他在东吴大学刻苦学习和忧国忧民的表现，给该校领导留下了深刻的印象。该校领导知道家桢对遗传学情有独钟，因此在家桢大学毕业后，立即推荐他到燕京大学拜李汝祺教授为师，继续学习遗传学。当时在燕京大学任教的李汝祺教授是中国遗传学领域的耀眼明星，曾在美国从事细胞遗传学的研究，李先生的导师就是细胞遗传学的创始人、美国学者摩尔根。
家桢在李汝祺教授的悉心指导下从事亚洲瓢虫色斑的遗传学研究，几乎每天花在学习和工作上的时间都要有十五六个小时。他夜以继日地学习、工作，终于在一年半的时间内就取得了丰硕的研究成果，完成了学术水平相当高的硕士论文，论文的题目是《异色瓢虫鞘翅色斑的变异和遗传》。论文答辩后，李汝祺先生建议将硕士论文拆成三篇各自独立的文章。按照李先生的建议，家桢把毕业论文分拆成《异色瓢虫鞘翅色斑的变异》《异色瓢虫的生物学记录》和《异色瓢虫鞘翅色斑的遗传》这三篇各自独立的论文。李汝祺先生把《异色瓢虫鞘翅色斑的遗传》这篇文章直接寄往闻名遐迩的美国摩尔根实验室。
摩尔根亲自审阅了李汝祺先生从中国寄来的论文，十分欣赏这位中国青年的研究才华，他把这篇论文交给了他的助手杜布赞斯基教授。杜布赞斯基是享誉全球的群体进化遗传学家，曾在苏联的亚洲地区采集过亚洲瓢虫，想利用瓢虫色斑的多态性研究遗传规律，可始终未能如愿。他认真审阅了家桢的文章后，十分高兴，就直接写了一封热情洋溢的信，除对家桢的研究工作加以赞扬外，也表示了对这个课题的兴趣。经过一段时间的书信往来，双方有了更深的了解，因此家桢把自己想到摩尔根实验室深造的愿望告诉了摩尔根和杜布赞斯基，两位美国教授也很愿意接受家桢到美国攻读博士。在双方你情我愿的情况下，1934年，家桢只身漂洋过海，来到人地两生的美国，成了杜布赞斯基的入室弟子。
当时的摩尔根实验室有许多遗传学研究的世界高手集中在那里进行细胞遗传学研究，1933年获得诺贝尔生理或医学奖的摩尔根鼓励他的学生和所有研究人员既要海阔天空地想，更要脚踏实地地干。这个实验室中的老师、学生都相互尊重，摩尔根实验室就是一个团结友爱的国际大家庭。在这样的研究集体中，家桢总是一天当作两天用。在他坚持不懈的努力下，在两年时间内，他居然在果蝇唾腺染色体的研究方面取得了新的突破。他分析了果蝇唾腺染色体在种间和种内的变化，探讨了果蝇种间的亲缘关系，深化了对进化机理的理解。除此之外，家桢还绘制和研究了果蝇的遗传图。在两年时间里，他单独一人或与法国、德国等科研人员合作，撰写了十余篇研究论文，先后发表在美、英、法、德、瑞士等国家级的科学刊物上。1936年，家桢的博士论文《果蝇常染色体遗传图》通过了答辩，当年27岁的谈家桢正式获得了哲学博士学位。他的刻苦好学、虚心求教、尊敬师长、友善待人的良好表现赢得了导师和同事的一致好评，他的导师杜布赞斯基和摩尔根真诚地建议他继续留在摩尔根实验室工作。此时的家桢也十分清楚，如果留在这个国际顶级的遗传学实验室工作，那么肯定会取得新的成果。但是，他来美国后从未忘了自己的祖国，饱受帝国主义列强欺凌的祖国正处在水深火热之中，祖国需要科学，祖国需要大批科学家，因此回国的决心是坚定的，从来没有过丝毫动摇。他的导师看到自己的得意门生谈家桢回国决心已定，又提出了一个折中方案，这个方案就是希望他能在摩尔根实验室继续进行一年的博士后研究。家桢接受了导师的建议，按照杜布赞斯基的安排，就留在摩尔根实验室进行果蝇种群遗传学的博士后研究了。他在摩尔根实验室从事果蝇种群遗传研究的同时，十分真诚地向导师倾诉：“我不能一味地钻在果蝇遗传学研究的领域里。中国的遗传学底子很薄，人才奇缺。要发展中国遗传学，迫切需要培养各个专业方面的人才。我是属于中国的。”
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