Giáo trình Cơ sở di truyền chọn giống động vật - Nguyễn Minh Hoàn

225 trang hapham 3611

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Giáo trình Cơ sở di truyền chọn giống động vật - Nguyễn Minh Hoàn", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

giao_trinh_co_so_di_truyen_chon_giong_dong_vat_nguyen_minh_h.pdf

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở di truyền chọn giống động vật - Nguyễn Minh Hoàn

PGS.TS NGUYỄN MINH HOÀN CƠ SỞ DI TRUYỀN CHỌN GIỐNG ĐỘNG VẬT HUẾ, 2005
BÀI MỞ ĐẦU Di truyền học là môn khoa học nghiên cứu về tính di truyền và biến dị của sinh vật. Hay nói cách khác di truyền học nghiên cứu các qui luật truyền đạt thông tin từ thế hệ tổ tiên cho con cháu và những qui luật biến đổi của quá trình truyền đạt đó. Tính di truyền đảm bảo cho sự giống nhau giữa con cái với cha mẹ, giữa anh chị em, giữa các cá thể có quan hệ họ hàng thân thuộc. Các sinh vật đều có tính di truyền, biểu hiện ở chổ là con cái thừa hưởng các tính trạng của bố mẹ. Có thể coi tính di truyền là đặc tính của bố mẹ truyền lại cho con cái những tính chất và đặc điểm phát triển của minh, mà nhờ đó các loài sinh vật bảo tồn được những đặc điểm riêng của mình qua hàng loạt thế hệ. Chính vì vậy mà khi sinh vật chuyển từ thế hệ này sang thế hệ khác sự sống vẫn đảm bảo liên tục, ổn định Tính di truyền được đảm bảo qua quá trình sinh sản. Trong quá trình sinh sản hữu tính, nhờ sự kết hợp giữa tế bào sinh dục đực và tế bào sinh dục cái mà thực chất là sự kết hợp vật chất di truyền của bố và mẹ, mà đã đảm bảo sự kế tục vật chất di truyền giữa các thế hệ. Với hình thức sinh sản vô tính, cơ thể mới được sinh ra từ những tế bào soma hay từ những tế bào đặc biệt (bào tử thực vật, các mãnh nhỏ thủy tức ) Trong hình thức sinh sản vô tính, tính di truyền được đảm bảo nhờ sự phân chia của các tế bào soma. Tính di truyền vừa đảm bảo cho sự kế tục các đặc tính của sinh vật qua các thế hệ, vừa đảm bảo cho các cơ thể sinh vật một hình thức phát triển đặc thù, hình thành nên những tính trạng và đặc tính nhất định. Thực ra, trong bất kỳ hình thức sinh sản nào của cơ thể sinh vật, trong các tế bào soma riêng rẽ hay các tế bào sinh dục, chưa phải đã có sẵn tất cả các tính trạng và đặc tính của cơ thể trưởng thành, mà các tính trạng và đặc tính đó của cơ thể được hình thành dần trong quá trình phát triển cá thể trong những điều kiện môi trường nhất định. Ở người, động vật có vú, tế bào trứng của mẹ kết hợp với tinh trùng của cha tạo ra hợp tử, đó là cầu nối giữa hai thế hệ. Hợp tử không trực tiếp mang các đặc tính của cha mẹ mà chứa chương trình phát triển cá thể ở dạng bộ gen, được gọi là thông tin di truyền. Thông tin di truyền được mã hóa ở dạng trình tự thẳng của 4 loại nucleotide của axit nucleic (DNA và RNA). Đơn vị của thông tin di truyền là các gen. Mọi tính trạng của sinh vật đều chịu sự chi phối của các gen
tương ứng. Trong khối đa dạng của nhiều tính trạng, các nhà sinh học có thể tách riêng từng đơn vị riêng lẻ để nghiên cứu, đó là gen-tính trạng. Thông tin di truyền được hiện thực hóa ở thế hệ sau trong quá trình phát triển cá thể. Mỗi sinh vật trong quá trình lớn lên đều lặp lại chính xác các giai đoạn phát triển như của cha mẹ. Con người bắt đầu từ giai đoạn hợp tử, phôi thai, sinh ra, trưởng thành, già và chết. Bộ máy di truyền chi phối mọi biểu hiện sống tái tạo các cấu trúc tinh vi, điều hòa việc thực hiện hàng loạt chuỗi phản ứng hóa học phức tạp, giúp cơ thể phản ứng và thích nghi với môi trường. Do vậy, truyền đạt các tính trạng đặc trưng của loài qua nhiều thế hệ chỉ là một mặt của tính di truyền, mặt quan trọng hơn, nó là cơ sở cho mọi biểu hiện sống đặc trưng ở mỗi sinh vật. Cơ sở vật chất của tính di truyền đó là tất cả những yếu tố cấu trúc tế bào có khả năng tái sinh, phân ly, tổ hợp về các tế bào con trong quá trình phân chia của tế bào cơ thể. Vật chất di truyền xét ở cấp độ tế bào là nhiễm sắc thể, ở cấp độ phân tử là các gen, trên các phân tử axit nucleic. Người ta cũng đã xác nhận rằng sự nhân đôi của nhiễm sắc thể cũng như quá trình phân ly của chúng trong nguyên phân cũng như giảm phân có vai trò đặc biệt quan trọng đảm bảo kế tục vật chất di truyền ổn định qua các thế hệ. Tóm lại, di truyền là đặc tính cơ bản của cơ thể sinh vật đảm bảo cho sự kế tục vật chất di truyền và chức năng qua các thế hệ. Như vậy đối tượng nghiên cứu của di truyền học, ngoài việc nghiên cứu tính di truyền còn nghiên cứu quá trình biến dị tính di truyền của sinh vật. Biến dị biểu hiện ở sự sai khác giữa các cá thể con cái với cha mẹ hay với các cá thể khác cùng đàn. Một mặt sự biến đổi của bộ máy thông tin di truyền dẫn đến các biến dị, mặt khác cũng chính các cơ chế di truyền tạo sự đa dạng trong giới sinh vật và trong nội bộ đàn, bầy hoặc trong cùng một gia đình. Tuy nhiên biến dị tuy có số lượng rất lớn và hết sức đa dạng nhưng xẩy ra trong một khuôn khổ nhất định nên mới xếp các sinh vật vào những đơn vị phân loại như loài, giống, họ, bộ Theo Darwin, di truyền, biến dị và chọn lọc là những nhân tố tiến hóa. Biến dị tạo sự đa dạng, cung cấp nguyên liệu cho tiến hóa, di truyền duy trì các đặc tính, còn chọn lọc tự nhiên là nhân tố định hướng phát triển các dạng sinh vật và dẫn đến sự đa dạng của sự sống như ngày nay. Thông tin thích nghi lúc đầu xuất hiện ở đời sống cá thể tạo ưu thế trong cuộc đấu tranh sinh tồn nên được chọn lọc tự nhiên giữ lại và ghi thêm vào thông tin di truyền của sinh vật. Do vậy, thông tin thích nghi
cũng chịu sự chi phối của bộ gen và được lưu truyền. Trong tiến hóa có sự thừa kế, bộ gen của sinh vật tiến hóa cao hơn vẫn còn mang nhiều thông tin di truyền của tổ tiên. Điều này thể hiện rõ ở sự lặp lại các giai đoạn của tổ tiên trong phát triển của phôi ở những sinh vật bậc cao: phôi người lúc đầu giống cá, bò sát, động vật có vú Tiến hóa thích nghi, từ một tổ tiên ban đầu, tạo nên sự đa dạng của các sinh vật như ngày nay. Trong chăn nuôi gia súc, con người đã vận dụng những kiến thức về di truyền vào việc đánh giá, chọn lọc con giống, nhân giống và lai tạo giống, cải tiến và nâng cao chất lượng giống. Người Trung Quốc đã tiến hành thuần hóa thú rừng và chăn nuôi các loài vật từ rất lâu. Tư tưởng về di truyền và chọn giống cũng được hình thành từ đó. Bộ “ Tưởng Ngưu Kinh” do Ninh Thích viết vào thế kỷ thứ 7 trước Công nguyên có thể xem là tài liệu đầu tiên trên thế giới víết về di truyền và chọn giống động vật (Trần Hưng Nhân, 1998). Thời Chiến Quốc có nhiều người nổi tiếng về tài xem tướng động vật. Vương Lương, Bá Nhạc, Hoàng Trực nổi tiếng về tài xem tướng ngựa. Lưu Trường Nho nổi tiếng xem tướng heo nái. Vinh Vương Chử nổi tiếng xem tướng trâu bò (Trần Hưng Nhân, 1998). Các đại biểu của trường phái Pythagore (500 năm trước CN) cho rằng các đặc tính hình thể của con được di truyền từ mẹ còn các tính chất thần kinh được di truyền từ cha (B. Novicki, 1985). Hypokrates (460-377 trước CN) khẳng định cả con cái và con đực đều tạo thành tinh dịch và từ đó tạo thành cơ thể (B. Novicki, 1985). Arystoteles (364-322 trước CN) cho rằng bào thai phát triển từ tinh dịch của con đực, còn con cái chỉ giữ vai trò sinh con . Thế kỷ thứ II trước Công nguyên, người La mã đã biết chọn lọc ngựa giống từ ngựa cha và mẹ. Thế kỷ thứ X sau Công nguyên, người Ả Rập đã biết hiện tượng đồng huyết là có hại và không cho giao phối các ngựa có quan hệ huyết thống với nhau. Năm 1859, học thuyết tiến hóa của Darwin được công bố trong tác phẩm “Nguồn gốc các loài” Thế kỷ thứ XVII, nhà chọn giống người Anh R. Bakewell (1725- 1795) đã biết tạo giống cao sản, ông đã tạo được bò sừng dài, cừu Leicester, chọn bố, mẹ tốt để nhân giống
C. Darwin (1809-1882) đã phát triển học thuyết pangen trong tác phẩm “Sự biến đổi của các động vật và thực vật trong nuôi trồng”. Theo ông, mỗi một phần của cơ thể sinh sản ra những phần tử nhỏ là gemnule (mầm) theo máu từ các phần của cơ thể tập trung về cơ quan sinh dục. Mỗi cá thể sinh ra do sự hòa hợp tính di truyền của cả cha lẫn mẹ và cả tính tập nhiễm Hình 1. C. Darwin (1809-1882) Năm 1866, Gregor Mendel (1822-1884) công bố kết quả lai đầu tiên trên cây đậu Hà Lan (Pisum sativum) tại Hội nghị các nhà tự nhiên học thành phố Brno và sau đó không được chấp nhận do chưa có cơ sở để giải thích qui luật Mendel. Weismann (1834-1914) nghiên cứu hiện tượng phối hợp của giao tử và xác định vai trò của con cái và con đực trong việc hình thành cá thể mới. Năm 1900, Hugo De Vries, Carl Correns và Erich Tschermak độc lập nhau và công bố các công trình liên quan đến việc phát hiện lại công trình của Mendel. Từ đó Mendel trở thành người sáng lập di truyền học và các qui luạt Mendel trở thành qui luật di truyền cơ bản. Mc Clung (1902) chứng minh cơ chế xác định giới tính do nhiễm sắc thể. Năm 1908, Hardy-Wanberg đồng thời và độc lập nhau công bố qui luật liên quan đến di truyền trong quần thể và được gọi là định luật cân bằng di truyền, hay định luật Hardy-Wanberg. Nhà di truyền học người Anh W. Bateson đưa ra tên gọi Di truyền học (genetics), liên quan đến nguồn gốc, sinh sản) vào năm 1906.
Năm 1909, nhà khoa học Đan Mạch W. Johannsen nêu ra các thuật ngữ như Gen (dòng giống, sinh sản, bắt nguồn), kiểu gen (genotype) và kiểu hình (phenotype). Hình 2. H. de Vries Hình 3. E.K. Correns Hình 4. E. Tschermak Hình 5. W. Bateson Hình 6. W. Johannsen Năm 1927, Muller gây đột biến bằng tia X. Năm 1918, Fisher công bố các kết quả đầu tiên liên quan đến tính trạng số lượng. Năm 1937, J.L. Lush xuất bản quyển “Animal Breeding Plans”, tác phẩm kinh điển đầu tiên về công tác giống ở Châu Âu và các phương pháp của tác giả đã nhanh chóng phổ biến và tác dụng lớn trong chăn nuôi gia súc.
Năm 1944, Mc Leod, Avery, Mc Carty đã chứng minh vai trò của DNA trong hiện tượng biến nạp, đây là cơ sở để chuyển ghép gen trong kỹ thuật di truyền. Năm 1953, J. Watson và F. Crick đưa ra mô hình cấu trúc phân tử DNA, nghiên cứu di truyền học chuyển sang giai đoạn mới, giai đoạn di truyền phân tử. Trong những năm 70, kỹ thuật di truyền ra đời, người ta đã áp dụng những thành tựu của di truyền vào công tác giống động vật như cấy truyền phôi, chuyển gen, ghép gen Di truyền học là cơ sở khoa học của chọn và nhân giống vật nuôi. Các thành tựu của di truyền học được ứng dụng sớm, nhanh và nhiều hơn trong chọn giống. Kiến thức di truyền học là cơ sở để xây dựng các phương pháp lai tạo và cải thiện giống, phương pháp chọn lọc, tạo vật liệu ban đầu Từ năm 1950 trở về sau này con người đã áp dụng các nguyên tắc của di truyền số lượng để chọn lọc đối với các loài; Watson-Crick phát hiện cấu trúc DNA; Hendersen đã ứng dụng phương pháp xác định giá trị giống (giá trị di truyền) vào thực tiễn công tác giống gia súc; ứng dụng cấy truyền phôi từ những con đực, con cái cao sản, thông tin di truyền đi sâu vào sản xuất trong việc chọn giống vật nuôi theo phẩm chất của sản phẩm. Từ năm 2000 trở lại nay, di truyền học tiếp tục sử dụng các tín hiệu di truyền phân tử, áp dụng phương pháp DNA tái tổ hợp, thực hiện cấy truyền gen nhằm tạo ra những giống mới, sản phẩm mới có chất lượng cao. Sự phát triển của di truyền học và những thành tựu của nó đã góp phần tạo ra cơ sở khoa học vững chắc và ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn chọn và nhân giống vật nuôi, đem lại những lợi ích ngày càng nhiều cho sản xuất và đời sống con người.
Chương 1 CƠ SỞ DI TRUYỀN CÁC TÍNH TRẠNG Ở ĐỘNG VẬT Tại sao con cái giống bố mẹ, con cháu giống tổ tiên, đó là câu hỏi từ xa xưa loài người đã đề cập đến, nhưng mãi đến năm 1865, khi công trình nghiên cứu của G. Mendel ra đời mới giải thích được. Từ các thí nghiệm sáng tạo và chính xác, Mendel đã chứng minh nhân tố di truyền có ở bố mẹ đã truyền lại cho con cái thông qua các giao tử. Công trình nghiên cứu của Mendel với 3 qui luật di truyền: tính trội ở thế hệ 1, phân ly tính trạng ở thế hệ 2 và di truyền độc lập, tổ hợp tự do cũng như các hình thức tương tác gen đã chứng minh được khá đầy đủ cơ chế di truyền và biến dị ở sinh vật. Ở sinh vật, ngoài các tính trạng chất lượng (tính trạng Mendel) còn có các tính trạng thể hiện bằng các số liệu cân đong, đo đếm (tính trạng số lượng). Ngành di truyền học có liên quan đến các tính trạng số lượng gọi là di truyền học số lượng (Quantitative genetics) hay di truyền sinh trắc (biometrical genetics). Khác với tính trạng chất lượng, tính trạng số lượng do nhiều gen điều khiển (polygen), chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện ngoại cảnh. Di truyền học số lượng vẫn lấy các qui luật Mendel làm cơ sở nhưng do tính đặc thù của tính trạng số lượng là nghiên cứu trên đám đông cá thể và sử dụng các phương pháp đo lường, nên có sự khác hơn so với các phương pháp cổ điển. Cơ sở lý thuyết của di truyền học số lượng được thiết lập khi công trình nghiên cứu của Fisher (1918), Wright (1926), Haldane (1932) và Lush (1937). Sau đó môn di truyền học số lượng được bổ sung, nâng cao bởi các nghiên cứu khác của các nhà di truyền học và sự tham gia đặc biệt của các nhà thống kê (statistics) và sinh trắc học (biometrics), đến nay ngành này đã có cơ sở lý luận vững chắc và trở thành công cụ hữu hiệu, ứng dụng trong việc đánh giá, chọn lọc và nhân giống. 1. Di truyền các tính trạng Mendel. 1.1 Sơ lược tiẻu sử và công trình nghiên cứu của Mendel Gregor Mendel, sinh ngày 22 tháng 7 năm 1822, mất năm 1884. Ông sinh ra cùng thời với L.Pasteur (1822 - 1895), Darwin (1809 - 1882).
