一、基因與遺傳的關係

在生殖的主題中,我們知道生物會藉由有性生殖或無性生殖的過程來產生下一代,同學們請仔細思考在整個生殖過程中,究竟下一代從親代獲得了什麼東西呢?為什麼下一代的生物體會長得像親代的個體呢?

原來在整個生殖過程中,親代將身上的遺傳物質傳遞給了下一代,而此遺傳物質將會影響後代的生長與發育,並控制後代形態及特徵的表現。

例如:人類雙眼皮及單眼皮的特徵、能捲舌或不能捲舌的特徵、膚色的深淺、豌豆植物莖的高矮及種子的顏色等特徵,均是由親代所傳遞下來的遺傳物質所控制的,這種親代將特徵傳遞給下一代的過程,我們就稱之為「遺傳」。而生物所展現出來的種種特徵,我們也以「性狀」一詞作為統一的稱呼。

1.遺傳物質的介紹:

以人類為例,人類細胞核內具有的遺傳物質就是染色體,若將染色體解開來觀察,就能發現其實染色體是由許多細絲狀的物質纏繞所形成的,而這些絲狀物質就是由我們所熟知的DNA(去氧核醣核酸的簡稱及蛋白質所組成。而在細長的DNA上具有許多可以控制不同性狀表現的片段,稱之為「基因」,例如:雙眼皮的基因會控制人體表現出雙眼皮的性狀,豌豆的高莖基因會控制豌豆表現出高莖的性狀。

2.基因的特色:

(1)每一條染色體上具有許多不同的基因,分別控制不同性狀的表現。

(2)控制某一種性狀的基因是成對存在的,而成對的基因位於同源染色體的相對位置上,如下圖所示。

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圖片來源:國立編譯館

 

二、基因如何透過生殖作用傳遞給下一代

1.進行有性生殖的生物,在生殖的過程中,細胞會進行減數分裂產生雌雄配子,此時成對的同源染色體互相分離,而位於同源染色體上的各對基因,也隨染色體分離到配子中,此時每個配子中只具有成對基因的某一個基因而已。而後當精子與卵子結合形成受精卵,此時基因又組合在一起而成對存在於受精卵中。所以我們身上都攜帶著由父親及母親所提供的一半基因,來共同影響我們性狀的表現。

2.進行無性生殖的生物,在生殖的過程中,細胞會直接進行細胞分裂,來產生下一代個體的細胞,所以下一代細胞中的染色體與基因會完全與親代相同,所產生的下一代其性狀也會與親代相同。

 

三、生物遺傳的基本原則

19世紀末期奧地利的孟德爾神父,在教堂花圃中從事豌豆的雜交試驗,並詳細記錄豌豆繁殖結果,再利用推論及運用數學分析的方法,歸納出豌豆遺傳的法則,而被尊稱為遺傳學之父。整個實驗中,孟德爾發現生物的遺傳遵循下列幾個基本的原則。

1.影響豌豆種子顏色的基因具有兩種形式,一種為可讓豌豆種子呈現黃色的基因,另一種為讓種子呈現綠色的基因。當此兩種基因成對存在時,孟德爾發現只有控制黃色種子性狀的基因會表現出來,而蓋過了綠色基因的表現,因此,孟德爾認為控制性狀表現的基因,具有顯性與隱性之分,以豌豆種子性狀為例:控制種子呈現黃色的基因即為顯性基因,可用大寫字母(Y)表示;而控制種子呈現綠色的基因即為隱性基因,可用小寫英文字母(y)代表。

2.以豌豆種子性狀為例,兩個親代豌豆組合後的基因可能有YYYy以及yy三種,稱之為「基因型」,而豌豆種子所表現出來黃色或綠色性狀,稱之為「表現型」,如下表所示。

基因型

表現型

YY

黃色種子

Yy

黃色種子

yy

綠色種子

3.再以豌豆高矮莖的遺傳為例,控制豌豆表現出高莖的基因為顯性基因,常用大寫字母(T)表示,而控制豌豆表現出矮莖的基因為隱性基因,常用小寫字母(t)表示。而豌豆高矮遺傳的過程中,可能會出現TTTttt此三種基因型式的組合,分別會控制豌豆表現出高莖(TT)、高莖(Tt)矮莖(tt)的性狀。

