Giáo trình Cơ sở di truyền chọn giống thủy sản (Phần 2)

Nội dung text: Giáo trình Cơ sở di truyền chọn giống thủy sản (Phần 2)

1. Chương 6 DI TRUYỀN QUA TẾ BÀO CHẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG MẸ Kể từ khi người ta xác định được ADN và nhiễm sắc thể trong nhân tế bào, chúng ta đó thấy khá rõ vai trò của ADN và nhiễm sắc thể trong việc di truyền các đặc điểm/tính trạng của loài, nòi, giống, . . . qua các thế hệ. Thế nhưng mọi hoạt động sống của cơ thể sinh vật lại diễn ra trong tế bào chất của tế bào như sinh tổng hợp protein, trao đổi chất, các quá trình sinh hoá khác, . . Hơn thế nữa người ta cũng đã phát hiện ra một số dạng ADN có trong một số nội bào quan trong tế bào chất của tế bào, người ta đó gọi các nhân tố này là hệ thống plasmagen. Ty thể và lạp thể là những bào quan có chứa vật chất di truyền (ADN), do vậy chúng có bộ máy sinh tổng hợp protein riêng. Có người đã ví von, nếu xem vai trò của ADN và nhiễm sắc thể (hay nhân tế bào) như là chính phủ Trung ương điều hành các hoạt động chính của đất nước thì những gì mà các thành phần ADN trong tế bào chất thực hiện cũng giống như vai trò của chính quyền địa phương trong một đất nước. Trong phần này chúng ta hãy cùng nhau xem xét vai trò của tế bào chất trong di truyền. Những đặc điểm cơ bản của di truyền tế bào chất Nhân và tế bào chất của tế bào là một thể thống nhất của tế bào sống. Vật chất di truyền cơ bản nằm trong nhân tế bào (>99%), tuy nhiên các thành phần trong tế bào chất cũng có chứa một ít vật liệu di truyền. Vì vậy cần rút ra những đặc điểm cơ bản của di truyền tế bào chất để phân biệt tính di truyền ngoài nhân (trong tế bào chất) với tính di truyền trong nhân. - Về cơ bản, hợp tử thu nhận tế bào chất qua mẹ (tế bào trứng), vì thế phương pháp lai thuận nghịch cho phép ghi nhận ảnh hưởng di truyền của tế bào chất. Khi tiến hành lai thuận nghịch (dạng mẹ A bố B - lai thuận, dạng mẹ B với bố A - lai nghịch), những sai khác về kết quả của sự biểu hiện tính trạng ở các con lai cho phép nhận xét đánh giá ảnh hưởng của dạng mẹ tới sự biểu hiện của tính trạng. - Những tính trạng do các gen ở ty thể, lạp thể (và các thể cộng sinh ở tế bào chất - vi khuẩn, virus) kiểm tra, về cơ bản được di truyền theo hệ mẹ. Chúng sẽ được phân biệt với các tính trạng do các nhân tố di truyền trong nhân kiểm soát nhờ phép lai thuận nghịch. - Sự di truyền của các yếu tố di truyền trong tế bào chất không có các quy luật rõ ràng như do các yếu tố di truyền trong nhân kiểm soát. Vì trong quá trình phân bào không có sự phân chia đồng đều về thành phần của các bào quan ở tế bào chất cho các giao tử như trường hợp phân chia nhiễm sắc thể trong nhân tế bào. Hình 6.1. Lá bị khảm ở cây Mirabilis jalapa - Trên cơ sở đa bào có thể xẩy ra trường hợp hình thành thể khảm theo biểu hiện của tính trạng do các gen trong tế bào chẩt kiểm tra. Điều đó xẩy ra là do sự phân bố ngẫu nhiên 152