Johan Mendel sinh ra trong một gia đình nông dân nghèo ở Silesie, nay thuộc Brno (Czech). Ông vào tu viện Brno và tiếp tục học và trở thành nhà giáo. Tu viện đặt tên Gregor thay cho Johann và cử ông đi học Đại học Viên (Áo) từ năm 1851-1853. Khi trở về ông dạy các môn toán, vật lý và một số môn học khác. Mendel tiến hành thí nghiệm trên đậu Hà lan (Pisum sativum) từ năm 1856 đến năm 1863 trên mãnh vườn nhỏ trong tu viện. Ông đã trồng 37.000 cây và quan sát trên 300.000 hạt. Các kết quả nghiên cứu được trình bày trước “Hội các nhà tự nhiên học” ở Brno vào năm 1865 và được công bố năm 1866. Mendel đã nhờ có phương pháp thí nghiệm độc đáo, chứng minh sự di truyền do các Hình 7. G. Mendel (1822-1884). nhân tố (element) di truyền và dùng các ký hiệu đơn giản để biểu thị các qui luật di truyền. Phát minh này đặt nền móng cho di truyền học. Trong thí nghiệm, Mendel chọn đối tượng nghiên cứu là cây đậu Hà lan (Pisum sativum), đây là mẫu thuận lợi cho nghiên cứu di truyền vì: - Dễ trồng và có nhiều thứ (dòng) phân biệt rõ ràng. - Cây hàng năm (thời gian sinh trưởng ngắn), quay vòng thế hệ tương đối nhanh. - Có những tính trạng biểu hiện rõ (tương phản). - Tự thụ phấn nghiêm ngặt nên dễ tạo dòng thuần. Khi quan sát các loài sinh vật khác nhau, sẽ thấy chúng có những nét dễ dàng nhận biết, đó là các tính trạng (character) hay dấu hiệu (trait). Mendel đã chọn 7 cặp tính trạng chất lượng, tương phản: hạt trơn-nhăn; hạt vàng - lục; vỏ xám-trắng; quả đầy-ngấn; quả lục-vàng; hoa ở thân- ở đỉnh; thân cao-thấp. Phương pháp thí nghiệm của Mendel có khác hơn so với các nhà khoa học trước đó: - Thứ nhất, vật liệu nghiên cứu phải thuần chủng, biết rõ nguồn gốc.
- Thứ hai, theo dõi riêng tứng cặp tính trạng qua nhiều thế hệ nối tiếp nhau. Hình 8. Các cặp tính trạng Mendel ở Pisum sativum
- Thứ ba, đánh giá khách quan kết quả và tính tỷ lệ chính xác đời con thu được. - Thứ tư, sử dụng ký hiệu và công thức toán học để biểu thị kết quả thí nghiệm. Ông là người đầu tiên dùng ký hiệu chữ để biểu thị các nhân tố di truyền. Vào năm 1865, G. Mendel là người đầu tiên phát hiện ra các qui luật di truyền, nhưng không được công nhận. Mãi đến năm 1900, Hugo de Vries (Hà lan), E.K Correns (Đức) và Tchermak (Áo) độc lập với nhau đã phát hiện lại các qui luật di truyền Mendel. Năm 1900 đánh dấu sự ra đời của di truyền học và các qui luật Mendel trở thành các qui luật di truyền cơ bản. Năm 1902, W. Bateson, L. Cuenot chứng minh các qui luật di truyền Mendel trên đối tượng động vật. Tiếp theo các hiện tượng tương tác gen được phát hiện và bổ sung thêm cho các qui luật di truyền Mendel. 1.2 Các qui luật di truyền cơ bản của Mendel. 1.2.1 Qui luật tính trội và đồng nhất ở thế hệ F1. Hiện tượng trội lặn được Mendel phát hiện khi tiến hành các công thức lai đầu tiên trên đậu Hà lan (Pisum sativum). Ông đưa ra khái niệm dòng thuần, dòng bố mẹ trước khi đem lai có các tính trạng khác nhau (tương phản), ký hiệu thế hệ xuất phát (bố mẹ) là P (parent), các thế hệ kế tiếp là thế hệ con cháu (filia) và ký hiệu là F. Khi cho lai cá thể bố mẹ (P) có các tính trạng tương phản, Mendel nhận thấy chỉ có một tính trạng xuất hiện ở thế hệ F1 và ông gọi đó là tính trạng trội (dominant character), còn tính trạng không xuất hiện là tính trạng lặn (recessive character). Kết luận này được Correns phát hiện lại và được phát biểu như sau: khi cho lai hai cá thể thuần chủng khác nhau về một cặp tính trạng tương phản, các cá thể F1 có kiểu hình đồng nhất của tính trạng trội. 1.2.2 Qui luật phân ly tính trạng ở F2. Một vấn đề đặt ra là, liệu tính trạng lặn có mất đi trong cơ thể F1 hay không?. Bằng cách cho cây lai F1 tự thụ phấn, Mendel nhận được F2, ông nhận thấy ở F2, bên cạnh cây có kiểu hình trội còn xuất hiện một số cây có kiểu hình lặn. Điều đó chứng tỏ tính trạng lặn không bị mất đi mà vẫn tồn tại trong cơ thể F1 ở dạng ẩn. Khi tính toán, ông nhận được tỷ lệ trôi-lặn xấp xỉ 3: 1 (3 trội : 1 lặn).
Về sau, Corren gọi định luật thứ hai của Mendel là định luật phân ly tính trạng và được phát biểu như sau: khi cho các cá thể F1 tự thụ phấn thì các con lai F2 sẽ phân ly theo tỷ lệ 3: 1 (3 trội : 1 lặn) về kiểu hình và 1: 2: 1 về kiểu di truyền (kiểu gen). Bảng 1. Các kết quả lai đơn tính của Mendel TT Tổ hợp lai-P Thế hệ F1 Tỷ lệ ở F2 1 Hạt trơn x Hạt nhăn Hạt trơn 2,96 : 1 2 Hạt vàng x Hạt lục Hạt vàng 3,01 : 1 3 Vỏ xám x Vỏ trắng Vỏ xám 3,15 : 1 4 Quả đầy x Quả ngấn Quả đầy 2,95 : 1 5 Quả lục x Quả vàng Quả lục 2,82 : 1 6 Hoa ở thân : Hoa ở đỉnh Hoa ở thân 3,14 : 1 7 Thân cao x Thân thấp Thân cao 2,84 : 1 Tổng cộng 2,98 :1 Từ những kết quả này, Mendel đã phát triển 4 giả thuyết: 1. Các tính trạng được xác định bởi các nhân tố di truyền (ngày nay gọi là các gen). Có các dạng xen nhau của các nhân tố (sau này gọi là các alen), những đơn vị xác định các tính trạng tương phản. 2. Đối với mỗi tính trạng di truyền, cơ thể có hai nhân tố, mỗi nhân tố là từ một cha mẹ. Các nhân tố này có thể cả hai là giống nhau hoặc chúng có thể là hai dạng khác nhau 3. Tinh trùng và noãn chỉ mang một nhân tố cho mỗi tính trạng di truyền, bởi vì các cặp nhân tố phân ly nhau trong quá trình hình thành giao tử. Mendel cũng giả định rằng, khi tinh trùng và noãn kết hợp với nhau trong thụ tinh thì mỗi loại đòng góp nhân tố di truyền của mình, như vậy sẽ phục hồi trạng thái tứng cặp ở đời con. 4. Khi hai nhân tó của cặp là các dạng khác nhau, thì một được biểu hiện hoàn toàn còn dạng kia không có hiệu quả đáng kể trong sự biểu hiện bề ngoài cơ thể. Các dạng này được gọi là trội và lặn một cách tương ứng.
Giải thích của Mendel về tỷ lệ phân ly 3:1 theo quan điểm tế bào học. Thí dụ: P Đậu Hà lan thân cao x Thân thấp A A a a Giao tử bố, mẹ A a F1 A a x A a Thân cao Thân cao Giao tử F1 A a A a F2 A A A a A a a a Thân cao Thân cao Thân cao Thân thấp Tỷ lêệ phân ly kiểu gen 1 AA 2 Aa 1 aa Tỷ lệ phân ly kiểu hình 3 thân cao (trội) 1 thân thấp (lặn) 1.2.3 Qui luật phân ly độc lập (di truyền độc lập). Ở trên chúng ta đã xét phương thức di truyền theo kiểu hoạt động của một cặp tính trạng tương phản. Để xác định sự di truyền trong trường hợp có nhiều hơn một cặp tính trạng, Mendel đã lai giữa các cây bố mẹ khác nhau về hai hay ba cặp tính trạng tương phản. Kết quả ở cây lai F1 sẽ đồng nhất về tính trạng trội, trong khi ở F2 có kiểu hình và kiểu gen là tích xác suất cuả từng giao tử ở thế hệ F1.
Thí nghiệm của Mendel lai hai cặp tính trạng tương phản (cây đầu Hà lan có hạt trơn-vàng với cây đậu có hạt nhăn-lục). Kết quả F1 cho hoàn toàn cây có hạt trơn-vàng, còn ở thế hệ F2 tác giả nhận được tỷ lệ phân ly rất khác biệt: 9 tổ hợp cây có hạt trơn - vàng : 3 tổ hợp cây có hạt trơn - lục : 3 tổ hợp cây có hạt nhăn – vàng : 1 tổ hợp cây có hạt nhăn – lục. Khi lai hai giống bò Aberdeen Angus có màu lông da đen và không sừng với bò Shorthorn có màu lông da đỏ và có sừng. Thu được tất cả con lai F1 đều màu lông da đen và không sừng (trội), F2 nhận được 9 bò lông da đen, không sừng, 3 bò lông da đỏ, không sừng, 3 bò lông da đen, có sừng và 1 bò lông da đỏ, có sừng. Lai bò A. Angus lông đen, không sừng x bò Shorthorn lông đỏ, có sừng Kiểu gen A A a a B B b b Giao tử bố, mẹ A a B b F1 A a B b Bò lông đen, không sừng Xác định tỷ lệ phân ly ở F2, chúng ta có thể sử dụng phương pháp kẻ khung Punnett (bảng 2) . Bảng 2. Phân ly khi lai hai cặp tính trạng Giao tử Giao bố AB Ab aB ab tử mẹ AB AABB AABb AaBB AaBb Ab AABb AAbb AaBb Aabb aB AaBB AaBb aaBB aaBb ab AaBb Aabb aaBb aabb
Kết quả nhận được 9 A-B- (bò lông đen, không sừng) : 3 A-bb (bò lông đen, có sừng) : 3 aaB- (bò lông đỏ, không sừng) : 1 aabb (bò lông đỏ có sừng). Tỷ lệ phân ly kiểu hình 9:3:3:1. Tỷ lệ phân ly kiểu gen 1 AABB : 2 AABb : 2 AaBB : 4 AaBb : 1 AAbb : 1 aaBB : 2 Aabb : 2 aaBb : 1 aabb. Nguyên nhân dẫn đến kết quả này là do các nhân tố di truyền (gen) điều khiển các tính trạng độc lập với nhau, còn nếu chúng phụ thuộc nhau sẽ không cho kết quả trên. Do đó qui luật này được gọi là qui luật phân ly độc lập hay di truyền độc lập. Qui luật này có thể được phát biểu như sau: Khi lai hai cá thể khác nhau hai hay nhiều tính trạng tương phản thì các cặp tính trạng được di truyền độc lập nhau. 1.2.4 Công thức lai đa tính trạng Việc phân tích di truyền của một cặp tính trạng đã giúp Mendel và các nhà di truyền học hiểu được sự di truyền của hai hay nhiều cặp tính trạng tương phản trong các phép lai hai hay nhiều tính (đa tính trạng). Bảng 3. Phân ly đa tính trạng. Số các cặp Số loại giao Số lớp kiểu Tỷ lệ phân Tỷ lệ phân gen tương tửđược hình gen ở F2 kiểu hình ly kiểu gen phản dị hợp thành ở F1 ở F2 ở F2 1 21 31 (3:1)1 (1:2:1)1 2 22 32 (3:1)2 (1:2:1)2 3 23 33 (3:1)3 (1:2:1)3 : : : : : : : : : : n 2n 3n (3:1)n (1:2:1)n Chẳng hạn, như tỷ lệ phân ly 3:1 về kiểu hình ở F1 trong phép lai một cặp tính trạng tương phản. Tỷ lệ này ngày nay được hiểu rất rõ là kết quả phân ly chính xác của một cặp nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm phân và sự kết hợp ngẫu nhiên của các giao tử trong thụ tinh. Với hai cặp tính trạng, tỷ lệ phân ly trên là 9 : 3: 3: 1, tức là (3:1)2 và với n cặp gen d ị hợp n thì công thức phân ly kiểu hình ở F2 sẽ là (3:1) . Với cách lý giải tương tự, ta sẽ có các công thức cơ bản trong trường hợp lai nhiều tính trạng.
2. Sự tương tác gen làm sai lệch tỷ lệ phân ly Mendel. 2.1. Giữa các alen thuộc cùng 1 locus. 2.1.1 Trường hợp trội không hoàn toàn. Trội không hoàn toàn là hiện tượng một alen lấn át không hoàn toàn alen khác cùng locus với nó. Kết quả dị hợp có kiểu hình trung gian giữa hai kiểu hình đồng hợp trội và lặn. Do vậy, kết quả phân ly kiểu hình ở F2 không phải là 3:1 mà là 1:2:1. Thí dụ: cho lai giữa bò có lông đen với bò có lông đỏ. F1 nhận được bò có lông màu trung gian, F2 phân ly theo tỷ lệ 1 tổ hợp có lông màu đen : 2 tổ hợp có lông trung gian : 1 tổ hợp có lông màu đỏ. P. Bò có lông màu đen x Bò có lông màu đỏ AA aa F1 Aa x Aa Bò có lông màu trung gian F2 Phân ly kiểu gen 1 AA : 2 Aa : 1 aa Phân ly kiểu hình 1 trội : 2 trung gian : 1 lặn Sở dĩ nhận được kết quả trên là do, alen A qui định lông màu đen, a qui định lông màu đỏ, A không lấn át hoàn toàn a do đó kiểu gen dị hợp Aa cho màu lông trung gian. F1 nhận được bò có lông màu trung gian, F2 phân ly theo tỷ lệ 1 có lông màu đen : 2 có lông màu trung gian : 1 có lông màu đỏ. 2.1.2 Ảnh hưởng của các gen gây chết. Gen gây chết là gen nếu ở trạng thái đồng hợp sẽ có tác dụng gây chết ở các giai đoạn khác nhau. Nếu gây chết xẩy ra ở giai đoạn trong bào thai thì cá thể đó sẽ không được sinh ra và làm thay đổi tỷ lệ phân ly Mendel. Còn nếu gây chết xẩy ra ở giai đoạn ngoài thai thì không làm thay đổi tỷ lệ phân ly Mendel lúc sơ sinh, nhưng làm giảm sức sống, giảm tuổi thọ của cá thể có mang gen đó. Thí nghiệm của Cuenot về màu sắc lông chuột. Khi cho lai giữa chuột có lông màu vàng với nhau, ông nhận thấy ở đời con xuất hiện hai dạng màu lông vàng và đen với tỷ lệ 2:1. Giải thích hiện tượng này, tác giả cho rằng màu lông vàng của chuột là dị hợp thể, còn lông đen là đồng hợp
lặn còn đồng trội có tác dụng gây chết trong giai đoạn bào thai, nên không được sinh ra. Do đó, kết quả phân ly ở đời sau chỉ còn 2:1. Sơ đồ lai. P chuột vàng AYa x chuột vàng AYa Kiểu gene ở đời con 1 AYAY : 2 AYa : 1 aa AA đồng hợp trội gây chết 2 chuột vàng : 1 chuột đen Hình 9. Thí nghiệm ảnh hưởng của gen gây chết trội về màu lông chuột 2.2 Tương tác giữa các alen thuộc các locus khác nhau (2 locus). Khi phân tích di truyền ở đậu Hà lan, Mendel đã đề cập tới sự di truyền độc lập của các cặp nhân tố di truyền khác nhau (các cặp alen khác nhau) và tác động riêng rẽ của các cặp nhân tố đến các tính trạng. Song những nghiên cứu về sau cho thấy thực ra trong nhiều trường hợp các gen không alen có thể không tác động riêng rẽ mà tương tác với nhau để cùng xác định một tính trạng của cơ thể. Hiệu quả tương tác gen có thể diễn ra giữa các sản phẩm của gen để tạo nên kiểu hình mới. 2.2.1 Tương tác bổ trợ của gen (Complementary) Thí nghiệm của Bateson về hình dạng mào gà. Cho lai giữa gà có mào hoa hồng (AAbb) với gà có mào hạt đậu (aaBB), kết quả F1 cho gà có mào hình quả óc chó. Hình óc chó là kết quả tương tác bổ trợ giữa gen A-
B. Cho lai giữa gà F1 có mào hình quả óc chó với nhau, nhận được F2 phân ly theo tỷ lệ 9 hình óc chó (A-B-) : 3 hoa hồng (A-bb) : 3 hạt đậu (aaB-) : 1 hình lá (aabb). Hình 10. Các dạng mào gà Tương tác bổ trợ là hiện tượng các gen đứng riêng lẻ không phát huy tác dụng, nhưng nếu cùng chung trong một kiểu gen, chúng sẽ tương tác với nhau, làm xuất hiện dạng kiểu hình mới. Các gen có tác dụng như vậy được gọi là gen bổ trợ. Có thể bổ trợ giữa các gen trội và cũng có thể bổ trợ giữa các gen lặn. 2.2.2 Tương tác át chế (Epistasis). Át chế trội: là hiện tượng một gen trội át chế lại một gen trội khác không cùng alen với nó, làm cho gen đó không biểu hiện ra kiểu hình. Thí nghiệm về màu lông gà. Cho lai giữa gà leghorn trắng (CCII) với gà lông màu trắng (ccii), F1 nhận được gà có lông màu trắng (CcIi). Gen C tạo màu còn gen I át chế tạo màu. Cho lai giữa các gà F1 (CcIi) với nhau,
nhận được F2 phân ly theo tỷ lệ 13 gà lông màu trắng (C-I-, ccI-, ccii) : 3 gà lông có màu (C-ii). Hình 11. Tương tác át chế trội về màu lông gà Át chế lặn: Là hiện tượng một cặp gen lặn aa át chế một gen trội B, làm cho gen trội không biểu hiện ra kiểu hình.
