การศึกษาพันธุศาสตร์ของเมนเดล ในปี ค.ศ. 1858 โดยนักบวชชาวออสเตรียที่ชื่อ เกรเกอร์ โยฮัน เมนเดล (Gregor Johann Mendel) ทดลองผสมถั่วลันเตา (pisum sativum) หลายลักษณะ จนค้นพบกฎของการถ่ายทอดลักษณะทางพันธุกรรม ด้วยใช้วิธีผสมโดยพิจารณาหนึ่งลักษณะ (monohybrid cross)

สาเหตุหลักที่เมนเดลเลือกทำการทดลองโดยใช้ถั่วลันเตานั้น เป็นเพราะมีสมบัติเหมาะสมหลายประการ เช่น

1. ถั่วลันเตาเป็นพืชที่ปลูกง่าย อายุสั้น เจริญเติบโตเร็ว

2. มีหลายสายพันธุ์ แต่ละพันธุ์ให้ลักษณะที่แตกต่างกันออกไป

3. ดอกมีลักษณะพิเศษ ที่สามารถบังคับให้ละอองเรณูผสมกับไข่ในดอกเดียวกันเท่านั้น (self-pollination) ผสมข้ามดอกยาก และควบคุมการผสมพันธุ์กับละอองเรณูตามต้องการได้

การผสมถั่วของเมนเดลทั้งหมดนี้ เป็นการทดลองผสมพันธ์โดยศึกษาลักษณะใดลักษณะหนึ่งเพียงอย่างเดียว เรียกว่า ผสมโดยพิจารณาหนึ่งลักษณะ (monohybrid cross) โดยนำลักษณะที่แตกต่างกันมาผสมกันแล้วเก็บเมล็ดไว้ นำเมล็ดมาปลูกเป็นรุ่นที่ 1 สังเกตลักษณะของลูกที่เกิดขึ้น นับจำนวนแล้วบันทึกผล จากนั้นปล่อยให้ผสมกันเอง เก็บเมล็ด นำเมล็ดมาปลูกเป็นรุ่นที่ 2 บันทึกผล

เมนเดลได้ผสมลักษณะต่างๆ ของถั่วทั้ง 7 ลักษณะ ดังนี้

1. รูปร่างเมล็ด (กลม/ขรุขระ)
2. สีเมล็ด (เหลือง/เขียว)
3. สีของดอก (สีม่วง/สีขาว)
4. รูปร่างฝัก (อวบ/แฟบ)
5. สีของฝัก (เขียว/เหลือง)
6. ตำแหน่งของดอก (ที่กิ่ง/ปลายยอด)
7. ความสูงของต้น (สูง/เตี้ย)

ตารางสรุปผลการทดลองของเมนเดล

สรุปผลการทดลองได้ว่า

1. ลักษณะเด่น คือ ลักษณะที่มีโอกาสปรากฏในรุ่นต่อๆ ไปเสมอๆ เช่น ลักษณะต้นสูงของถั่ว ในขณะที่ลักษณะด้อยอาจไม่ปรากฏออกมาในบางรุ่น และถึงแม้ปรากฏออกมา ก็มีจำนวนน้อยกว่าลักษณะเด่น

2. ลักษณะเด่นจะข่มลักษณะด้อยในรุ่นลูก (F₁) จึงพบรุ่นลูกมีลักษณะเด่นหมด ภายใต้เงื่อนไขที่ว่า พ่อและแม่ต้องเป็นพันธุ์เด่นแท้และด้อยแท้

3. ในชั่วรุ่นหลาน (F₂) โดยปล่อยให้รุ่นลูก (F₁) ผสมพันธุ์กันเอง จะได้ลักษณะเด่นต่อลักษณะด้อยในอัตราส่วน 3:1

