的连锁群和单组染色体个数总是相互吻合的,例如果蝇的单倍染色体数目为4,而果蝇恰恰有4个连锁群;玉米有10对染色体,对于玉米已经研究过的400多个基因也刚好属于10个连锁群;孟德尔实验中所用的豌豆有7对染色体,有趣的是孟德尔所用的7对相对性状的基因恰好位于仅有的7对染色体上,所以也就表现出了自由组合的规律。
后来,摩尔根在实验的过程中发现,具有黄体、白眼两种隐性性状的雄果蝇,同具有显性性状的灰体、红眼的雌果蝇交配,所生出的子女全部都是显性性状;再将杂交第一代的雌果蝇,同具有黄体、白眼两种隐性遗传性状的雄果蝇回交,便会得到4种孙辈个体,4种个体中,有两种和它们的祖父母相同,或者是黄体、白眼,或者是灰体、红眼,占孙代个体总数的99%。这一点说明,亲代联合在一起的性状,在杂交后代中绝大多数还是合在一起的。
可令人奇怪的是,在孙辈后代中还出现了两种新的类型:一种是黄体红眼,另外一种是灰体白眼,这两种类型占后代个体总数的1%。摩尔根认为,这两个基因一定是位于同一染色体上,所以绝大部分(99%)后代依然连锁在一起。可是有少数(1%)个体,在配子形成时,在两个基因间曾经发生了交换,以至于产生了新的组合,他把这种现象称为互换。
摩尔根和以后的学者们为了验证这1%的新个体不是偶尔得到的,而是具有一定规律的,还做了许多实验,对其加以证实、他们在实验中发现,各种不同类型的基因之间的确是存在着一定的互换,而且互换率实际上是高低不一的,这就是遗传学上著名的连锁与互换规律。
真想不到,我们看起来平平常常的豌豆和令人有点讨厌的果蝇,竟然成为人类发现生物遗传规律的载体,看起来,豌豆和果蝇对遗传学发展的贡献可不小呢!
马铃薯
马铃薯又叫土豆、山药蛋、地蛋、洋芋、荷兰薯、爪洼薯等。
马铃薯的生长期短,适应性强,山西有句俗话是这样说的:“五谷无收也无患,只要有二亩山药蛋。”可见马铃薯的地位。所以,人们又把马铃薯称为抗灾备荒作物。
马铃薯在我国既是粮食又是菜,而且它还有产量高、用途多、分布广的特点。马铃薯被收获的部分,我们叫它块茎。它的块茎中含有8%~29%的淀粉,还含有十分丰富的其他营养物质,如蛋白质、糖类、矿物质盐类和维生素B、维生素C;除了含脂肪比较少以外,它所含有的蛋白质、碳水化合物、铁和维生素的含量都比小麦、水稻和玉米的含量要高。同样重量的新鲜薯块产生出来的能量是胡萝卜的2倍、甘蓝的3倍、西红柿的4倍。所以,马铃薯在人们食品中占有很重要的地位,它是高寒山区人民的主要食物。
马铃薯可以用来制造淀粉、糊精、酒精、葡萄糖、合成橡胶、人造丝、电影胶片、糖浆等数十种产品。它还是家畜和家禽的优良饲料。每50公斤茎叶喂猪之后,可以长2.5公斤肉,喂奶牛可以产40公斤牛奶。
马铃薯的老家在南美洲西海岸的智利和秘鲁的安第斯山区,到现在已经有4000多年了。
当地的印第安人首先开始种这个作物,他们管马铃薯叫“巴巴可”。印地第人把马铃薯块冷冻去皮,反复晾晒,晒干后称为“丘宁”,作为食物。
目前,马铃薯种植已经遍布全世界,北至北纬71度,南至南纬40度之间的绝大部分国家都种马铃薯。种马铃薯最多的国家和地区是俄罗斯、中国、美国、波兰、德国、加拿大等国家。从人类消费的粮食总量中进行比较的话,马铃薯的消费量占第五位。特别是在欧洲和北美国家,马铃薯在农业生产中占有相当重要的地位,在有些国家和地区,它是人们的主要食品之一。
中国的蔬菜“名牌”
我国地域辽阔,物产丰富。不同地区、不同生态条件下的蔬菜种类、栽培方式各有千秋,形成了各自的特色,创出了自己的“名牌”。
一、山东的“三辣”
章丘大葱、苍山大蒜、莱芜生姜一齐被称为“山东三辣”。
章丘大葱:章丘位于山东省的中部,海拔30~100米,地势平坦,水源充沛,土层深厚,质地松散,土质肥沃。冬春季干旱,夏季高温多雨,秋季天高气爽、风和日丽,无霜期较长,属典型的大陆性内地气候,以上条件都适于大葱生长发育周期的节律性需要,因此造就了其独特的风味。
苍山大蒜:苍山大蒜是山东省的名特蔬菜,具有头大瓣少、皮薄洁白、粘辣郁香、营养丰富等特点。山东的大蒜栽培大约始于东汉时代,后魏时期的山东农学家贾思勰著《齐民要术》时,山东的大蒜栽培已有了一定的历史和较大的栽培面积。大约300年前,苍山就形成了集中产区。经过长期的自然选择和苍山农民的定向培育,从而形成了今日的“苍山大蒜”。改革开放以后,苍山蒜农科学种蒜,大力发展商品蒜生产。1988年种植面积达9万多亩,亩产蒜头达500~600公斤,蒜薹400~500公斤,总产蒜头5000多万公斤。全县大蒜总产值超亿元,成为苍山农民主要的致富门路。随着产量的增加,外销量也逐年增加,由50年代的几十吨,增加到80年代的6000吨以上,蒜薹的销量也达1000吨以上。苍山大蒜远销中东和欧美各国,为国家换取了大量外汇,提高了中国蔬菜在海外的知名度。
莱芜生姜:姜在我国分布很广,从南到北均有栽培,北方以山东为主要产区,山东又以莱芜姜负有盛名。莱芜姜远销北京、天津、东北、西北和华北,出口日本及东南亚国家,在国际市场享有一定声誉。