Hình 12. Tương tác át chế lặn về màu lông chuột Thí nghiệm về màu sắc lông chuột: cho lai giữa chuột có lông màu đen (AAbb) với chuột có lông màu trắng (aaBB), nhận được F1 chuột có lông màu xám aguti (AaBb). Cho lai giữa chuột F1 (AaBb) với nhau nhận được F2 phân ly theo tỷ lệ 9 chuột có lông màu xám (A-B-) : 3 chuột có lông màu đen (A-bb) : 4 chuột có lông màu trắng (aaB-, aabb). 3. Ứng dụng định luật Mendel trong nhân giống động vật. 3. 1 Lai phân tích để phát hiện mức độ thuần chủng của các giống. Lai phân tích (Test-cross) là phương pháp cho lai giữa các cá thể F1 với cá thể đồng hợp lặn. Kết quả nhận được tỷ lệ phân ly 1 (Aa) kiểu hình trội : 1 (aa) kiểu hình lặn. Ứng dụng: Khi lai giữa lợn có lông màu trắng với lợn có lông màu đen, nếu đời con sinh ra đồng nhất có lông màu trắng thì màu trắng là đồng hợp (thuần chủng), còn nếu đời con sinh ra phân ly (xuất hiện cả lông trắng và lông đen) thì màu lông trắng ở thế hệ bố mẹ là dị hợp (không thuần chủng). 3. 2. Hồi giao để tăng mức độ trội về một đặc điểm nào đó (số lượng) ở đời con. Hồi giao (back cross) là phép lai giữa cá thể F1 với cá thể đồng hợp trội, đời con nhận được đồng nhầt về kiểu hình trội (không xuất hiện kiểu hình lặn).
Ứng dụng: Cho lai giữa lợn F1 (Yorkshire x Móng cái) với lợn Yorkshire, nhận được con lai có tỷ lệ di truyền 3/4 Yorkshire và 1/4 Móng cái. Con lai này có đặc điểm giống với lợn Yorkshire nhiều hơn (tăng trọng nhanh hơn, tỷ lệ nạc cao hơn F1). 4. Di truyền các tính trạng đa alen ở động vật 4.1. Khái niệm về gen đa alen và dãy đa alen. Gen đa alen là gen mà do đột biến, hình thành nhiều trạng thái bền vững của một gen qui định các trạng thái khác nhau về kiểu hình tính trạng. Ví dụ: gen A có các trạng thái A1, A2, A3 An. Các trạng thái khác nhau của một gen lập thánh dãy alen. Nếu trong dãy đó có từ 3 alen trở lên được gọi là dãy đa alen. Số lượng các kiểu gen được hình thành trong một quần thể có dãy đa alen là do số lượng các alen qui định. Nếu chỉ có 1 alen A thì hình thành 1 kiểu gen AA. Với 2 alen A1 và A2 thì hình thành 3 kiểu gen A1A1, A1A2 và A2A2. Với 3 alen A1, A2, A3 có thể hình thành 6 kiểu gen A1A1, A2A2, n(n 1) A3A3, A1A2, A1A3, A2A3. Với n alen, sẽ hình thành kiểu gen, 2 n(n 1) trong đó có n đồng hợp thể và dị hợp thể. 2 Hiện tượng dãy nhiều alen trong quần thể sinh vật là một trong những hiện tượng quan trọng trong biến dị di truyền của sinh vật. Mỗi gen có thể biến đổi rất đa dạng, ảnh hưởng rất khác nhau lên sự phát triển của tính trạng. Dãy nhiều alen làm tăng lên các biến dị tổ hợp của các sinh vật. Các biến dị này được hình thành không chỉ do sự phân ly của 1 cặp alen, mà do sự tổ hợp của nhiều alen trong dãy nhiều alen, sự tổ hợp vô cùng đa dạng giữa các alen này với các alen khác, ở các locus khác nhau dẫn đến tính đa hình trong sinh giới. Dãy nhiều alen ở các quần thể sinh vật nói chung và động vật nói riêng ngày càng được phát hiện thêm nhiều, trên các loại gen khác nhau, tại các locus khác nhau, qua các công trình điều tra cơ bản và đặc biệt nhờ các phương pháp phân tích mới, hiện đại. 4.2 . Dãy nhiều alen về hemoglobin ở bò và lợn. Trong quá trình phát triển cá thể ở bò và một số loài gia súc khác, người ta phát hiện 3 dạng hemoglobin.
Hemoglobin phôi (HbF) ở bò được phát hiện 2 dạng, dạng xuất hiện lúc 4 tuần sau thụ thai và mất đi lúc 6-10 tuần tuổi sau khi sinh (Kleihauer, Stoffler, 1968, Kichen, 1970) Người ta cũng thấy có sự thay thế cho nhau giữa HbF và HbA (dạng hemoglobin trưởng thành) trong những tháng đầu sau khi bê sinh ra. Thời gian thay thế HbF hoàn toàn bằng HbA cũng khác nhau giữa các giống bò. Kết quả phân tích hemoglobin trên bò nuôi ở Việt Nam cho thấy, ở bò thuộc các giống Sìnd và lai Hà-Ấn, từ 1-80 ngày tuổi, bên cạnh dạng HbA còn phát hiện cả HbF (Phan Cự Nhân, 1970). Ở lợn trong các giai đoạn phôi sớm, cũng gặp 2 dạng hemoglobin phôi, tương tự Hb Grow 1 và Hb Grow II ở người (Kleihauer, Stoffler, 1968, Kichen, 1970, Đặng Hữu Lanh, 1977). Thực nghiệm phân tích ở Việt Nam cho thấy, ở lợn Ỉ Nam Định, thời điểm xuất hiện dạng Hemoglobin trưởng thành xẩy ra lúc phôi 24 ngày, trong khi đó ở lợn Đại Bạch là 30 ngày. Sự thay thế hoàn toàn HbF bằng HbA ở lợn Ỉ là lúc phôi 40 ngày, còn ở lợn Đại Bạch là 50 ngày. Hiện tượng này có thể hợp với qui luật sinh học là ở các động vật nhiệt đới có độ thành thục sinh dục sớm hơn thì quá trình thay thế này cũng sớm hơn so với các giống ôn đới. 4.3 Dãy nhiều alen về nhóm máu. Di truyền học ngày nay đã cho thấy, sự khác nhau giữa các cá thể gia súc về nhóm máu là do dãy nhiều alen trong nhiễm sắc thể thường, qui định sự tạo thành kháng nguyên trong hồng cầu. Kháng nguyên là một loại protein khi có mặt trong hồng cầu, sẽ làm tạo thành một loại kháng thể đối lập với protein ấy. Loại kháng nguyên nhóm máu có trong điều kiện tự nhiên và ứng với loại kháng nguyên ấy có một kháng thể, cũng được tạo thành trong điều kiện tự nhiên. Kháng nguyên nằm trong hồng cầu còn kháng thể nằm trong huyết thanh. Nếu kháng nguyên gặp kháng thể tương ứng sẽ gây hiện tượng ngưng kết (dung huyết). Nhóm máu Lanstener là nhóm máu cơ bản ở người, gồm có nhóm máu A, trong hồng cầu có kháng nguyên A và trong huyết thanh có kháng thể . Nhóm máu B, trong hồng cầu có kháng nguyên B và trong huyết thanh có kháng thể . Nhóm máu AB trong hồng cầu có kháng nguyên A và B, trong huyết thanh không có kháng thể. Nhóm máu O trong hồng cầu không có kháng nguyên, nhưng trong huyết thanh có hai loại kháng thể và .
Như vậy, nếu người cho máu có nhóm máu A và người nhận có nhóm máu B thì sẽ xẩy ra hiện tượng ngưng kết. Bảng 4 Phản ứng giữa kháng nguyên-kháng thể khi truyền máu ở người. Nhóm máu người cho A B AB O Nhóm máu người nhận A - + + - B + - + - AB - - + - O + + + - Nhóm máu A do alen IA điều khiển, nhóm máu B do alen IB điều khiển, nhóm máu AB do 2 alen đồng trội IAIB điều khiển và nhóm máu O do 2 alen lặn điều khiển ii. Việc hình thành nhóm máu ở con cái là do các alen qui định nhóm máu ở bố và mẹ. Ví dụ: bố nhóm máu A x mẹ có nhóm máu B IAIA, IAi IB IB, IBi Kiểu gen ở con IAIB IAi IBi ii Nhóm máu AB A B O Ở nhiều nước, các tư liệu về cơ sở di truyền của các sai khác trong nhóm máu của đại gia súc có sừng đã được sử dụng để kiểm ra nguồn gốc của gia súc, được biểu thị trong hệ phả của nó. Nhóm máu được sử dụng để chẩn đoán về trạng thái đồng hợp thể và dị hợp thể, cùng trứng hay khác trứng trong các trường hợp sinh đôi cùng giới tính ở đại gia súc có sừng. 4.4 Di truyền các hệ thống protein đa hình. Bên cạnh việc phát hiện tính da hình của các hệ thống nhóm máu nhờ các phương pháp miễn dịch người ta cũng phát hiện được hiện tượng đa hình của nhiều hệ thống protein trong các dịch sinh học nhờ phương pháp điện di (electrophoresis).
Cũng như các nhóm máu, tất cả các protein dược kiểm soát bởi các alen khác nhau trong cùng một locus được thể hiện hệ thống protein đa hình. Ngoài ra trong các sản phẩm như sữa, cơ, trứng, tinh dịch và nhiều mô khác cũng có hiện tượng đa hình. Trong công tác giống gia súc, các hệ thống nhóm máu và các protein đa hình được sử dụng để kiểm tra dòng bố, sự liên quan với bệnh tật, năng suất, nghiên cứu sinh đôi, sự tiến hóa và quan hệ di truyền giữa các giống. 4.5 Đa alen về màu sắc lông thỏ. Ở thỏ, có các dạng màu lông: màu hoang dại, xám chinchila, hymalaya và bạch tạng. Khi cho lai thỏ hoang dại (CC) với xám chinchila (CchCch) nhận được ch thỏ F1 hoàn toàn màu hoang dại (CC ). Như vậy, màu hoang dại là trội so với Chinchila. ch Cho lai các thỏ F1 (CC ) với nhau nhận được F2 phân ly theo tỷ lệ 3 hoang dại : 1 chinchila. Cho lai thỏ chinchila (CchCch) với thỏ hymalaya (ChCh), nhận đựoc thỏ F1 hoàn toàn có màu chinchila. Như vậy màu chinchila trội hơn so với màu hymalaya. ch h Cho lai các thỏ F1 (C C ) với nhau, nhận được F2 phân ly theo tỷ lệ 3 chinchila : 1 hymalaya. h h Cho lai giữa thỏ hymalaya (C C ) với thỏ bạch tạng (cc) nhận được F1 (Chc) hoàn toàn hymalaya, chứng tỏ hymalaya trội hơn so với bạch tạng. h Cho lai các thỏ F1 (C c) với nhau nhận được F2 phân ly theo tỷ lệ 3 hymalaya : 1 bạch tạng. Kết quả các thí nghiệm trên chứng tỏ, các gen qui định màu sắc lông thỏ là các alen cùng một locus. Chúng ta có thể sắp xếp mức độ trội lặn của các alen như sau: C > Cch > Ch > c. Kiểu gen Kiểu hình CC, CCch, CCh, Cc Hoang dại CchCch, CchCh, Cchc Chinchila ChCh, Chc Hymalaya Cc Bạch tạng
4.6 . Di truyền màu sắc lông ở gia súc. Màu sắc do một số ít gen kiểm soát nên có thể sử dụng để phân tích di truyền, dự đoán màu lông ở đời sau trong chọn lọc, chẳng hạn nuôi chó muốn có con “có sao” trên nền trắng thì không nhất thiết phải từ bố mẹ “có sao”. Ở động vật có vú, màu sắc lông da là do sắc tố melanin tạo thành. Ở gia cầm, ngoài melanin ra còn có xantophin từ thức ăn đưa vào. Ở động vật có vú, đặc biệt ở chuột lang đã xác định được rằng, màu sắc muốn biểu hiện phải có gen trội C (từ chữ colour). Có 4 đột biến lặn xuất hiện từ locus này qui dịnh các mức độ giảm khác nhau của màu lông. Alen Ca ở trạng thái đồng hợp tạo nên màu lông hầu như không có sắc tố (bạch tạng). Những alen khác trong locus này qui định các màu trung gian giữa sẩm màu và bạch tạng. Người ta phân loại các gen khác kiểm soát màu sắc lông theo tác động của chúng gây ra khi có mặt gen C như sau: - Gen ảnh hưởng đến sự phân hóa màu trong cùng một chiếc lông. - Gen qui màu của các loại sắc tố. - Gen có ảnh hưởng lên độ sẩm của sắc lông mà không ảnh hưởng tới màu của sắc tố. - Gen điều khiển sự phân bố lông hoặc từng mảng da có sắc tố và không có sắc tố. 4.6.1 Ở bò. Màu lông bạch tạng rất ít gặp ở bò. Những thí nghiệm về chọn giống đã chứng minh rằng đó là do gen lặn kiểm soát. Những bê bạch tạng sống đến tuổi trưởng thành đều phản ứng ánh sáng mạnh và hoàn toàn khỏe mạnh không thua kém những con khác cùng sống trong một chuồng. Người ta cho rằng gen màu C, trong nhiều trường hợp đột biến thành alen lặn làm giảm, có khi mất hẵn màu. Cũng không loại trừ khả năng ở bò cũng có nhiều alen qui định màu sắc lông từ đậm đến không màu. Màu lông đen và đỏ (vàng sẩm) Cơ chế di truyền màu lông đen và đỏ vẫn còn chưa thống nhất. Người ta cho rằng gen C tạo màu lông đen, còn các thể đồng hợp cc cho màu đỏ như đã thấy ở các gia súc khác. Mức độ màu lông đỏ, một phần do một cặp alen, trong đó alen lặn làm nhạt đi nhiều, phần khác do những gen gây biến đổi. Màu lông nâu thường gặp nhiều dạng khác nhau. Kiểu di truyền của chúng hoàn toàn chưa được sáng tỏ, nhưng cũng không loại trừ khả năng
là lông nâu (lẫn lộn đen, đỏ) là do gen cp, lặn so với gen màu đen và trội so với gen màu hung và còn có thêm gen B thuộc loại khác tham gia vào đó. Lông lang và các đốm trắng. Ở phần lớn các giống bò có nhiều con có những đốm trắng to, nhỏ khác nhau. Sắc lông lang có thể thấy khác nhau ở từng con cũng như giữa các giống. Người ta cho rằng, sự khác nhau đó chỉ một phần do di truyền, bởi vì khi nghiên cứu các con vật sinh đôi cùng trứng thì thấy kiểu lông lang ít khi giống nhau về mặt phân bố các đốm. Ở những con vật sinh đôi có khi dạng lông giống nhau, có khi lại khác. Năm 1948, Cole và Johanson nghiên cứu kĩ màu lông của con lai F1 giữa bò lang đen trắng với bò Anberdeen Angus thì thấy tất cả các con lai ở vùng bụng, phía đuôi đều trắng. Khi cho các con lai giao phối với nhau thì thu được 3 màu đen tuyền hay có đốm trắng nhỏ : 1 màu lang. Như vậy, có thể gen màu lông lang s của bò không lặn hoàn toàn. Đường ranh giới những mảng đen-trắng ở bò không rõ rệt như nhau. Ở bò lang đen- trắng, đường đó rất rõ, còn ở bò lang trắng-đỏ (vàng) thì lại rất mờ. Khi cho lai hai loại này với nhau, con lai F1 có đường phân chia lang đen-trắng rõ. Từ đây người ta cho rằng dạng lang đen-trắng do một gen trội kiểm soát, các alen xác định lang trắng-đỏ là lặn 4.6.2 Ở lợn. Ở lợn thường gặp màu lông đen, trắng và lang. Ở một vài giống lợn thường gặp có lông đen tuyền (lợn Ỉ Việt Nam, Đen lớn của Anh. Màu lông trắng ở lợn Yorkshire, lợn Landrace hay lang đen - trắng như giống Berkshire của Anh, Mỹ, giống Móng Cái Việt Nam ). Trái lại, lông màu hung ít khi gặp, đại diện của loại này như giống Duroc ở Mỹ và Temvocer ở Anh. Tóm lại, di truyền màu sắc lông ở gia súc là tuân theo qui luật Mendel, là hiện tượng trội lặn của gen alen. 5. Di truyền các tính trạng số lượng (Quantitative genetics). 5. 1. Tính trạng số lượng và đặc trưng của nó. 5.1.1 Định nghĩa. Tính trạng số lượng là những tính trạng có biến dị liên tục do nhiều gen qui định. Các tính trạng này thường được xác định bằng các cách cân, đong, đo, đếm.
