Menđen đã tiến hành thí nghiệm trên nhiều đối tượng nhưng công phu và hoàn chỉnh nhất là trên đậu Hà Lan (Pisum sativum). Đây là một loại cây có hoa lưỡng tính, có những tính trạng biểu hiện rõ rệt, là cây một năm, dễ trồng, có nhiều thứ phân biệt rõ ràng, tự thụ phấn có nên dễ tạo dòng thuần.
Menđen tiến hành thí nghiệm trên đậu Hà Lan từ năm 1856 đến năm 1863 trên mảnh vườn nhỏ (rộng 7m, dài 35m) trong tu viện. Ông đã trồng khoảng 37.000 cây, tiến hành lai 7 cặp tính trạng trên 22 giống đậu, trong 8 năm liền, phân tích trên một vạn cây lai và chừng 300.000 hạt.
Phương pháp nghiên cứu di truyền học của Menđen
Phương pháp nghiên cứu và Menđen sử dụng được gọi là phương pháp lai và phân tích đặc điểm di truyền của các thế hệ lai. Trình tự tiến hành theo các bước cơ bản sau:
- Menđen tách riêng từng cặp tính trạng để khảo sát sự di truyền qua các thế hệ; Tạo dòng thuần chủng về từng tính trạng bằng cách cho tự thụ phấn qua nhiều thế hệ.
- Chọn từng cặp bố, mẹ thuần chủng có tính trạng tương phản cho lai với nhau để tạo đời con ($F_1$). Tiếp tục cho các cây lai $F_1$ tự thụ phấn để tạo đời con ($F_2$) và tiếp tục cho các cây lai $F_2$ tự thụ phấn để tạo đời con ($F_3$).
- Thu thập kết quả lai ở các thế hệ lai; sử dụng toán xác suất để phân tích các kết quả lai ở các đời $F_1, F_2, F_3$.
- Đưa ra giả thuyết để giải thích kết quả thu thập được.
- Làm thí nghiệm kiểm chứng các giả thuyết đã nêu.
Thí nghiệm lai một tính trạng của Menđen
- P: Đậu hạt vàng (tc) x đậu hạt xanh (tc) $\to F_1$ 100% đậu hạt vàng.
- Cho các cây $F_1$ tự thụ phấn $\to F_2$ 75% vàng : 25% xanh
- Cho từng cây ở $F_2$ tự thụ phấn và phân tích sự phân ly ở đời con:
- Cây xanh $F_2$ tự thụ phấn $\to F_3$: 100% đậu hạt xanh $\to$ đậu hạt xanh thuần chủng.
- 1/3 cây vàng $F_2$ tự thụ phấn $\to F_3$: 100% đậu hạt vàng $\to$ đậu hạt vàng thuần chủng.
- 2/3 cây vàng $F_2$ tự thụ phấn $\to F_3$: 75% đậu hạt vàng : 25% đậu hạt xanh $\to$ đậu hạt vàng lai.
Vậy ở $F_2$ có 1/4 vàng thuần chủng : 2/4 vàng không thuần chủng : 1/4 xanh thuần chủng
Giải thích kết quả lai của Menđen
Menđen nêu giả thuyết về sự phân ly và tổ hợp của các "cặp nhân tố di truyền" (còn gọi là giả thuyết giao tử thuần khiết) và đã giải thích thành công kết quả phân tích (1 : 2 : 1) ở đời $F_2$.
- Ông cho rằng: mỗi tính trạng được quy định bởi "cặp nhân tố di truyền" (ngày nay gọi là cặp alen); trong tế bào nhân tố di truyền tồn tại thành từng cặp, không hòa lẫn vào nhau.
- Khi tạo giao tử, cơ thể lai $F_1$ có cặp nhân tố di truyền không giống nhau sẽ phân ly, mỗi giao tử chỉ mang một cặp nhân tố di truyền, đã tạo ra 2 loại giao tử (gọi là giao tử thuần khiết) với xác suất ngang nhau.
- Khi thụ tinh, các giao tử kết hợp ngẫu nhiên với nhau làm cho cặp nhân tố di truyền được tổ hợp lại.
Nội dung quy luật phân ly
Giả thuyết của Menđen đã khái quát thành "quy luật phân ly":
Mỗi tính trạng của cơ thể do một cặp nhân tố di truyền (cặp alen) quy định, một có nguồn gốc từ bố, một có nguồn gốc từ mẹ. Do sự phân ly đồng đều của cặp nhân tố di truyền này nên mỗi giao tử chỉ chứa một nhân tố của cặp với tỷ lệ ngang nhau.
Cơ sở tế bào học của quy luật phân ly
Các nghiên cứu tế bào học cuối thế kỷ XIX về nguyên phân, giảm phân, thụ tinh, các nhà khoa học nhận thấy sự tương đồng giữa gen và nhiễm sắc thể như sau:
 |
| Gen nằm trên NST |
 |
| Cơ sở tế bào học của quy luật phân ly |
- Trong tế bào sinh dưỡng, các gen luôn tồn tại thành từng cặp và các nhiễm sắc thể cũng tồn tại thành từng cặp.
- Khi giảm phân tạo giao tử, các gen ở mỗi cặp alen phân ly đồng đều về các giao tử, mỗi NST trong từng cặp NST tương đồng cũng phân ly đồng đều về các giao tử. Do đó các nhà khoa học cho rằng các gen phải nằm trên nhiễm sắc thể.
- Sự tổ hợp lại của các giao tử đực và các giao tử cái ở bố và mẹ trong thụ tinh là cơ sở tế bào học của sự di truyền các tính trạng.
* Khi $F_1$ tạo giao tử, cặp alen Aa phân ly tạo 2 loại giao tử: giao tử mang alen A và giao tử mang alen a (giao tử thuần khiết) có tỉ lệ ngang nhau.
* Qua thụ tinh, sự kết hợp ngẫu nhiên của 2 loại giao tử đực và 2 loại giao tử cái của $F_1$ đã tạo ra $F_2$ có tỷ lệ kiểu gen (KG) là 1AA : 2Aa : 1aa.