คำศัพท์ต่างๆ ที่ควรทราบ

- ยีน (gene) คือ สิ่งที่ควบคุมลักษณะทางพันธุกรรมเป็นส่วนหนึ่งบนสาย DNA
- ยีนเด่น (dominant gene) คือ ยีนที่แสดงอาการข่มต่อยีนด้อย (recessive gene)
- จีโนไทป์ (genotype) คือ รูปแบบของยีน เช่น TT Tt tt
- ฟีโนไทป์ (phenotype) คือ ลักษณะที่แสดงออกมาของยีน เช่น สูง เตี้ย
- ฮอมอไซกัส (homozygous) คือ รูปแบบของจีโนไทป์ที่มียีน 2 ยีนเหมือนกันมาอยู่ด้วยกัน เช่น TT (homozygous dominant) tt (homozygous recessive)
- เฮเทอโรไซกัส (heterozygous) คือ รูปแบบของจีโนไทป์ที่มียีน 2 ยีนต่างกัน เช่น Tt
- ยีนที่เป็นอัลลีลกัน (alletic gene) คือ ยีนที่ควบคุมลักษณะเดียวกัน และเข้าคู่กันได้ เช่น T กับ t เป็นยีนควบคุมเกี่ยวกับความสูง

กฏความน่าจะเป็น(probability)

จากตารางสรุปผลการทดลองจะเห็นได้ว่า อัตราส่วนระหว่างลักษณะเด่นต่อลักษณะด้อยของรุ่น F₂ โดยประมาณเท่ากับ 3:1 เหตุใดจึงเป็นเช่นนั้น อัตราส่วนดังกล่าวเมนเดลคงไม่ใช่คนแรกที่พบ แต่คนที่พบอัตราส่วนนี้ไม่สามารถอธิบายได้ แต่เมนเดลเป็นนักคณิตศาสตร์และสถิติ จึงนำกฎความน่าจะเป็น (probability) มาใช้ในการวิเคราะห์ข้อมูลจากผลการทดลอง เพื่ออธิบายอัตราส่วนของลักษณะเด่นและลักษณะด้อยในรุ่น F₂ ที่เกิดขึ้น ดังนี้

ในการโยนเหรียญบาทขึ้นไปในอากาศ แล้วปล่อยให้ตกลงสู่พื้นโดยอิสระ โอกาสที่เหรียญจะตกลงมาแล้วออกหัวและก้อยจะเท่ากัน แต่ถ้าโยนเหรียญ 2 เหรียญพร้อมๆ กัน โอกาสที่เป็นไปได้มี 3 แบบ คือ แบบที่ 1 ออกหัวทั้ง 2 เหรียญ แบบที่ 2 ออกหัว 1 เหรียญ และออกก้อย 1 เหรียญ แบบที่ 3 ออกก้อยทั้ง 2 เหรียญ โดยอัตราส่วนแบบที่ 1 : แบบที่ 2 : แบบที่ 3 จะเท่ากับ 1:2:1

ในกรณีของการผสมพันธุ์ถั่วลันเตารุ่น F₁ ซึ่งมีฟีโนไทป์เป็นฝักสีเขียว และมีจีโนไทป์เป็น Gg อาจเปรียบได้กับเหรียญที่มีหน้าหนึ่งเป็น G อีกหน้าหนึ่งเป็น g การผสมระหว่างรุ่น F₁ และรุ่น F₁ จึงเท่ากับเป็นการโยนเหรียญขึ้นไปอากาศพร้อมๆ กัน 2 เหรียญ โอกาสที่ยีนในรุ่น F₂ จะเข้าคู่กันได้เป็น 3 แบบ คือ GG Gg และ gg โดยมีอัตราส่วนเท่ากับ 1:2:1 และมีฟีโนไทป์ 2 แบบ คือ ฝักสีเขียวกับฝักสีเหลือง ในอัตราส่วน 3:1 ดังนั้น ปัญหาที่สงสัยว่าอัตราส่วนระหว่างลักษณะเด่นต่อลักษณะด้อยในรุ่น F₂ เหตุใดจึงเท่ากับ 3:1 สามารถอธิบายด้วยกฎของความน่าจะเป็น ซึ่งเป็นปัจจัยหนึ่งที่ส่งผลให้เมนเดลประสบความสำเร็จในการทดลอง