Ví dụ: tính trạng cân nặng, chiều đo, khả năng tăng trọng, sản lượng trứng ở gia cầm, sản lượng sữa ở bò, số con đẻ ra/lứa ở lợn 5. 1.2 Đặc trưng của tính trạng số lượng. - Là tính trạng đa gen (polygen), sự hình thành và biểu hiện của tính trạng do nhiều gen điều khiển. - Là tính trạng có biến dị liên tục, sự thay đổi của tính trạng tạo thành dãy biến dị liên tục, rất khó phân biệt. Nếu sắp xếp các giá trị của nó lên đồ thị sẽ cho ta đường cong phân bố chuẩn. - Là tính trạng chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện ngoại cảnh. Trong điều kịên ngoại cảnh thuận lợi, tính trạng ít biến đổi còn trong điều kiện bất lợi, tính trạng rất dễ thay đổi. Ví dụ: cho ăn tốt, khí hậu, thời tiết ổn định, qui trình chăm sóc phù hợp lợn sẽ cho tăng trọng cao còn trong điều kiện ăn kém, khí hậu, thời tiết khắc nghiệt, qui trình chăm sóc không phù hợp lợn sẽ cho tăng trọng trung bình hoặc thấp. - Qui luật di truyền của tính trạng số lượng, ngoài qui luật Mendel còn có qui luật riêng, đó là di truyền trung gian, di truyền đa gen, phân ly tăng tiến. 5.2 Di truyền của tính trạng số lượng 5.2.1 Di truyền trung gian. Khi cho lai giữa các cá thể bố mẹ có nguồn gốc khác nhau, con lai F1 biểu thị trung gian giữa bố và mẹ. Các cá thể F1 không đồng nhất như tính trạng Mendel và có sự khác nhau (biến thiên), nhưng khoảng biến thiên không lớn (hẹp). Nếu cho lại giữa các cá thể F1, nhận được F2 là trung gian giữa bố mẹ F1, nhưng khoảng biến thiên ở F2 lớn hơn (rộng hơn) so với F1. Thí dụ: Cho lai giữa lợn Yorkshire x lợn Móng cái. Tăng trọng 600 g/ngày 300 g/ngày 600 300 F1 450g /ngày 2 F2 600 g/ngày 300 g/ngày
5.2.2 Di truyền đa gen. Theo thuyết di truyền đa gen, tính trạng số lượng do nhiều gen điều khiển, mỗi gen có hiệu ứng nhỏ lên biểu hiện tính trạng. Kiểu hình của tính trạng là tổng hiệu ứng của các gen có trong kiểu gen cá thể. Cũng ví dụ trên, hãy tính khả năng tăng trọng của lợn F1, F2. Giả sử tăng trọng/ngày của lợn được điều khiển bởi 3 đôi gen. AABBCC aabbcc 600 g/ngày 300 g/ngày 600 - Hiệu ứng của 1 gen trội: 100g / ngày 6 300 - Hiệu ứng của 1 gen lặn: 50g / ngày 6 - Tăng trọng của F1: 100 g/ngày x 3 + 50 g/ngày x 3 = 450 g/ngày. Dãy biến thiên về tăng trọng ở F2. Sử dụng nhị thức (p+q)n, trong đó p là gen trội, q là gen lặn và n là số gen điều khiển tính trạng. Trong trường hợp trên ta có (p+q)6, khai triển nhị thức ta được: 1p6 + 6p5q + 15p4q2 + 20p3q3 + 15 p2q4 + 6 pq5 + 1q6 Như vậy, có 1 tổ hợp 6 gen trội: 100 x 5 = 600 g/ngày 6 tổ hợp có 5 gen trội và 1 gen lặn: 100 x 5 + 1 x 50 = 550 g/ngày 15 tổ hợp có 4 gen trội và 2 gen lặn: 4 x 100 + 2 x 50 = 500 g/ngày 20 tổ hợp có 3 gen trội và 3 gen lặn: 3 x 100 + 3 x 50 = 450 g/ngày 15 tổ hợp có 2 gen trội và 4 gen lặn: 2 x 100 + 4 x 50 = 400 g/ngày 6 tổ hợp có 1 gen trội và 5 gen lăn: 1 x 100 + 5 x 500 = 350 g/ngày 1 tổ hợp có 6 gen lặn : 6 x 50 = 300 g/ngày. 5.2.3 Sự phân ly tăng tiến. Khi cho lai giữa các cá thể bố mẹ có nguồn gốc khác nhau, con lai F1 biểu thị trung gian giữa bố và mẹ. Cho lại giữa các cá thể F1, nhận được F2, trong các cá thể F2 có một số cá thể có năng suất rất cao (cao hơn bố, mẹ ở mức cao) và có một số cá thể có năng suất rất thấp (thấp hơn cả bố, mẹ ở mức thấp). Hiện tượng này người ta gọi là sự phân ly tăng tiến.
Ví dụ: AAbbCC x aaBBcc F1 AaBbCc (trung gian giữa bố và mẹ) F2 AABBCC AaBbCc aabbcc tăng tiến dương tăng tiến âm 5.3 Phương pháp nghiên cứu di truyền tính trạng số lượng. 5.3 1. Phân bố chuẩn (Normal distibution). Khi nghiên cứu các tính trạng số lượng với số lượng cá thể lớn (vô hạn), đồ thị phân bố các giá trị trong đám đông có dạng hình chuông. Gá trị trung bình và xấp xỉ trung bình chiếm tỷ lệ (xác suất) lớn nhất, các giá trị rất cao hoặc rất thấp chiếm tỷ lệ (xác suất) rất nhỏ, đường thẳng vuông góc đi từ đỉnh đồ thị xuống trục hoành chia đồ thị ra hai phần bằng nhau. Đó là đồ thị phân bố chuẩn. Giá trị hàm phân bố Fx = ( x Mx)2 x 1 2 2 e dx 2 Phân bố chuẩn phụ thuộc vào 2 tham số: trung bình và kỳ vọng Mx = và phương sai 2 Dx = . Hình 13. Đồ thị phân bố chuẩn 5.3.2. Trung bình cộng và phương sai. - Trung bình cộng: Là tỷ số giữa tổng giá trị của các cá thể nghiên cứu với số cá thể của mẫu. x x x x Công thức tính: X 1 2 n i n n Trung bình cộng được sử dụng để đánh giá mức độ tập trung, bản chất của đám đông số liệu. - Phương sai: Là tỷ số giữa tổng bình phương các biến sai của từng trị số xi xung quanh trung bình cộng và bậc tự do.
Công thức tính: (x X ) 2 (x X ) 2 (x X ) 2 (x X ) 2 s 2 1 2 i i n 1 n 1 Phương sai dùng để đánh giá mức độ phân tán (biến thiên) của đám đông số liệu 5.3.3 Phân tích phương sai (Analysis of variance). Kiểu di truyền và môi trường đều có tác động lên sự hình thành và phát triển của tính trạng. Tuy nhiên trong sự biểu hiện của tính trạng thông qua kiểu hình, kiểu di truyền đóng vai trò chủ yếu, còn lại do ngoại cảnh và tương tác giữa di truyền và ngoại cảnh. Đối với các tính trạng số lượng, giá trị kiểu gen được tạo thành do hiệu ứng nhỏ của các gen, tập hợp lại thành hiệu ứng lớn. Trong chọn lọc gia súc, nghiên cứu các đặc điểm di truyền các tính trạng chính là nghiên cứu sự biến đổi của nó và tham số phương sai là tiêu biểu nhất. Các thành phần của phương sai: Sai khác giữa các cá thể về giá trị kiểu hình với trung bình chung được đánh giá bằng phương sai tổng. Sai khác này do nhiều yếu tố ảnh hưởng, chủ yếu là di truyền và ngoại cảnh. Căn cứ vào các nhân tố ảnh hưởng đến tính trạng số lượng (tăng trọng, sản lượng trứng, sản lượng sữa ) chúng ta có những thành phần phương sai như sau: Trong trường hợp không có tương tác giữa di truyền và môi trường. VP = VG + VE. Hay VP = VA + VD + VI + VE Trong đó VP: Phương sai giá trị kiểu hình tính trạng. VG: Phương sai giá trị kiểu di truyền VE: Phương sai môi trường (sai lệch môi trường). VA: Phương sai giá trị cộng gộp (additive). VD: Phương sai giá trị trội (dominant) VI: Phương sai do tương tác gen (interaction).
Trong trường hợp có tương tác giữa di truyền và môi trường, ví dụ một bò sữa có sản lượng sữa cao hơn do cho ăn tốt hơn, hoặc kiểu di truyền A có thể ưu việt hơn kiểu di truyền B trong môi trường X nhưng kiểu di truyền B có thể ưu việt hơn kiểu A trong môi trường Y. Khi có sự tương tác giữa di truyền và môi trường thì phương sai kiểu hình được tăng thêm hai lần hiệp phương sai của di truyền và môi trường. VP = VA + VD + VI + 2COV GxE + VE. Tương tác di trưyền-môi trường trở nên quan trọng hơn khi mà các cá thể của một quần thể được nuôi dưỡng trong điều kiện môi trường khác nhau. Phương sai về tương tác kiểu gen-môi trường cũng chứng minh cho sự nhạy cảm của kiểu gen đối với môi trường. Kiểu gen khác nhau thì nhạy cảm với môi trường khác nhau, môi trường không giống nhau thì sự nhạy cảm của kiểu gen cũng khác nhau. Trong nghiên cứu di truyền tính trạng số lượng, người ta phân tích phương sai giá trị kiểu hình tính trạng ra các phương sai thành phần như trên và so sánh các thành phần đó với phương sai môi trường để tính các tham số di truyền: hệ số di truyền, tương quan di truyền, hệ số lặp lại. Phương pháp này được gọi là phân tích phương sai (analysis of variance). 5.3.4. Hệ số tương quan và hồi qui. Để biểu thị mối quan hệ giữa các tính trạng số lượng, người ta sử dụng tương quan và hồi qui. - Hệ số tương quan (coefficien of relation): Hệ số tương quan r là tỷ số giữa hiệp phương sai và trung bình nhân các phương sai. Ví dụ, tương quan giữa hai tính trạng X (lượng sữa) với Y (tỷ lệ mỡ sữa bình quân). (xi M X ) ( yi M Y ) rXY 2 2 (xi M X ) ( yi M Y ) Trong đó xi là các giá trị, Mx là trung bình hoặc kỳ vọng các giá trị thuộc tính trạng X, yi là các giá trị, My là trung bình hoặc kỳ vọng các giá trị thuộc tính trạng Y. - Hệ số hồi qui và phương trình hồi qui .
Hệ số hồi qui và phương trình hồi qui được sử dụng để định lượng hóa mối quan hệ giữa các tính trạng và dự đoán thay đổi khi các tính trạng có liên quan thay đổi. Hệ số hồi qui (regretion): (xi M X ) ( yi M Y ) bXY 2 (xi M X ) Phương trình hồi qui: có thể hồi qui tuyến tính và hồi qui không tuyến tính (phi tuyến). Phương trình hồi qui tuyến tính bậc 1: y = a + bx Trong đó: y là tính trạng (biến) phụ thuộc, x là tính trạng (biến) độc lập, a là hằng số (khi x = 0 thì y = a) hay là điểm cắt của đồ thị tại trục tung khi x = 0 và b là hệ số hồi qui.
Câu hỏi ôn tập chương 1 1. Hãy nêu những đặc điểm của cây đậu Hà Lan thuận lợi cho nghiên cứu di truyền? 2. Hãy cho biết lý do tại sao Mendel đã thành công trong nghiên cứu? 3. Hãy trình bày thí nghiệm và phát biểu các quy luật di truyền Mendel, giải thích quy luật theo quan điểm tế bào học? 4. Thế nào là lai phân tích? Ý nghĩa của lai phân tích trong nghiên cứu di truyền và thực tiễn chăn nuôi? 5. Trình bày tương tác giữa các alen trong một locus gen 6. Thế nào là hiện tượng tương tác bổ trợ của gen? Tương tác bổ trợ về hình dạng mào gà? 7. Thế nào là hiện tượng át chế? Tương tác át chế trội và tương tác át chế lặn? 8. Thế nào là gen đa alen? Trình bày một số trường hợp di truyền của gen đa alen. 9. Thế nào là tính trạng số lượng? Các đặc trưng của tính trạng số lượng? Hãy nêu và giải thích di truyền trung gian đối với tính trạng số lượng? 10. Hãy nêu thuyết đa gen trong di truyền tính trạng số lượng?
32 Chương 2 DI TRUYỀN HỌC TẾ BÀO Những người đương thời với Mendel không hiểu các qui luật di truyền của Ông, một phần do chưa biết các cơ chế phân bào. Năm 1879, người ta đã tìm được cơ chế phân chia nguyên nhiễm và năm 1890, tìm ra cơ chế phân chia giảm nhiễm. Như vậy, đến cuối thế kỷ 19, các nhà sinh học mới tìm thấy mối tương quan giữa sự biểu hiện của nhiễm sắc thể trong phân bào với sự biểu hiện các nhân tố Mendel. Với đối tượng nghiên cứu là ruồi dấm (Drosophila melanogaster), năm 1910 T.H. Morgan và các cộng sự đã đưa ra học thuyết di truyền nhiễm sắc thể, chứng minh các gen nằm trên nhiễm sắc thể, chúng liên kết với nhau để hình thành nên các đặc điểm, tính trạng của cơ thể. Sự ra đời của học thuyết di truyền nhiễm sắc thể đã đánh dấu thời kỳ phát triển thứ hai của di truyền học và là cơ sở xây dựng bản đồ gen động vật. 1. Cấu trúc cơ sở nhiễm sắc thể. 1.1. Khái niệm về nhiễm sắc thể. Nhiễm sắc thể (chromosome) là thể vật chất di truyền, tồn tại trong nhân tế bào, bắt màu bằng các thuốc nhuộm kiềm tính, có dạng hình sợi hoặc hình que. Nhiễm sắc thể có số lượng, hình dạng, kích thước, cấu trúc đặc trưng cho từng loài. Nhiễm sắc thể có khả năng tái sinh, phân ly và tổ hợp trong quá trình phân chia tế bào và thụ tinh để tạo thành cá thể mới. Nhiễm sắc thể cũng có khả năng biến đổi về số lượng, cấu trúc, khi xẩy ra những thay đổi làm xuất hiện các đặc điểm kiểu hình mới (các đột biến). 1.2 Cấu trúc cơ sở của nhiễm sắc thể. Ở virus, nhiễm sắc thể chỉ là một phân tử DNA trần. Ở sinh vật có nhân, nhiễm sắc thể có cấu tạo phức tạp. Ở các tế bào thực vật và động vật sau khi nhân đôi, mỗi nhiễm sắc thể có 2 cromatit (sợi nhiễm sắc), mỗi cromatit có 1 sợi DNA. Các cromatit này đóng xoắn cực đại vào giai đoạn trung kỳ (trong phân chia tế bào) nên chúng có hình dạng, kích thước đặc trưng. Khi nhuộm màu, nhiễm sắc thể sẽ bắt màu ở các phần có sự khác nhau. Vùng bắt màu đậm gọi là vùng dị nhiễm sắc. Vùng này có chứa nhiều hạt nhiễm sắc (nút xoắn DNA), ở đây phân tử DNA đang ở trạng thái xoắn mạnh, ít hoạt động nên ít ảnh hưởng đến đặc điểm di truyền của cơ thể.
33 Vùng bắt màu nhạt gọi là vùng nhiễm sắc thể thực (đồng nhiễm sắc), vùng này có chứa ít hạt nhiễm sắc. Ở đây phân tử DNA đang hoạt Hình 14. Tế bào động vật động phiên mã, nên có ảnh hưởng lớn đến đặc điểm di truyền của cơ thể. Trên nhiễm sắc thể có các eo, eo thứ nhất có chứa tâm động là nơi đính sợi nhiễm sắc lên sợi tơ vô sắc trong phân chia tế bào. Vị trí của tâm động quyết định hình thái của nhiễm sắc thể: tâm cân, tâm lệch, tâm mút. Tâm động có thể bị phân chia, khi tâm đông phân chia, nhiễm sắc thể kép trở thành các sợi đơn. Eo thứ hai là nơi tổng hợp rRNA để hình thành ribosome là nơi tổng hợp protein. Ở một số loài sinh vật vòng đời có trải qua giai đoạn ấu trùng có xuất hiện các nhiễm sắc thể với kích thước lớn hàng nghìn lần gọi là nhiễm sắc thể khổng lồ. Ở tế bào trứng của một số loài lưỡng cư có nhiễm sắc thể hình chổi đèn.