 

四、孟德爾的遺傳實驗

孟德爾共研究了豌豆的七種性狀,用以歸納出遺傳的法則,現在就以豌豆高矮莖的遺傳實驗為例,讓我們起來探討孟德爾進行遺傳實驗的過程。詳細過程請見下圖所示。

1.親代純種性狀個體的篩選
孟德爾在進行豌豆高矮遺傳實驗之前,會先針對高莖及矮莖的豌豆進行篩選,利用高莖豌豆多次的自花授粉,來篩選出純品係的高莖豌豆(TT)而矮莖豌豆亦利用此方法,篩選出純品係的矮莖豌豆(tt)

2.親代雜交並產生第一子代
將所篩選出來的純品系高莖豌豆(TT)及矮莖豌豆(tt)進行雜交,透過人工授粉的方式將矮莖豌豆的花粉傳遞至高豌豆的柱頭上,以便完成受精作用,來產生第一子代的豌豆種子。
在整個受精過程中,矮莖豌豆(tt)透過減數分裂的過程來產生雄配子,減數分裂的過程中,成對的tt基因將會自由且獨立地分配至不同的配子中,得到帶有t基因的雄配子。而高莖豌豆(TT)亦透過減數分裂的過程來產生雌配子,減數分裂的過程中,成對的TT基因將會自由且獨立地分配至不同的配子中,得到帶有T基因的雌配子
透過人工授粉的方法,將矮莖豌豆所產生的雄配子(t)與高莖豌豆所產生的雌配子(T)結合,產生具有Tt基因的第一子代,由於所有第一子代均帶有Tt基因,所以均表現出高莖的性狀。

3.第一子代雜交並產生第二子代
將帶有Tt基因的第一子代高莖豌豆進行雜交,此時每第一子代經減數分裂後,均可能產生具有T基因及t基因的配子,再經過人工授粉的過程後,就可產生具有TTTttt三種基因組合的第二子代,而表現出具有高莖及矮莖的性狀。
孟德爾詳細記錄第二子代的實驗結果,經統計後發現第二子代基因型的比例為TTTttt約為121,而第二子代表現型為高莖:矮莖接近31

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圖片來源:國立編譯館

由以上的描述我們可以清楚地知道孟德爾進行豌豆遺傳實驗的過程,此過程看似簡單,但對於當時處於遺傳知識尚未發達年代的孟德爾來說,此過程是必須要不斷嘗試之後才能確定下來的,而經過孟德爾的細心觀察與推論,找出了控制生物性狀遺傳的法則,是科學界中相當重要的發現。

 

五、棋盤方格法的應用

利用棋盤方格可以清楚地呈現出雌雄配子分配與組合的情形,就以豌豆高矮遺傳實驗中第一子代雜交後所產生第二子代的結果來探討,將第一子代均為高莖且基因為Tt之豌豆進行交配,將可能產生的精細胞基因(Tt)及卵細胞基因(Tt)填入棋盤方格中,利用棋盤方格將精細胞與卵細胞的基因進行組合,即可顯示出第二子代可能出現的基因組合,如下表所示。

 

第一子代高莖豌豆(Tt)










Tt

精細胞

卵細胞

T

t

T

TT

高莖

Tt

高莖

t

Tt

高莖

tt

矮莖

由上表可知,組合後的第二子代基因型有三種:TTTttt比例為121,而表現型高莖:矮莖比例31,與孟德爾所記錄之比例相似,所以運用此法可方便計算子代所產生之基因組合與表現型之比例與發生之機率。

 

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