ปัญหาต่อไปก็คือ ยีน G และ g ในรุ่น F₁ ถูกนำไปรุ่น F₂ ได้อย่างไร จึงทำให้ GG : Gg : gg มีอัตราส่วนเท่ากับ 1:2:1 อัตราส่วนดังกล่าวนี้ จะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อยีน G กับ g ต้องแยกจากกันไปสู่เซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์ จึงเกิดเป็น กฎแห่งการแยก (law of segregation) ซึ่งเป็นกฎข้อที่ 1 มีใจความว่า “ยีนที่อยู่เป็นคู่ จะแยกออกจากกันในระหว่างการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ โดยเซลล์สืบพันธุ์แต่ละเซลล์จะได้รับเพียงแอลลีนใดแอลลีนหนึ่ง” จากกฎข้อที่ 1 นี้ ทำให้สามารถทำนายลักษณะในรุ่น F1 ได้เมื่อรู้จีโนไทป์ในรุ่นพ่อแม่

ถ้ารุ่น F₁ มีฟีโนไทป์เป็นดอกสีม่วงทั้งหมด และมีจีโนไทป์เป็น R_r รุ่น F2 จะมีฟีโนไทป์ 2 แบบ คือ ดอกสีม่วงและดอกสีขาวในอัตราส่วน 3:1 โดยดอกสีขาวเป็นลักษณะด้อย ซึ่งยีนด้อยที่แฝงอยู่ในรุ่น F₁ จะปรากฏออกมาในรุ่น F₂ ทำให้รุ่น F₂ มีลักษณะเด่นต่อลักษณะด้อยในอัตราส่วนเท่ากับ 3:1

เมนเดลก็ไม่ทราบว่า มีกลไกอะไรที่ทำให้ยีนที่เป็นคู่กันแยกออกจากกันในระหว่างที่มีการสร้างเซลล์สืบพันธุ์ และยังไม่ทราบเกี่ยวกับการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส แต่ด้วยความสามารถทางคณิตศาสตร์ จึงทำให้ทำให้พบกฎแห่งการแยก ซึ่งเป็นกฎที่สำคัญในวิชาพันธุศาสตร์ ในภายหลัง จึงเป็นที่ทราบกันว่ายีนที่เป็นคู่กันจะแยกจากกันเมื่อมีการแบ่งเซลล์แบบไมโอซิส และเมื่อมีการปฏิสนธิจะเกิดการรวมกันของเซลล์สืบพันธุ์ ยีนจะกลับมาปรากฏเป็นคู่กันอีกครั้ง

กฎแห่งการรวมกลุ่มอย่างอิสระ (law of independent assortment)

หลังจากเมนเดลได้ศึกษาลักษณะทางพันธุกรรม โดยพิจารณาสองลักษณะไปพร้อมๆ กัน เช่น ศึกษาทั้งรูปร่างและสีของเมล็ดไปพร้อมๆ กัน (dihybrid cross) ทำให้ค้นพบกฎข้อที่ 2 ที่ว่า “ในเซลล์สืบพันธุ์จะมีการรวมกลุ่มกันของหน่วยพันธุ์กรรมของลักษณะต่างๆ การรวมกลุ่มเหล่านี้เป็นไปอย่างอิสระ จึงทำให้สามารถทำนายผลในรุ่นลูกและรุ่นหลานได้”

ยีนที่อยู่บนโครโมโซมคู่เดียวกัน หรืออยู่บนโครโมโซมต่างคู่กัน เมื่อแยกออกจากกันในขณะสร้างเซลล์สืบพันธุ์ตามกฎข้อ 1 นั้น จะมารวมกันอีกครั้งหนึ่งในขณะที่มีการปฏิสนธิเกิดขึ้น และการรวมตัวกันใหม่นี้ จะเป็นไปอย่างอิสระโดยสามารถไปรวมกับยีนใดก็ได้ ไม่จำเป็นจะต้องกลับไปรวมกับคู่เดิมของตน