34 Chiều dài nhiễm sắc thể từ 0,2 - 50 m, chiều ngang từ 0,2 - 20 m. Về cấu tạo vi thể: Nhiễm sắc thể được cấu tạo từ chất nhiễm sắc, bao gồm DNA và protein. Phân tử DNA quấn quanh khối cầu protein tạo nên nucleosome, là đơn vị cấu trúc cơ bản theo chiều dọc nhiễm sắc thể. Mỗi nucleosome gồm 8 phân tử histon chồng lên nhau tạo nên khối cầu, phía ngoài được bao bọc bởi 13 vòng 4 Hình 15.Hình thái và các dạng nhiễm sắc thể. xoắn DNA, đoạn phân A/ Hình thái các bộ phận của nhiễm sắc thể tử này có khoảng 146 B/ Các dạng nhiễm sắc thể ở kỳ giữa cặp nucleotit. DNA và một phân tử 1.Tâm cân; 2. Tâm lệch; 3. Tâm mút; Các proteinnucleosome histon. nối lại với 4. Có eo thứ cấp; 5.Có thể kèm; 6. Tâm đầu nhau bằngTổ hợp các DNA đoạn với histon trong chuỗi nucleosome tạo thành sợi cơ bản có chiều ngang 100Ao, sợi cơ bản cuộn xoắn thứ cấp tạo nên nhiễm o sắc thể có chiều ngang 300 A . Sợi nhiễm sắc thể tiếp tục đóng xoắn tạo nên một ống rỗng với bề ngang 2000 Ao,cuối cùng tạo thành sợi cromatit. Nhờ cấu trúc xoắn cuộn như vậy nên chiều dài của nhiễm sắc thể được rút ngắn 15 - 20 ngàn lần so với chiều dài phân tử DNA. Ví dụ, nhiễm sắc thể dài nhất của người khoảng 82 mm, sau khi xoắn cực đại chỉ còn khoảng 10 m. Sự thu gọn cấu trúc không gian như vậy thuận lợi cho sự phân ly, tổ hợp các nhiễm sắc thể trong chu kỳ phân chia tế bào.
35 Hình 16. Nhiễm sắc thể kiểu bàn chải đèn A. Trong noãn bào sơ cấp của cá cóc, thấy rõ trục chính từ đấy tỏa ra các nút. B. Các chi tiết của ảnh A, trong đ ó thấy rõ các nút chính là những hạt nhiễm sắc thể. Phân tử DNA nằm trên nhiễm sắc thể. Các vùng đen cho thấy sự phân bố quá trình tổng hợp RNA trên các nút nhiễm sắc thể kiểu bàn chải đén (theo J. Gal)
36 Hình 17. Nhiễm sắc thể khổng lồ tuyến nước bọt ấu trùng ruồi giấm. R là vai trái , L là vai phải của từng nhiễm sắc thể. Các tế bào sinh dưỡng (soma), nhiễm sắc thể luôn đi với nhau theo từng cặp, giống nhau về hình thái, một có nguồn gốc từ bố và một có nguồn gốc từ mẹ, được gọi là cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Bộ nhiễm sắc thể có cặp gọi là lưỡng bội (2n). Các tế bào sinh dục (tinh trùng, trứng), nhiễm sắc thể tồn tại thành từng chiếc đơn lẻ được gọi là tế bào đơn bội (n). Ngoài ra, ở nhiều động vật có sự khác nhau giữa cá thể đực và cái ở cặp nhiễm sắc thể giới tính. 1.3 Kiểu nhân (caryotype) và nhiễm sắc thể đồ. Tất cả các tế bào của một loài nói chung có số lượng nhiễm sắc thể cố định, đặc trưng cho loài đó. Ví dụ, ruồi dấm Drosophila melanogaster có 8 nhiễm sắc thể; tế bào ngô có 20 nhiễm sắc thể; tế bào người có 46 nhiễm sắc thể; đậu Hà lan có 14 nhiễm sắc thể; chó 78 nhiễm sắc thể; bò có 50 nhiễm sắc thể; lúa 24 nhiễm sắc thể Sự ổn định về hình thái của một nhiễm sắc thể và sự cố định về số lượng, nên sự mô tả hình thái của nhiễm sắc thể được gọi là kiểu nhân đặc trưng của mỗi loài. Kiểu nhân có thể được biểu hiện ở dạng nhiễm sắc thể đồ khi nhiễm sắc thể được xếp theo thứ tự từ giảm dần về chiều dài các cặp nhiễm sắc thể.
37 Hình 18. Kiểu nhân và nhiễm sắc thể đồ ở người Sau này kỹ thuật nhuộm màu hoàn chỉnh hơn, làm rõ các vệt đặc trưng, hình thái của nhiễm sắc thể được xác định chi tiết hơn. Dựa vào nhiễm sắc thể đồ, nhuộm màu có thể nhìn thấy các đoạn tương đồng trên các nhiễm sắc thể cùng loại của các loài có quan hệ họ hàng gần nhau. 2. Đặc thù trong hoạt động của nhiễm sắc thể. 2.1. Chu kỳ tế bào (Cell cycle). Chu kỳ tế bào là toàn bộ các sự kiện xẩy ra từ lần phân bào này đến lần phân bào kế tiếp. Chu kỳ tế bào bao gồm 4 giai đoạn G1, S, G2 và M. - Giai đoạn G1 (Gap 1) kéo dài từ sau khi tế bào phân chia lần trước đến bắt đầu sao chép DNA. Trong giai đoạn này, tế bào tích lũy vật chất nội bào, năng lượng để chuẩn bị tổng hợp DNA. - Giai đoạn S (synthesis): Tổng hợp DNA, cuối giai đoạn này hàm lượng DNA tăng lên gấp đôi.
38 Hình 19. Sơ đồ về chu kỳ tế bào - Giai đoạn G2 (Gap 2): nối tiếp sau giai đoạn S đến khi tế bào bắt đầu phân chia. Trong giai đoạn này tế bào tiếp tục tích lũy vật chất, năng lượng để chuẩn bị phân chia tế bào. - Giai đoạn M (Mitosis): phân chia tế bào. 2.2 Phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân). (Mitosis) Quá trình này xẩy ra ở các tế bào soma và tế bào sinh dục trong giai đoạn chưa trưởng thành. Gồm 2 quá trình: Chia nhân và chia tế bào chất, trải qua 4 giai đoạn ( 4 kỳ): 2.2.1 Tiền kỳ (prophase). Các trung thể chuyển động về hai cực của nhân, các nhiễm sắc thể co ngắn lại thành sợi. Mỗi nhiễm sắc thể gồm 2 sợi cromatit gắn với nhau nhờ tâm động. Các sợi tơ vô sắc được hình thành, nối 2 cực của té bào. Màng nhân và nhân con biến mất. Các tế bào khác với các tế bào động vật là không có trung thể và thoi vô sắc. 2.2.2 Trung kỳ (metaphase) Tâm động của mỗi nhiễm sắc thể kép gắn với thoi vô sắc ở mặt phẳng xích đạo của tế bào. Nhiễm sắc thể co ngắn đến mức tối đa, trở thành hình que, có thể quan sát rất rõ dưới kính hiển vi, thấy rõ hình thái và đếm được số lượng nhiễm sắc thể.
39 2.2.3 Hậu kỳ (anaphase). Có hiện tượng đẩy nhau giữa hai sợi đơn trong nhiễm sắc thể kép và co rút giữa hai cực tế bào mà các sợi đơn tách nhau ra, mỗi sợi đi về một cực của tế bào. 2.2.4 Mạt kỳ (telophase). Phân chia tế bào chất, ở giữa mặt phẳng xích đạo tế bào hình thành nếp nhăn phân cách và ngày càng ăn sâu vào trong, đến khi chia tế bào thành hai nửa, mỗi nửa là một tế bào con. Ở thực vật, phiến tế bào (vách ngăn) hình thành ở trung tâm tế bào chất và lan rộng dần đến khi cắt tế bào thành hai. Kết quả, từ một tế bào mẹ ban đầu, qua 4 kỳ phân chia tạo ra 2 tế bào con có số lượng nhiễm sắc thể bằng nhau và bằng tế bào ban đầu (2n). Cơ chế này đảm bảo số lượng nhiễm sắc thể hoặc vật chất di truyền không đổi qua các thế hệ tế bào (các tế bào trong cơ thể sinh vật luôn bằng nhau và không đổi). 2.3 Phân bào giảm nhiễm (giảm phân) (Meiosis). Là quá trình phân bào chuyên biệt, trong đó số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (n). Quá trình phân chia này chỉ xẩy ra ở tế bào sinh dục trong giai đoạn chín (trưởng thành) để phát sinh giao tử (tinh trùng, trứng). Phân bào giảm nhiễm gồm 2 lần phân chia nối tiếp nhau, gọi là giảm nhiễm lần 1 và giảm nhiễm lần 2. Lần phân chia 1 là phân chia giảm nhiễm và lần phân chia 2 là phân chia đều hay phân chia nguyên nhiễm. 2.3.1 Lần phân chia 1. - Tiền kỳ 1 (prophase 1). gồm 5 pha nhỏ. + Leptoten: nhiễm sắc co ngắn lại tạo thành từng sợi mãnh. + Zigoten: Các nhiễm sắc thể đồng nguồn tiến sát lại gần nhau, đính với nhau ở tại tâm động, hình thành thể lưỡng trị (bivalent) + Pachiten: Nhiễm sắc thể tiếp tục co ngắn, dày to ra, biểu hiện rõ cấu trúc sợi kép. Mỗi cặp tưong đồng gồm 4 sợi cromatit tạo thành tứ tử (tetran). Ở mỗi cặp nhiễm sắc thể kép có xẩy ra hiện tượng tiếp hợp và bắt chéo giữa hai cromatit không chị em (không cùng nguồn gốc).
41 + Diptoten: Có hiện tượng đẩy nhau giữa các sợi cromatit làm căng các hình chéo, có hiện tượng đứt và nối lại, các sợi tách nhau ra, nhiễm sắc thể tiếp tục co ngắn. + Diakinez: Nhiễm sắc thể co ngắn đến mức tối đa, xếp dần lại trên mặt phẳng xích đạo tế bào, màng nhân và nhân con biến mất. - Trung kỳ 1 (metaphase 1). Các tứ tử tập trung ở mặt phẳng xích đạo tế bào, đính lên sợi tơ vô sắc tại tâm động. - Hậu kỳ 1 (anaphase 1). Tứ tử tách đôi, mỗi sợi kép đi về một cực của tế bào. - Mạt kỳ 1 (telophase 1). Hai nhân mới được hình thành, mỗi nhân với bộ nhiễm sắc thể đơn bội kép (n). Sau mạt kỳ là gian kỳ cực ngắn (interkinesis). Trong kỳ này không xẩy ra sao chép vật chất di truyền. 2.3.2 Lần phân chia 2. - Tiền kỳ 2 (prophase 2). Ở mỗi nửa tế bào hình thành sợi tơ vô sắc và thoi bất nhiễm mới, các nhiễm sắc thể kép tiếp tục co ngắn và tập trung ở mặt phẳng xích đạo mới. - Trung kỳ 2 (metaphase 2). Các sợi kép đính lên sợi tơ vô sắc tại tâm động. - Hậu kỳ 2 (anaphase 2). Các tâm động phân chia, các sợi đơn cromatit tách nhau ra, mỗi sợi đi về 1 cực của tế bào. - Mạt kỳ 2 (telophase 2). Phân chia tế bào chất, hình thành 4 tế bào đơn bội, mỗi tế bào chứa các nhiễm sắc thể đơn của các cặp. Như vậy, giảm nhiễm lần 1 tạo ra 2 tế bào đơn bội chứa các nhiễm sắc thể kép (có 2 cromatit). Phân chia lần 2, mỗi tế bào đơn bội sợi kép lại chia đôi để hình thành 4 tế bào đơn bội sợi đơn. Kết quả, từ một tế bào lưỡng bội (2n) ban đầu qua 2 lần phân chia cho ra 4 tế bào đơn bội (n), số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa so với tế bào lưỡng bội ban đầu. Đây là cơ chế quan trọng để hình thành các tế
42 bào sinh dục đực, cái có số lượng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa để khi thụ tinh, tái tạo lại bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) ở đời con. Điều này làm cho số lượng nhiễm sắc thể hay vật chất di truyền không đổi qua các thế hệ sinh vật. 2.4 Quá trình hình thành giao tử ở động vật bậc cao. Ở động vật thì giai đoạn lưỡng bội chiếm ưu thế, giai đoạn đơn bội rất ngắn. Ở các cơ thể trưởng thành bộ nhiễm sắc thể 2n, có một nhóm tế bào được tách ra làm nhiệm vụ sinh sản được gọi là tế bào sinh sản nguyên thủy. Các tế bào này nguyên phân liên tiếp ở vùng sinh sản tạo nên hàng loạt các tế bào con, hình thành nên mô tế bào sinh dục đực hoặc mô tế bào sinh dục cái, mỗi tế bào đều chứa bộ nhiẽm sắc thể 2n. Các tế bào này tiếp nhận nguyên liệu môi trường tạo nên các tế bào có kích thước lớn, lượng tế bào chất nhiều được gọi là noãn nguyên bào hoặc tinh nguyên bào. 2.4.1. Hình thành giao tử đực (tinh trùng). Các tinh nguyên bào tiếp tục tích lũy năng lượng để thành tinh bào cấp I và bước vào giai đoạn chín mà chủ yếu là qua cơ chế giảm phân. Từ một tinh bào cấp I qua phân chia giảm nhiễm lần 1 hình thành nên 2 tinh bào cấp II và kết thúc phân chia giảm nhiễm lần hai cho ra 4 tinh tử, sau đó hình thành tinh trùng. Tinh tử có hình cầu, sau một thời gian thay đổi về hình dạng trở thành tinh trùng có đầu, cổ và đuôi. Với hình dạng như vậy, tinh trùng có thể vận chuyển được trong môi trường tử cung của con cái và tiến hành thụ tinh. 2.4.2. Hình thành giao tử cái (tế bào trứng). Các noãn nguyên bào tiếp tục tích lũy năng lượng để trở thành noãn bào cấp I và bước vào giai đoạn phân chia giảm nhiễm. Kết thúc lần phân chia 1 cho ra noãn bào cấp II và 1 thể cực bé (chỉ có nhân). Phân chia giảm nhiễm lần 2 cho ra 1 tế bào trứng và 2 thể cực. Như vậy, qua 2 lần phân từ một noãn nguyên bào (2n) cho ra 1 tế bào trứng (n) có kích thước lớn và 3 thể cực bé (n). Thể cực chỉ tồn tại một thời gian ngắn, sau đó tiêu biến đi (vì không có tế bào chất). Cuối cùng còn lại tế bào trứng có khả năng thụ tinh.
43 Hình 20. Quá trình hình thành trứng và tinh trùng ở động vật có vú
44 3. Nghiên cứu hình thái nhiễm sắc thể động vật. Di truyền học tế bào là một lĩnh vực nghiên cứu trong đó các đặc điểm di truyền và đặc điểm phân tử của gen được nghiên cứu song song với đặc điểm tế bào học của nhiẽm sắc thể và của DNA nhiễm sắc thể, qua sử dụng kính hiển vi. Hình thái của nhiễm sắc thể được xác định qua các tiêu bản phân chia tế bào vào giai đoạn trung kỳ. Chiều dài của nhiễm sắc thể, chiều dài tương đối của cánh (vai) để xác định vị trí tâm động cũng như các đặc điểm chung của gen, cấu tạo nhân con, làm thành các đặc thù của nhiễm sắc thể. Sự phát triển của phương pháp nhuộm phân hóa (hiện băng) làm hiện lên các băng chính và băng xen trên nhiễm sắc thể tế bào soma, cho ta khả năng xác định chính xác từng nhiễm sắc thể của cá thể. 4. Morgan và thuyết di truyền nhiễm sắc thể. 4.1 Sơ lược tiểu sử và công trình nghiên cứu của Morgan. Thomas Hunt Morgan là một nhà phôi thai học ở Trường Đại học Colombia (Mĩ). Ông đã chọn đối tượng nghiên cứu là ruồi dấm (Drosophila melanogaster). . Cùng nghiên cứu với Morgan có 3 nhà di truyền học nổi tiếng là C. Bridges, A.H Sturtevant và G. Muller. Nhóm nghiên cứu này đã chứng minh các nhân tố di truyền Mendel nằm trên nhiễm sắc thể. Đặc điểm của ruồi dấm: là một loại ruồi nhỏ có thân xám, mắt đỏ, thường bu vào trái cây chín. - Có chu kỳ sống ngắn: Toàn bộ quá trình từ trứng nở ra, rồi nhộng và ruồi trưởng thành (ở 25oC) chỉ có 10 ngày, một cặp ruồi trung bình đẻ ra khoảng 100 ruồi con. - Các tính trạng biểu hiện rõ ràng, dễ gây đột biến, cho đến nay đã nhận được khoảng 400 đột biến khác nhau. Học thuyết di truyền nhiễm sắc thể xác nhận sự đúng đắn học thuyết về gen của Mendel, cho thấy các gen có cơ sở vật chất, gắn chặt với cấu trúc tế bào. Di truyền Mendel cùng với di truyền Morgan gắn chặt với nhau và trở thành học thuyết di truyền cổ điển, di truyền Mendel - Morgan. Ông nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1934
45 Ruồi dấm có các đặc điểm thuận lợi cho nghiên cứu di truyền. - Dễ nuôi trong môi trường nhân tạo, ít choán chổ trong phòng thí nghiệm và dễ lai giữa chúng với nhau. - Bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội, có 8 nhiễm sắc thể, ngoài ra còn có nhiễm sắc thể khổng lồ, dễ quan sát tế bào. Hình 21. T.H. Morgan (1866-1945) 4. 2 Sự di truyền liên kết. Khi xét mối quan hệ giữa số lượng nhiễm sắc thể và số lượng gen, người ta thấy có sự khác nhau. Số lượng nhiễm sắc thể thì ít nhưng số lượng gen là rất lớn, do đó trên 1 nhiễm sắc thể phải có nhiều gen. Trong quá trình phân chia tế bào các nhiễm sắc thể đi về các tế bào con hoặc các giao tử, các gen cùng nằm trên 1 nhiễm sắc thể sẽ đi cùng nhau, do đó chúng di truyền đồng thời với nhau hay liên kết. Sự di truyền đồng thời của các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể được gọi là di truyền liên kết hay còn gọi là liên kết gen. Khi có di truyền liên kết thì sự phân ly của nhiều cặp gen giống như phân ly của một cặp gen. 4.2.1 Liên kết hoàn của gen. Thí nghiệm của Morgan, cho lai giữa ruồi dấm thân xám, cánh dài với ruồi thân đen, cánh ngắn, nhận được F1 thân xám, cánh dài. Đem lai phân tích ruồi đực F1 với ruồi cái lặn thuần nhận được đời con có 2 dạng kiểu hình giống bố mẹ là thân xám, cánh dài và thân đen, cánh ngắn với tỷ lệ bằng nhau (1:1). Như vậy, kết quả lai phân tích 2 cặp tính trạng trong trường hợp này giống với lai phân tích 1 cặp tính trạng trong thí nghiệm của Mendel.
46 Hình 22. Vòng đời và bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của ruồi giấm (Drosophila melanogaster) Hình 23. Bộ nhiễm sắc thể của ruồi giấm Sở dĩ như vậy, theo Morgan là các gen qui định các tính trạng màu sắc thân và hình dạng cánh của ruồi dấm cùng nằm trên 1 nhiễm sắc thể, chúng liên kết với nhau và cùng đi về 1 giao tử trong quá trình giảm phân. Do vậy F1 chỉ cho 2 loại giao tử, chứ không phải 4 loại như trong thí
47 nghiệm Mendel. Hai loại giao tử này kết hợp với 1 loại giao tử ở con cái lặn thuần cho ra 2 dạng kiểu hình ở đời con. Vì xác suất hình thành 2 loại giao tử ở F1 là như nhau nên tỷ lệ hai dạng kiểu hình ở đời con cũng như nhau. Hiện tượng này Morgan gọi là liên kết hoàn toàn của gen. A B a b A B x a b Thân xám, cánh dài Thân đen, cánh ngắn Lai phân tích A B a b F1 o a b x a b Thân xám, cánh dài Thân đen, cánh ngắn A B a b a b a b Thân xám, cánh dài Thân đen, cánh ngắn 4. 2.2 Liên kết không hoàn toàn. Khi cho lai ngược lại, ruồi cái F1 với ruồi đực lặn thuần, nhận được đời con có 4 dạng kiểu hình, trong đó có 2 dạng giống bố mẹ (thân xám, cánh dài và thân đen, cánh ngắn) chiếm tỷ lệ nhiều hơn còn 2 dạng kiểu hình khác bố mẹ (thân đen, cánh dài và thân xám, cánh ngắn) chiếm tỷ lệ ít hơn. Sở dĩ như vậy là trong quá trình giảm phân để hình thành giao tử ở F1 đã xẩy ra trao đổi giữa các đoạn nhiễm sắc thể tương đồng không chị em, làm xuất hiện các giao tử có trao đổi. Khi các giao tử này kết hơp với giao tử của cá thể lặn thuần làm xuất hiện các cá thể có kiểu hình khác bố mẹ. Vì xác suất xẩy ra trao đổi thấp hơn không trao đổi, do đó tỷ lệ các thể có kiểu hình khác bố mẹ thấp hơn tỷ lệ cá thể có kiểu hình giống bố mẹ. Hiện tượng này Morgan gọi là liên kết không hoàn toàn của gen.
48 Kết quả nhận được: thân xám, cánh dài và thân đen, cánh ngắn (loại có kiểu hình cũ) chiếm tỷ lệ nhiều hơn còn thân xám, cánh ngắn và thân đen, cánh dài (loại có kiểu hình mới ) chiếm tỷ lệ ít hơn A B a b x a A B a b Thân xám, cánh dài Thân đen, cánh ngắn A B F1 a b Thân xám, cánh dài Lai phân tích A B a a F1 a b x o a b Thân xám, cánh dài Thân đen, cánh ngắn A B a b a b a b Thân xám, cánh dài Thân đen, cánh ngắn a B A b a b a b Thân đen, cánh dài Thân xám, cánh ngắn 4.3 Hiện tượng tái tổ hợp và tần số tái tổ hợp. Khi các gen liên kết không hoàn toàn, xuất hiện các giao tử dạng mới không giống với bố mẹ, tức là đã có sự sắp xếp lại các gen trên nhiễm sắc thể. Hiện tượng này được gọi là tái tổ hợp và các dạng mới xuất hiện được gọi là dạng tái tổ hợp.
49 Để đánh giá mức độ liên kết, nhóm Morgan đã đưa ra khái niệm tần số tái tổ hợp. Tần số tái tổ hợp là phần trăm cá thể tái tổ hợp so với tổng số cá thể thu được trong thí nghiệm. Ví dụ, trong thí nghiệm lai phân tích ở ruồi dấm, thu được1000 cá thể, trong đó có 170 dạng tái tổ hợp, tức là có 17% cá thể dạng tái tổ hợp. Tần số này được tính theo công thức: Số cá thể tái tổ hợp % tần số tái tổ hợp = x 100 Tổng số cá thể thu được Các tác giả cho rằng có thể dùng tần số tái tổ tổ hợp để đo khoảng cách giữa các gen trên nhiễm sắc thể và là cơ sở xây dựng bản đồ di truyền hay bản đồ nhiễm sắc thể, bản đồ gen. Theo Morgan và cộng sự thì cứ 1% tần số tái tổ hợp tương ứng với 1 đơn vị Morgan, được ký hiệu là cM (centimorgan). Như vậy, ở ví dụ trên khoảng cách giữa 2 gen là 17 cM. 4.4 Nhiễu và trùng hợp. Thông thường xẩy ra trao đổi chéo tại 1 điểm sẽ làm giảm trao đổi chéo tại điểm thứ 2 gần kề nó, đó là hiện tượng nhiễu (cản pha). Để đánh giá hiện tượng này, người ta đưa khái niệm về sự trùng hợp (phù hợp). ( %) trao đổi chéo đôi (tại 2 điểm đồng thời) thực tế % Hệ số trùng hợp = x 100 ( %) trao đổi chéo đôi lý thuyết. Số cá thể có trao đổi chéo đôi % trao đổi chéo đôi thực tế = x 100 Tổng số cá thể thu được trong thí nghiệm % trao đổi chéo đôi lý thuyết = (%) trao đổi chéo tại điểm 1 x (%) trao đổi chéo tại điểm 2. Xét 3 gene trên nhiễm sắc thể. A B C a b c
50 Khi phát sinh giao tử cho ra các dạng giao tử sau: 1. Giao tử không trao đổi: A B C thu được 280 cá thể a b c thu được 260 cá thể 2. Giao tử có trao đổi tại điểm 1 (A-B). A b c thu được 110 cá thể a B C thu được 105 cá thể 3. Giao tử có trao đổi tại điểm 2 (B-C) A B c thu được 100 cá thể a b C thu được 104 cá thể 4. Giao tử có trao đổi đồng thời tại 2 điểm (đôi) (A-B-C) A b C thu được 20 cá thể a B c thu được 21 cá thể 245 Tần số trao đổi tại điểm 2 (B-C) = 0,245 (24,5%) 24,5cM 1000 Bản đồ nhiễm sắc thể đối với 3 gene trên là A B C 25,6 cM 24,5 cM 50,1 cM
51 0,041 Hệ số trùng hợp (%) = 65 ,37 % 0,256 x 0,245 Hệ số nhiễu (%) = 1 - Hệ số trùng hợp Từ ví dụ trên chúng ta thấy trao đổi chéo đôi chỉ xẩy ra 65,37% và nhiễu 34,63%. 5. Đột biến nhiễm sắc thể. 5.1 Đột biến về cấu trúc nhiễm sắc thể. Là những biến đổi xẩy ra trong cấu trúc của nhiễm sắc thể làm thay đổi cấu trúc nhiễm sắc thể ở các mức độ khác nhau. Đột biến có thể xẩy ra trong giới hạn 1 nhiễm sắc thể cũng có thể xẩy ra giữa các nhiễm sắc thể tương đồng hoặc không tương đồng. Khi xẩy ra đột biến về cấu trúc nhiễm sắc thể làm xuất hiện các dạng kiểu hình mới hoặc có thể gây chết. 5.1.1 Đột biến mất đoạn (Deletion). Là hiện tượng nhiễm sắc thể bị đứt 1 đoạn có mang thông tin di truyền. Đoạn đứt không có tâm động nên khi phân bào không đính vào thoi vố sắc nên bị tiêu biến đi. Kết quả một tế bào nhận được 1 nhiễm sắc thể bị mất đoạn. Mất đoạn nhiễm sắc thể dẫn đến làm mất cân bằng gen, ảnh hưởng nghiêm trọng đến khả năng sống của cơ thể. Nếu mất đoạn lớn sẽ làm cho cơ thể không sống được còn nếu mất đoạn ít, cơ thể có thể sống được nhưng thường bị biến dạng hoặc sinh bệnh tật. 5.1.2 Đột biến lặp đoạn (Duplication). Là hiện tượng một đoạn nhiễm sắc thể được lặp lại một hoặc một số lần trên nhiễm sắc thể. Nói chung sự lặp đoạn không gây hậu quả nặng nề như bị mất đoạn. Thậm chí một số trường hợp tăng đoạn có lợi cho tiến hóa và tạo vật liêụ di truyền mới. Nhờ lặp đoạn có thể nghiên cứu ảnh hưởng của số lượng và vị trí khác mức bình thường của một đoạn nhiễm sắc thể hay gen. Kiểu hình của cá thể lặp đoạn có thể trội, có thể lặn hay trung gian hoặc có tác dụng tích lũy. Hiện tượng lặp đoạn còn gặp ở nấm men, thú và ở đại mạch. Ở đại mạch có đột biến tăng đoạn làm tăng hoạt tính men amilaza có ý nghĩa
52 trong công nghiệp sản xuất bia. Lặp đoạn còn có ý nghĩa quan trọng trong đối với tiến hóa của bộ gen, tạo nguyên liệu cho chọn lọc tự nhiện. Trường hợp điển hình về đột biến trội mắt thỏi Bar (B) nằm trên nhiễm sắc thể X của ruồi dấm. Trong trường hợp tăng đoạn, dị hợp tử +/B thì mắt bé hơn mắt bình thường một ít, hẹp cạnh nên có dạng kéo dài. Ruồi đồng hợp BB có mắt bé hơn. Nếu lặp đoạn đôi (tăng hơn bình thường 2 đoạn) sẽ là đột biến Bar kép thì sẽ có mắt nhỏ hơn nữa, gọi là “thỏi kép”. Số đoạn lặp lại có thể đến 7 có mắt nhỏ nhất. Gen mắt thỏi B có tác dụng gia tăng theo chiều giảm kích thước mắt, số đoạn lặp càng nhiều thì mắt càng bé đi. Có trường hợp khác, lặp đoạn có tác dụng theo chiều ngược lại, số đoạn càng tăng thì kiểu hình càng trở về bình thường hơn. 5.1.3 Đột biến đảo đoạn (Invertion) Là hiện tượng một đoạn nhiễm sắc thể bị đứt, quay một góc 180o sau đó nối lại như cũ. Kết quả làm thay đổi vị trí sắp xếp của gen trên nhiễm sắc thể ở đoạn bị đảo. Có thể đảo đoạn trong tâm, đảo đoạn ngoài tâm Đảo đoạn trong tâm, đoạn đảo có mang tâm động còn đảo đoạn ngoài tâm là đoạn đảo không chứa tâm động. Ở cơ thể dị hợp, đoạn đảo trên nhiễm sắc thể người ta thấy hình thành nút do nhiễm sắc thể không có đảo đoạn hình thành vòng tròn thuận, còn nhiễm sắc thể có đảo đoạn hình thành vòng ngược, nhờ vậy mà các locus tiếp hợp được với nhau. Đảo đoạn không ngăn cản trao đổi chéo xẩy ra ở đoạn bị đảo, nhưng giao tử mang đoạn bị đảo đã qua trao đổi chéo thường không có khả năng sống. Nhiều thực nghiệm về đảo đoạn ở trạng thái dị hợp trong giảm phân đã xác nhận đảo đoạn là nhân tố cách ly và thúc đẩy tiến hóa trong loài.
53 Hình 24. Đảo đoạn nhiễm sắc thể
54 5.1.4 Đột biến chuyển đoạn (Translocation). Chuyển đoạn là kiểu cấu trúc lại nhiễm sắc thể mà đoạn bị đứt ra chuyển đến vị trí mới trong cùng nhiễm sắc thể hoặc chuyển sang nhiễm sắc thể khác hoặc trao đổi đoạn giữa các nhiẽm sắc thể tương đồng và không tương đồng. Chuyển đoạn được chia thành nhiều kiểu: trong phạm vị 1 nhiễm sắc thể gồm chuyển đoạn cùng cánh và khác cánh, giữa các nhiễm sắc thể không tương đồng chia ra: chuyển đoạn tương hổ và không tương hổ. Chuyển đoạn không tương hổ được chia ra chuyển đoạn cuối và chuyển đoạn trong. Chuyển đoạn tương hổ là hiện tượng các nhiễm sắc thể không tương đồng trao đổi với nhau các đoạn bị đút. Được chia thành chuyển đoạn đối xứng, khi hình thành hai nhiễm sắc thể, mỗi nhiễm sắc thể có 1 tâm động, còn chuyển đoạn không đối xứng, khi chuyển đoạn xẩy ra 1 nhiễm sắc thể có 2 tâm động và 1 nhiễm sắc thể không mang tâm động. Hậu quả của chuyển đoạn tương hổ tùy thuộc vào số lượng và tấm quan trọng của các locus ở đoạn chuyển. Chuyển đoạn tương hổ dễ phát hiện hơn chuyển đoạn không tương hổ trừ trường hợp đoạn cho có kích thước dài. Chuyển đoạn nhiễm sắc thể có thể phát hiện dưới kính hiển vi ở giai đoạn trung kỳ của phân chia tế bào. Người ta căn cứ vào tiếp hợp ở giảm phân của cặp nhiễm sắc thể tương đồng để phát hiện ra chuyển đoạn. Ở thực vật có thể dựa vào hạt phấn bất dục do cách phân bố của nhiễm sắc thể đảo đoạn. Sự chuyển đoạn làm chết hạt phấn do bộ nhiễm sắc thể không cân bằng. Có thể dễ dàng phát hiện tỷ lệ các hạt phấn hữu thụ và bất thụ dưới kính hiển vi. Túi phôi của tế bào sinh dục cái có bộ nhiẽm sắc thể không cân bằng sẽ không hoạt động được. Trong trường hợp đoạn chuyển có kích thước bé (có đoạn thiếu, có đoạn lặp lại bé) thì túi phôi mới hoạt động được. Tóm lại nét riêng biệt của sự chuyển đoạn ở các thể dị hợp là sự có mặt của vòng tạo nên từ 4 nhiễm sắc thể ở phân bào giảm nhiễm thường giảm khả năng sinh sản ở động vật và thực vật. Chuyển đoạn được sử dụng để làm sáng tỏ mối quan hệ giữa gen và nhiễm sắc thể, mối quan hệ về mặt tế bào và di truyền học. Người ta đã phối hợp giữa chuyển đoạn với các phương pháp khác để xác định vị trí tâm động và vị trí của đoạn đánh dấu tế bào học. Chuyển đoạn nếu xẩy ra giữa các loài thì có thể chuyển gen từ loài này sang loài khác. Chuyển đoạn cùng với đảo đoạn tham gia vào sự phân hóa theo chiều dọc nhiễm
55 sắc thể nói chung và quá trình phân hóa nhiễm sắc thể thường thành nhiễm sắc thể giới tính. Tóm lại, đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể gây nhiều loại biến đổi: thay đổi kiểu hình, thay đổi nhóm liên kết hay hiệu quả vị trí, có thể ảnh hưởng đến tiếp hợp trong giảm phân lần I và thường đưa đến bất dục với tỷ lệ nhất định hoặc gây chết. Các đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể có ý nghĩa tiến hóa nhất định, chúng tham gia vào cơ chế cách ly giữa các loài. 5.2 Đột biến về số lượng nhiễm sắc thể. Ở tế bào soma hay tế bào sinh dưỡng, nhiễm sắc thể tồn tại thành cặp, trong mỗi cặp nhiễm sắc thể hai nhiễm sắc thể đơn có hình dạng, kích thước giống nhau tạo nên bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n). Trong tế bào sinh dục, tạo ra qua giảm phân, nhiễm sắc thể tồn tại thành từng chiếc đơn lẻ tạo nên bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n). Trong một số trường hợp do tác động của một nhân tố nào đó làm cho số lượng nhiễm sắc thể trong bộ nhiễm sắc thể thay đổi, người ta gọi đó là đột biến số lượng nhiễm sắc thể hay đa bội thể. Đa bội thể được hiểu theo nghĩa rộng là tất cả các hình thức thay đổi về số lượng nhiễm sắc thể, cơ thể có bộ nhiễm sắc thể thay đổi về số lượng được gọi là thể đa bội. Hiện tượng trong tế bào cơ thể có sự biến đổi số lượng nhiễm sắc thể gọi là hiện tượng đa bội thể. Số lượng nhiễm sắc thể của các loài thường là bội số của số gốc nhiễm sắc thể (n) được ký hiệu là x. Tập hợp gen trong số gốc nhiễm sắc thể được gọi là bộ gen (genom). Đa bội thể được phân thành: đa bội cân và đa bội lệch. Đa bội thể cân bằng hay đa bội nguyên là bộ nhiễm sắc thể có bội số chẵn của số nhiễm sắc thể cơ bản x, ví dụ dãy đa bội cân bằng 2x, 4x, 6x, 8x Dãy đa bội gồm những bội số lẻ 3x, 5x, 7x gọi là dãy không cân bằng. Trong tự nhiên đa bội thể gặp rất phổ biến ở cây trồng và cây hoang dại, ở động vật trong tế bào soma cũng gặp các thể đa bội. 5.2.1 Tự đa bội thể (đồng nguyên đa bội thể) (Euploidy). Là hiện tượng số lượng nhiễm sắc thể ở một cá thể được tăng lên theo bội số nguyên và cùng nguồn gốc. Sự tăng số lượng nhiễm sắc thể làm tăng số alen của mỗi locus dẫn tới nhiễm sắc thể trong giảm phân có sự thay đổi. Kết quả là kiểu gen và kiểu hình ở đời con rất phức tạp.