จากอัตราส่วนของแต่ละลักษณะ คือ ลักษณะเมล็ดกลม : เมล็ดขรุขระ เท่ากับ 3:1 และลักษณะสีเหลือง : เมล็ดสีเขียว เท่ากับ 3:1 เมื่อพิจารณาสองลักษณะพร้อมกันจะได้ F2 ที่มีอัตราส่วนเมล็ดกลมสีเหลือง : เมล็ดกลมสีเขียว : เมล็ดขรุขระสีเหลือง : เมล็ดขรุขระสีเขียว เป็น 9:3:3:1 อัตราส่วนดังกล่าว เป็นไปตามผลคูณของความน่าจะเป็นที่จะเกิดเหตุการณ์หนึ่งๆ

ยีนควบคุมลักษณะรูปร่างของเมล็ด และยีนควบคุมลักษณะสีของเมล็ด สามารถแยกตัวออกจากกันเข้าสู่เซลล์สืบพันธุ์ และรวมกันได้อย่างอิสระ ทำให้เกิดกฎข้อที่ 2 คือ กฎแห่งการรวมกลุ่มอย่างอิสระ จึงสามารถทำนายอัตราส่วนของเซลล์สืบพันธุ์ที่มีกลุ่มของยีนต่างๆ ได้ เช่น จีโนไทป์ RrYy จะสร้างเซลล์สืบพันธุ์ได้ 4 ชนิด คือ RY Ry rY และ ry ในอัตราส่วน 1:1:1:1 เมื่อเซลล์สืบพันธุ์ 4 ชนิดของทั้งพ่อและแม่ มีโอกาสจะมารวมกลุ่มอย่างอิสระ รุ่น F₂ จึงมีจีโนไทป์ในอัตราส่วน 9:3:3:1

การผสมเพื่อการทดสอบ (test cross)

ในการตรวจสอบสิ่งมีชีวิตที่เป็นลักษณะเด่น แต่มีจีโนไทป์แบบ homozygous หรือ heterozygous เราสามารถใช้กฎการแยกไปใช้ผสมเพื่อทดสอบ โดยนำดอกสีม่วงของถั่วลันเตาที่เป็นลักษณะเด่นที่ต้องการทราบจีโนไทป์ว่าเป็น homozygous (RR) หรือ heterozygous (Rr) นำไปผสมกับดอกสีขาว (rr) ซึ่งเป็นลักษณะด้อย เรียกว่า ตัวทดสอบ (tester) ลูกที่ผสมออกมาจะมี 2 กรณี คือ

กรณีที่ 1 ลูกที่ผสมได้มีลักษณะเด่นทั้งหมด คือ ดอกสีม่วงทั้งหมด แสดงว่าดอกที่เราสงสัยมีจีโนไทป์เป็น homozygous dominant (RR)

กรณีที่ 2 ลูกที่ผสมได้มีลักษณะเด่น : ด้อย คือ ดอกสีม่วง : ดอกสีขาว เท่ากับ 1:1 แสดงว่าดอกที่เราสงสัยมีจีโนไทป์เป็น heterozygous (Rr)

การผสมย้อนกลับ (Backcross)

เป็นการผสมพันธุ์สิ่งมีชีวิตโดยนำลูกที่ได้ไปผสมกับพ่อหรือแม่พันธุ์ หรือสิ่งมีชีวิตที่มีจีโนไทป์เหมือนพ่อหรือแม่พันธุ์ จุดประสงค์คือ เพื่อปรับปรุงพันธุ์พืชหรือสัตว์ให้ได้ลูกผสมมีลักษณะที่ดีตามต้องการ

พัดชา วิจิตรวงศ์