56 Nguyên nhân dẫn đến đa bội thể cùng nguồn: - Do phân bào giảm nhiễm bị rối loạn, dây tơ vô sắc bị đứt hoặc không hình thành, nhiễm sắc thể nhân đôi bình thường nhưng không phân ly tạo nên các giao tử lưỡng bội. Giao tử này tham gia thụ tinh tạo nên hợp tử tứ bội (4x) hoặc kết hợp với giao tử bình thường khác tạo nên thể tam bội (3x). - Do phân bào nguyên nhiễm xẩy ra không bình thường ở đỉnh sinh trưởng hoặc ở các mô lưỡng bội khác. Nhiễm sắc thể nhân đôi bình thường, tập trung thành từng nhiễm sắc thể kép trên mặt phẳng xích đạo tế bào, nhưng lại không phân chia được tạo nên tế bào 4x. Các tế bào này tiếp tục nguyên phân tạo nên các mô, các cơ quan có bộ nhiễm sắc thể 4x. - Do phân chia không bình thường của hợp tử sau khi hợp tử được hình thành tạo ra hợp tử có bộ nhiễm sắc thể 4x. Hợp tử phân chia tiếp tục để hình thành thể tứ bội (4x). Như vậy có thể nói sự hình thành thể đa bội có 3 con đường cơ bản đó là: tăng só lượng nhiễm sắc thể ở tế bào soma, tăng số lượng nhiễm sắc thể ở hợp tử và tăng số lượng nhiễm sắc thể ở tế bào sinh dục. 5.2.2 Dị đa bội thể (dị nguyên đa bội thể) (Alloploidy). Hiện tượng thay đổi số lượng nhiễm sắc thể trong bộ nhiễm sắc thể do tổ hợp của hai hay nhiều loài. Ví dụ loài A có bộ nhiễm sắc thể 2n = 20, loài B có bộ nhiễm sắc thể 2n = 18, cho lai giữa cá thể loài A với loài B, đời con sẽ có bộ nhiễm sắc thể là 19. Số lượng nhiễm sắc thể của con khác với số lượng nhiễm sắc thể loài A và cũng khác so với loài B. Trong bộ nhiễm sắc thể của con, một số nhiễm sắc thể có nguồn gốc từ A và một số có nguồn gốc từ B. Các nhiễm sắc thể có nguồn gốc khác nhau sẽ không tạo được các cặp tương đồng, do đó trong giảm phân không xẩy ra hiện tượng tiếp hợp và không hình thành tứ tử, không hình thành các giao tử đực, cái. Do vậy, đối với các con lai khác loài thường không có khả năng sinh sản. Để khắc phục hiện tượng bất dục ở con lai khác loài, người ta có thể gây đồng nguyên đa bội ở con lai lên 2 lần. Những cá thể có bộ nhiễm sắc thể được tăng lên 2 lần mới tạo ra được các cặp đồng nguồn, mới có khả năng sinh sản.
57 5.2.3 Lệch bội (Thể lệch bội). Thể lệch bội là cơ thể có thêm hoặc mất đi từng nhiễm sắc thể riêng rẽ trong bộ nhiễm sắc thể của loài. Nguyên nhân dẫn đến dị bội là do tác nhân đột biến làm đứt hoặc ức chế việc hình thành dây tơ vô sắc ở một hay một số cặp nào đó. Hiện tượng này sẽ tạo nên giao tử dị bội (không bình thường), khi thụ tinh kết hợp với giao tử bình thường hoặc không bình thường tạo nên các thể dị bội. Các dạng đa bội thể lệch - Thể một (monosomic) Các sinh vật lưỡng bội có thể bị mất một nhiễm sắc thể của 1 cặp, thì gọi là thể đơn nhiễm, công thức bộ gen là 2n-1. Một nhiễm sắc thể đơn độc, không có nhiễm sắc thể tương đồng để tiếp hợp, trong giảm phân có thể di chuyển về bất kỳ cực nào của tế bào, nhưng thường bị mất. Thể đơn nhiễm có thể tạo ra hai loại giao tử (n) và (n-1). Ở thực vật, sự mất 1 nhiễm sắc thể có thể vẫn sống với một số biến dạng. Ở động vật, mất 1 nhiễm sắc thể làm mất cân bằng di truyền nên thường bị chết hoặc bất thụ. - Thể ba (trisomic). Thể lưỡng bội nếu có dư 1 nhiễm sắc thể một cặp nào đó được gọi là thể tam nhiễm, có công thức bộ gen là 2n+1. Trong giảm phân, nhiễm sắc thể dư có thể tiếp hợp với hai cái kia thành bộ ba (tam trị). Nếu hai nhiẽm sắc thể về một cực, cái lẻ về cực kia sẽ tạo ra hai loại giao tử (n+1) và (n) tương ứng. Tam nhiễm có thể tạo các kiểu hình khác nhau, phụ thuộc vào nhiễm sắc thể nào có 3 chiếc. Ở người, tam nhiễm ở nhiễm sắc thể 21 gây hội chứng Down. - Thể bốn (tetrasomic). Khi một cặp nhiễm sắc thể của sinh vật lưỡng bội có thừa hai nhiễm sắc thể thì gọi là tứ nhiễm, công thức bộ gen là 2n+2. Trong giảm phân 4 nhiễm sắc thể tiếp hợp tạo thành bộ bốn hay tứ tử và có sự phân ly về các cực tương tự thể tự tứ bội. - Thể không. Sinh vật lưỡng bội bị mất cả hai nhiễm sắc thể của một cặp thì gọi là thể vô nhiễm, công thức bộ gen là 2n-2. Vô nhiễm thường có hậu quả
58 gây chết. Một số đa bội thể thực vật có thể sống khi mất một cặp nhiễm sắc thể do sự bù dắp của các nhiễm sắc thể còn lại trong bộ gen. - Đa bội thể lệch ở người. Ở người nhiều hội chứng di truyền do các thể đa bội lệch làm thay đổi số lượng trong cặp nhiễm sắc thể giới tính đưa đến các dạng hội chứng như: Turner (XO), Klinefelter (XXY), siêu nữ (XXX), siêu nam (XYY) và YO. 6. Di truyền học giới tính Từ lâu các nhà di truyền học đã qua tâm đến vấn đề giới tính. Vì sao các cá thể của cùng một loài, cùng cha mẹ, cùng môi trường sống như nhau nhưng khi sinh ra lại có sự khác nhau nhiều giữa đực và cái?. Ở người và vật nuôi có hai giới tính: đực và cái. Sự khác nhau giữa hai giới tính là do khác nhau về các đặc điểm giới tính, gồm có đặc điểm sơ cấp và đặc điểm thứ cấp. Đặc điểm sơ cấp là những đặc điểm có liên quan trực tiếp đến sự hình thành các giao tử đực, cái, như cấu tạo, chức năng của buồng trứng, dịch hoàn. Đặc điểm thứ cấp là những đặc điểm không liên quan trực tiếp đến hình thành giao tử nhưng phản ánh mức độ biểu hiện của đặc điểm sơ cấp, như cấu tạo cơ thể, giọng nói, mùi vị, bộ lông, tiếng gáy ở gia cầm 6.1 Nhiễm sắc thể giới tính. Trong bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội (2n) của loài đa số là nhiễm sắc thể thường (autosome) chỉ có 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính. Trên nhiễm sắc thể giới tính có các gen qui định sự hình thành và phát triển của các đặc điểm giới tính. Nếu trong cặp đó có hai nhiễm sắc thể giống nhau thì gọi là cơ thể đồng giao tử, còn trong đó có hai nhiễm sắc thể khác nhau gọi là cơ thể dị giao tử. Ở người và động vật có vú cá thể cái là đồng giao tử (XX), cá thể đực là dị giao tử (XY). Cơ thể đồng giao tử khi phát sinh giao tử chỉ cho một loại giao tử (X), còn cơ thể dị giao tử khi phát sinh giao tử cho ra hai loại giao tử (X và Y). 6.2 Xác định giới tính ở động vật. 6.2.1 Cơ chế XY, XX và ZW, ZZ Cơ chế xác định giới tính là do kết hợp giữa các giao tử bố mẹ mang các nhiễm sắc thể giới tính để hình thành cặp nhiễm sắc thể sinh dục ở con. Nếu cặp nhiễm sắc thể đó là XX cho con cái còn nếu cặp đó là XY cho con đực.
59 Thí dụ: ở lợn, con đực XY x con cái XX Giao tử X Y X Con XX XY Con cái Con đực 1 : 1 Ở gà Gà trống ZZ x Gà mái ZW Giao tử Z Z W Con ZZ ZW Gà trống Gà mái 1 : 1 6.2.2 Đơn bội, lưỡng bội. Con ong đực được phát triển trinh sinh, từ trứng không thụ tinh và có bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n). Trong kiểu xác định giới tính này không có nhiễm sắc thể giới tính. Số lượng cá thể của đàn và thức ăn cho ấu trùng sẽ xác định ong cái trở thành ong thợ bất thụ hay ong chúa hữu thụ, chuyên sinh sản. Tỷ lệ giới tính của đàn ong được xác định do ong chúa.
60 Hình 25. Các hệ thống xác định giới tính ở động vật Phần lớn trứng được thụ tinh trở thành ong thợ. Thường ong chúa chỉ thụ tinh một lần trong đời. Sự xác định giới tính này liên quan đến bộ nhiễm sắc thể đơn bội hay lưỡng bội. Con đực thì đơn bội còn con cái thì lưỡng bội, trong số con cái chia ra ong chúa hữu thụ và ong thợ bất thụ. 6.2.3 Giới tính do cân bằng di truyền.
61 Ở ruồi dấm sự hiện diện của nhiễm sắc thể Y rất quan trọng cho sự hữu thụ của ruồi đực, nhưng nó không có vai trò trong sự xác định giới tính. Các nhân tố xác định giới tính của ruồi dấm nằm trên tất cả nhiễm sắc thể thường (autosome) trong trạng thái đối trọng với các nhân tố xác định tính cái trên nhiễm sắc thể X. Nếu bộ đơn bội của nhiễm sắc thể thường mang các nhân tố xác định tính đực có giá trị bằng 1 thì mỗi nhiễm 1 sắc thể X mang các nhân tố xác định tính cái có giá trị là 1 , qui ước A 2 đại diện bộ nhiễm sắc thể đơn bội thường. Ở ruồi đực bình thường (AAXY), tỷ lệ các nhân tố xác định đực-cái là: 2: nên sự cân bằng lệch về tính đực. Ruồi cái bình thường (AAXX), lệch về tính cái. Một số trường hợp bất thường, xác định giả thuyết cân bằng di truyền, ruồi XXY là cái, còn XO là đực. 6.2.4 Giới tính được xác định do môi trường. Đây là cơ chế xác định giới tính rất ít khi gặp, xuất hiện ở loài giun biển Bonellia viridis. Các ấu trùng xuất hiện sau khi được thụ tinh sống tự do một thời gian, nếu sống ở đáy biển thì trở thành con cái còn nếu chui vào con khác và sống ký sinh trong đó sẽ trở thành con đực. Cả con đực và cái đều có kiểu gen như nhau. 6.2.5 Xác định giới tính thông qua tuyến sinh dục. Sự biệt hóa tinh hoàn hay buồng trứng từ một tuyến sinh dục non chưa phân biệt đực cái được qui định bởi các gen qui định tính đực nằm trên nhiễm sắc thể Y. Những gen này tổng hợp loại protein đặc biệt, gọi là kháng nguyên H-Y, có trên bề mặt của mọi tế bào mang nhiễm sắc thể Y. Gen kháng nguyên H-Y hoạt động rất sớm, lúc phôi chuột có 8 tế bào. Dù mọi tế bào phôi chuột đều có kháng nguyên này, nhưng kháng nguyên H- Y chỉ kích thích mầm sinh dục biệt hóa thành tinh hoàn. Khi phôi không có tế bào mang kháng nguyên này, mầm sinh dục sẽ biệt hóa thành buồng trứng. 6.2.6 Xác định giới tính thông qua tế bào sinh trưởng. Mầm sinh dục đực phát triển thành tinh hoàn, tiết ra hormon testosterol. Hormon này chạy khắp các tế bào phôi, kích thích các tế bào sinh trưởng kể các tế bào sinh trưởng của tuyến sinh dục phát triển theo
62 hướng đực. Khi không có tín hiệu hormon trên thì các tế bào sinh trưởng sẽ phát triển theo hướng cái. Sự phát triển theo hướng đực được tiến hành dưới sự kiểm soát của gen Tfm nằm trên nhiễm sắc thể X. Gen này qui định việc tổng hợp một loại protein gắn vào testosterol, có trong tế bào chất của mọi tế bào con đực cũng như con cái. Đây là một loại protein điều hòa, được hoạt hóa khi gắn vào testosterol, hợp chất này đi vào trong nhân tế bào và kích thích hoạt động của gen biệt hóa tính đực. Các đột biến của gen Tfm được phát hiện ở nhiều loài kể cả ở người gây nên hội chứng nữ hóa tinh hoàn (testicular feminization). Các tế bào của phôi đột biến không chịu tác động của testosterol. Kết quả là thai có tinh hoàn phát triển nhưng các tế bào sinh trưởng phát triển theo hướng cái. Tinh hoàn tiết ra hormon đực kìm hãm sự phát triển của vòi fallope và tử cung, con vật không có khả năng sinh sản. 6.2.7 Xác định giới tính do đơn gen. Ít nhất có 2 loài của bộ côn trùng Hymenoptera có các cá thể đực đồng hợp tử ở 1 gen hoặc ở trạng thái đơn bội. Gen này ở Habrobracon juglandis có ít nhất 9 alen giới tính được ký hiệu là Sa, Sb, Sc, Sd, Se, Sg, Sf, Sh, Si. Tất cả các cá thể cái đều dị hợp tử như SaSb, SaSc, SdSf Nếu cá thể đồng hợp tử ở bất kỳ alen nào như SaSa, ScSc chúng được phát triển thành giống đực lưỡng bội (thường bất thụ). Các cá thể đực đơn bội chỉ mang 1 alen như Sa, Sc, Sg Sự xác định giới tính được minh họa bằng ví dụ sau: P SaSb x Sa Cái lưỡng bội đực đơn bội Giao tử Sa Sb Sa a a a a b b F1 S S S S S S đực lưỡng bội đực đơn bội cái lưỡng đực đơn bội Trong thế hệ lưỡng bội tỷ lệ sẽ là: 1 SaSa đực : 1 SaSb cái đơn bội tỷ lệ sẽ là : 1 Sa đực : 1 Sb đực. 6.3 Sự di truyền liên kết với giới tính. Các gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính sẽ có sự di truyền khác hơn so với các gen nằm trên nhiễm sắc thể thường. Sự di truyền của các gen này đồng thời với sự phân ly giới tính được gọi là di truyền liên kết
63 với giới tính. Sự di truyền này có nhiều kiểu khác nhau, phụ thuộc vị trí gen ở đoạn nào của nhiễm sắc thể giới tính. 6.3.1 Sự phân hóa di truyền các đoạn của X và Y. Các nhiễm sắc thể giới tính có thể phân ra các phần khác nhau. Các đoạn khác nhau này có thể phát hiện được khi nghiên cuáu phân bào giảm nhiễm ở cá thể đực và cái. Khi tiếp hợp, các đoạn mà nhiễm sắc thể X và Y bắt cặp với nhau được coi là tương đồng hay đoạn bắt cặp. Các gen trên đoạn này có sự di truyền như nhau ở cả X và Y và như trên nhiễm sắc thể thường. Phần còn lại của nhiễm sắc thể X không bắt cặp với Y là đoạn chuyên hóa của X, Các gen ở đoạn này sẽ có di truyền liên kết với X. Phần còn lại của nhiễm sắc thể Y không bắt cặp với X là đoạn chuyên hóa của Y. Các gen ở đoạn này sẽ có Hình 26. Sự phân hóa di truyền di truyền liên kết với Y. các đoạn của nhiễm sắc thể X và Y 6.3.2 Các gen liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X. 6.3.2.1. Bệnh máu không đông. Hiện nay người ta đã phát hiện được 2 dạng của bệnh là dạng A và dạng B. Cả 2 dạng này đều do 1 gen lặn liên kết giới tính nằm trên nhiễm sắc thể X qui định. Bệnh đã được phát hiện ở người, chó. Bệnh máu không đông dạng A: xẩy ra do trong máu người bệnh thiếu một yếu tố tham gia vào quá trình đông máu, đó là yếu tố VIII. Yếu tố này thúc đẩy việc tạo thrombin và prothrombin, làm cho máu khó đông hơn bình thường. Khi trẻ con bị bệnh này, mới sinh nhận được một lượng lớn yếu tố VIII từ mẹ, sau đó trẻ lớn dần, lượng máu trong cơ thể tăng dần làm cho hàm lượng yếu tố VIII giảm dần, ngoài ra một lượng nhất định cũng bị phân hủy theo thời gian và cơ thể trẻ bị thiếu yếu tố này. Lúc đó một vết thương nhỏ cũng gây nguy hiểm cho trẻ vì máu khó đông. Nếu không có biện pháp can thiệp nào thì trẻ sẽ bị chết khi thay răng. Nếu được truyền máu thì trẻ có thể vượt qua được và trưởng thành. Tuy nhiên
64 người ta ghi nhận rằng những người mang bệnh này thường sống không quá 40 tuổi. Tương tự như người, chó con bị bệnh thường chết ở lứa tuổi từ 6 tuần đến 3 tháng. Bệnh máu không đông dạng B hay còn gọi là bệnh Christmas, do được phát hiện lần đầu tiên trong gia đình họ Christmas, ít nguy nhiểm hơn bệnh dạng A, không làm chết người, chó bị bệnh. Bệnh do hoạt động kém của yếu tố đông máu thứ IX. Bệnh do một gen lặn liên kết với nhiễm sắc thể X. Bố bình thường XY x Mẹ bình thường XhX Giao tử X Y Xh X Thế hệ con XhX XhY XX XY Cái bình thường, Đực mắc bệnh, Cái bình thường, Đực bình thường Do đó, nếu không có sự can thiệp của y học thì chỉ có trường hợp mẹ mang bệnh tiềm ẩn sẽ truyền lại cho con trai. Không có trường hợp bố truyền lại cho con vì tất cả các cá thể đực bị bệnh đều chết và không có các cá thể đực mang bệnh tiềm ẩn. 6.3.2.2 Mèo tam thể Ở mèo, màu lông đen do một gen lặn điều khiển liên kết với nhiễm sắc thể giới tính X, ký hiệu là XB trội không hoàn toàn so với gen b (qui định màu lông nâu đỏ). Các mèo dạng XBXb có 3 màu lông: đen, đỏ nâu và trắng chen lẫn nhau. Do đó về mặt di truyền người ta quan sát sau: Mèo đực kiểu gen XBY có lông màu đen. Mèo đực kiểu gen XbY có lông màu đỏ nâu. Mèo cái kiểu gen XBXB có lông màu đen. Mèo cái kiểu gen XBXb có lông tam thể Mèo cái kiểu gen XbXb có lông đỏ nâu. 6.3.3 Các gen liên kết với nhiễm sắc thể giới tính Y. Thường nhiễm sắc thể Y chứa ít gen, nhưng nếu chứa một gen nào đó thì được di truyền theo dòng đực (cho con trai). Ở loài cá Lebistes, nhiễm sắc thể Y mang gen được gọi là maculatus (tính đực) xác định các đốm sắc trên lưng. Kiểu hình này được
65 truyền từ cá cha cho cá con đực, cá cái không có biểu hiện của tính trạng này. Đây là thí dụ rất rõ về sự di truyền liên kết với Y. Ở người có đặc điểm túm lông mọc trên dái tai, màng bơi ở tay (bệnh dính ngón thứ 2 và thứ 3), mi mắt thứ 3 có sự di truyền liên kết với nhiễm sắc thể Y. 6.4 Các tính trạng bị ảnh hưởng bởi giới tính và tính trạng bị hạn chế bởi giới tính. 6.4.1. Tính trạng bị ảnh hưởng bởi giới tính (phụ thuộc giới tính). Các tính trạng bị kiểm soát bởi giới tính của cá thể được gọi là các tính trạng bị ảnh hưởng bởi giới tính. Các gen chi phối các tính trạng này có thể nằm trên bất kỳ một cặp nhiễm sắc thể thường nào hay ở phần tương đồng của các nhiễm sắc thể giới tính. Trong mối quan hệ tương tác giữa gen và môi trường để qui định kiểu hình cụ thể, có một số gen ở cơ thể chịu ảnh hưởng tác động của hormon sinh dục đực và cái khác nhau. Do vậy, sự biểu hiện ra kiểu hình của tính trạng là khác nhau ở 2 giới tính. Các alen có thể biểu hiện theo kiểu trội ở giống đực và theo kiểu lặn ở giống cái và ngược lại. Ví dụ đặc điểm có sừng và không có sừng ở cừu. Cừu Dorset (cả 2 giới có sừng) cho lai với cừu Suffolk (cả 2 giới đều không có sừng), F1 nhận được những con đực có sừng, con cái không có sừng. F2 nhận được ở con đực (3 có sừng: 1 không sừng), ở con cái (3 không sừng : 1 có sừng). Ví dụ màu lông vàng nhạt và trắng ở bò Ayshire. Nếu con đực đồng hợp về gen nâu, vàng nhạt và trắng giao phối với con cái đồng hợp về gen lông đỏ và trắng thì tất cả các con đực F1 có lông nâu, vàng nhạt và trắng, còn các con cái có lông đỏ và trắng. Khi cho các con F1 này giao phối với nhau, thì ở F2 sẽ có 3 nâu, vàng nhạt, trắng : 1 đỏ, trắng ở những con đực, còn 3 đỏ, trắng : 1 nâu, vàng nhạt, trắng ở những con cái. 6.4.2 Tính trạng bị hạn chế bởi giới tính. Có những tính trạng, mặc dù các gen xác định chúng nằm trên nhiễm sắc thể thường, tức là có ở cả 2 giới tính, nhưng chỉ được biểu hiện ở một giới tính do sự khác nhau về hormon nội môi hay do cấu tạo cơ thể khác nhau giữa 2 giới tính. Đó là những tính trạng bị hạn chế bởi giới tính.
66 Ví dụ, các tính trạng cho sữa ở bò, cho trứng ở gia cầm chỉ xuất hiện ở con cái mà không xuất hiện ở con đực, mặc dù ở con đực và con cái đều có gen qui định các tính trạng trên. Vì vậy, trong chọn giống và nhân giống vật nuôi chúng ta cần quan tâm chọn cả đực và cái về các tính trạng trên. Hình 27. Gen có sừng ở cừu biểu hiện phụ thuộc giới tính. 6.5 Điều hòa giới tính ở động vật 6.5.1 Điều hòa giới tính ở cá. Một số loài cá nhiệt đới, trong cùng một loài có thể có cả hai hệ thống xác định giới tính. Do vậy, người ta có thể chọn đôi giao phối để làm thay đổi tỷ lệ đực/cái ở thế hệ con. Cá rô phi (Tilapia mossambica) có nguồn gốc Châu Phi, thuộc giống dị giao tử cái, còn cá rô phi Mã Lai thuộc giống dị giao tử đực. Điều này việc chọn đôi giao phối sẽ cho kết quả khác nhau ở thế hệ con. Sử dụng các phép lai khác nhau cho kết quả khác nhau: Trường hợp 1. Cá cái Châu Phi XY x cá đực Mã Lai XY
67 Đời con 1 cá cái XX : 2 cá đực XY : 1 cá đực YY Trường hợp 2. Cá cái Mã Lai XX x cá đực Châu Phi YY Đời con 100% cá đực XY Phép lai cho đời con toàn cá đực, thích hợp cho việc nuôi cá thịt vì con đực lớn nhanh hơn. Đồng thời con đực không sinh sản nên ao nuôi không bị tình trạng mật độ quá đông và tuổi cá đồng đều nên dễ áp dụng các biện pháp kỹ thuật nuôi dưỡng. 6.5.2 Điều hòa giới tính ở động vật có vú. Thành tựu phát hiện thể Barr (nhiễm sắc chất sinh dục) cho phép người ta chẩn đoán giới tính của thai nhi rất sớm. Thể Barr là một vật thể giới tính, bắt màu sẩm, phát hiện ở kỳ trung gian, nằm sát màng nhân, có ở tế bào khoang miệng, tế bào xoang ối và tế bào âm đạo chỉ có ở con cái, nữ giới mà không có ở con đực, nam giới. Thực nghiệm chứng minh rằng, thể Barr là một nhiễm sắc thể X bị bất hoạt di truyền (M. Lyon, 1962), ở dạng dị nhiễm sắc chất (heterochromatin), có nguồn gốc từ cha hay mẹ và xuất hiện trong phôi non 12-14 ngày. Do đó, nếu làm tiêu bản tế bào học người ta có thể phát hiện được giới tính của thai thông qua sự hiện diện của thể Barr, sau đó quyết định các biện pháp nuôi dưỡng tiếp theo. Hiện nay người ta cũng đã xây dựng được các kỹ thuật thụ tinh tế bào trứng ngoài cơ thể mẹ, xây dựng các điều kiện nuôi cấy phôi trong giai đoạn đầu, chẩn đoán giới tính của thai và chuyển ghép hợp tử để nuôi trong một cơ thể khác. Kỹ thuật này đã thực hiện thành công trên thỏ, lợn, bò, cừu và cả ở người. 6.5.3 Điều hòa giới tính ở tằm (sinh sản đơn tính). Austaurov đã tác động lên quá trình giảm phân để thực hiện sinh sản đơn tính trong chăn nuôi tằm, sản xuất tơ. Để tạo tằm cái XY, ông dùng nhiệt độ 45oC tác động trong 18 phút trong quá trình hình thành tế bào sinh dục cái làm kìm hãm sự phân ly nhiễm sắc thể. Tế bào trứng hình thành vẫn còn cặp nhiễm sắc thể XY, sau đó phát triển không qua thụ tinh, cho hoàn toàn tằm cái.
68 Để tạo tằm đực, ông dùng tia X liều cao tác động lên trứng tằm trong 135 phút ở nhiệt độ 40oC. Kết quả là nhân của trứng bị hủy hoại, không tham gia tạo thành phôi. Khi thụ tinh, ông nhận thấy các trứng không nhân có nhiều tinh trùng xâm nhập và có hiện tượng hai nhân của tinh trùng kết hợp nhau và tạo trứng thụ tinh XX, phát triển thành tằm đực. 6.6 Ứng dụng di truyền liên kết giới tính trong chăn nuôi. 6.6.1. Ứng dụng trong tạo giống gia cầm. Trong chăn nuôi các giống gà trứng, việc phân biệt trống, mái sớm sẽ giúp ích rất nhiều cho người chăn nuôi trong việc tách đàn và áp dụng qui trình nuôi dưỡng riêng biệt cho gà hậu bị. Trước đây, các nhà chăn nuôi vẫn cố gắng tìm cách lựa gà mái 1 ngày tuổi thông qua việc quan sát gai sinh dục trong lỗ huyệt gà con. Tuy nhiên việc chọn gà như thế đòi hỏi kỹ thuật chuyên môn và độ chính xác phụ thuộc rất nhiều vào tính chất lành nghề của người lựa gà. Do đó các nhà di truyền giống gà tìm cách tạo đàn gà con đặc biệt, cho phép người chăn nuôi có thể dựa vào một tính trạng ngoại hình nào đó, liên kết với giới tính để chọn lựa trống, mái. 6.6.2 Phân biệt giới tính gà con mới nở thông qua tốc độ mọc lông. Tốc độ mọc lông ở gà là tính trạng di truyền, được qui định bởi gen K và k, liên kết giới tính, nằm trên nhiễm sắc thể X. Gen XK qui định mọc lông muộn và gen Xk qui định mọc lông sớm. Gà con 8-10 ngày tuổi, thuộc các kiểu gen XkXk (gà trống) và XkY (gà mái) có lông cánh mọc dài tận đuôi và lông đuôi mọc được 1,2 cm. Trong khi các gà con lứa tuổi ấy thuộc các kiểu gen XKXK, XKXk, XKY vãn chưa có lông đuôi và lông cánh vẫn còn rất ngắn. Khi cho lai gà trống mọc lông sớm (XkXk) với gà mái mọc lông muộn (XKY), các con trống thế hệ sau (XKXk) sẽ mọc lông muộn, con mái (XkY) sẽ mọc lông sớm. Người ta ứng dụng công thức này để chọn trống, mái theo độ dài của lông cánh lúc gà con 8 ngày tuổi, chính xác dến 95%. 6.6.3 Phân biệt trống mái thông qua màu sắc lông Màu lông vằn của gà Plymouth biểu hiện bằng dãy sắc tố đen chen lẫn với dãy không sắc tố (trắng) được điều khiển bởi 1 gen trội liên kết với giới tính, nằm trên nhiễm sắc thể X, ký hiệu là XB trội so với lông màu nâu đỏ của gà Rhode Island Red, kỳ hiệu là Xb.
69 Khi cho lai giữa gà trống Plymouth với gà mái Rhode Island Red thì tất cả gà con sinh ra đều có lông màu vằn. Tuy nhiên công thức lai ngược lại sẽ cho tất cả gà trống có lông vằn (XBXb) và gà mái đều có lông nâu đỏ (XbY). Do đó người ta áp dụng công thức này để tạo đàn gà con khác biệt về màu lông và có thể phân biệt trống, mái khi gà con mới nở. Gà trống mới nở sẽ có màu trắng sáng và có đốm trắng trên đầu, trong khi gà mái con có lông màu vàng nhạt. Công thức lai tương tự cũng được quan sát trên gà Sussex và gà Rhode Island Red, màu lông ánh bạc của gà Sussex cũng do 1 gen điều khiển liên kết giới tính nằm trên nhiễm sắc thể X, gen này trội so với màu lông nâu đỏ của gà Rhode Island Red. 7. Bản đồ gen động vật. 7.1. Nguyên tắc lập bản đồ gen. Morgan là người đầu tiên cho rằng, tần số trao đổi chéo giữa hai gen được xác định bởi khoảng cách giữa hai gen ấy trên nhiễm sắc thể. Khoảng cách giữa hai gen càng gần thì khả năng xẩy ra trao đổi càng ít (tần số trao đổi chéo càng thấp), ngược lại khoảng cách giữa hai gen càng xa thì khả năng xẩy ra trao đổi càng nhiều (tần số trao đổi chéo càng cao). Trong thí nghiệm của Morgan, các số liệu thu được về tái tổ hợp được sử dụng để xác định mối quan hệ vị trí giữa các gen sắp xếp thành đường thẳng trên nhiễm sắc thể, được gọi là bản đồ liên kết hoặc bản đồ gen, bản đồ di truyền. Bản đồ liên kết (hay là bản đồ di truyền) sử dụng các số liệu về tần số trao đổi chéo của các giao tử (hoặc các cá thể), tức là tần số tái tổ hợp qua lai để xác định khoảng cách giữa các gen. Morgan và Sturtevant nêu lên khoảng cách giữa các gen trên nhiễm sắc thể được đo bằng đơn vị bản đồ di truyền, đó là cứ 1% tần số trao đổi (tái tổ hợp) tương ứng với 1 đơn vị Morgan (centimorgan, CM). 7.2 Bản đồ gen vật nuôi. Những năm gần đây người ta đã tiến hành các công trình nghiên cứu trên vật nuôi như bò, lợn, cừu, gia cầm để xây dựng bản đồ gen. Qua bản đồ gen, ngườì ta sẽ nắm được cơ chế kiểm soát di truyền các phức hợp tính trạng như sinh trưởng, sinh sản của gia súc, gia cầm, xác định được cơ sở phân tử của từng tính trạng, từng kiểu hình. Xây dựng