2. các thành phần mang gen ở tế bào chất cho các tế bào con trong quá trình phân bào, từ đó dẫn tới hiện tượng lá bị khảm (hình 7.1). - Số lượng bào quan mang vật chất di truyền ở bào chất thường là rất lớn và biến động. Khi xẩy ra đột biến ở những bào quan bình thường cùng loại, các đột biến ở tế bào chất có thể bị mất đi một cách nhanh chóng. - Nhiều bằng chứng đã cho thấy, các yếu tố di truyền ở tế bào chất có mối quan hệ mật thiết với các yếu tố di truyền trong nhân tế bào. Sử dụng phương pháp thay thế nhân thực nghiệm có thể làm sáng tỏ sự ảnh hưởng tương đối của nhân và bào chất trong sự biểu hiện của kiểu hình của tính trạng. Sự di truyền của lạp thể Nhiều dạng thực vật có dạng lá sọc, ở chúng trên lá xanh có sự xen kẻ bởi các vệt sọc trắng hoặc vàng. Đó là các vùng mô không chứa hoặc chứa rất ít các lạp thể, hay các lạp thể bị hỏng không có chlorophil. Correns (1908) và nhiều tác giả khác đã nghiên cứu sự di truyền của các đốm đặc biệt trên lá cây hoa phấn Mirabilis jalapa và cây hoa mõm chó Antirrium majus. Trên nền lá của cây Mirabilis jalapa có những chấm xanh nhạt hay chấm trắng, thậm chí là có những cành có lá hoàn toàn xanh và có những cành lá hoàn thành mất sắc tố (màu trắng). Màu trắng (lá bạch tạng) của lá là do lục lạp bị đột biến nên mất khả năng tạo thành diệp lục tố và vì vậy mà không thể có màu xanh khi tiếp xúc với ánh sáng. Khi sinh sản hữu tính, hoa xuất hiện từ các cành lá có màu xanh sẽ cho ra hạt mà sau đó đem gieo sẽ mọc ra cây có lá xanh, hoa xuất hiện từ cành có lá màu trắng sẽ cho ra hạt mà sau đó nếu đem giao sẽ mọc ra cây có lá trắng và những cây có lá màu trắng này sẽ nhanh chóng bị chết vì không quang hợp được nên không có dinh dưỡng nuôi cây. Hoa xuất hiện từ các cành có lá đốm sẽ cho ra các hạt mà sau đó nếu đem gieo sẽ mọc ra cây có lá đốm (xanh trắng xen kẽ). Khi cây có hoa ta tiến hành thụ phấn nhân tạo (tiến hành lai thuận nghịch), trường hợp hoa của dạng bạch tạng làm mẹ được thụ phấn bởi hoa của dạng bình thường thì thế hệ F1 xuất hiện toàn bộ dạng bạch tạng (sau một thời gian thì chúng bị chết, vì chúng không có khả năng quang hợp). Khi tiến hành lai ngược lại, hoa của dạng xanh làm mẹ được thụ phấn bởi dạng bạch tạng, thu được toàn bộ cây F1 thuộc dạng xanh bình thường. Như vậy màu sắc của lá đời sau ở đây đó được quy định bởi dòng mẹ. Trường hợp hoa của dạng sọc làm mẹ được thụ phấn của dạng xanh, các cây F1 hình thành 3 dạng khác nhau: Xanh, sọc, bạch tạng. Khi tiến hành lai ngược lại, đã thu được toàn bộ cây F1 thuộc dạng xanh. Những kết quả trình bày ở trên là ví dụ điển hình về sự di truyền theo hệ mẹ, ở đó chúng ta đã quan sát thấy sự sai khác tương phản rõ rệt giữa kết quả của lai thuận nghịch. Ở thực vật bậc cao, trong tế bào của lá chứa hàng chục lạp thể, chúng có dạng hình quả trứng hoặc hình đĩa, sinh sản bằng cách phân chia. Trong bóng tối lạp thể không có màu, khó phân biệt với bạch lạp và một vài lạp khác. Khi ở ngoài ánh sáng lạp thể có màu xanh và được gọi là lúc lạp. Lạp thể bị đột biến mất khả năng tạo thành lục tố, sự mất khả năng này được duy trì ổn định trong các thế hệ sau đã có sự phân chia nhiều lần của các lạp thể đã bị đột biến. Do vậy, dù đột biến chỉ xẩy ra ở một lạp thể cũng làm xuất hiện nhiều tế bào chứa hỗn hợp các lục lạp bình thường và lục lạp bị đột biến với các tổ hợp rất khác nhau "xanh" và "trắng" do sự phân chia độc lập của lạp thể theo phương thức phân bào nguyên nhiễm. Trong các quá trình phân chia tế bào các lạp thể được phân bố vào các tế bào con một cách thụ động 153
3. nên tỷ lệ xanh và trắng trong các tế bào vào các tế bào con thường xuyên thay đổi. Kết quả cho ra những tế bào chỉ gồm lạp thể trắng hoặc chỉ có lạp thể xanh, làm xuất hiện những vùng hoàn toàn trắng, hoàn toàn xanh hoặc đốm trắng xanh lẫn lộn. ADN lạp thể Lạp thể có nhiều dạng khác nhau (lục lạp, sắc lạp, bột lạp). Trong cơ thể của một số loài, genom của các lạp thể giống nhau. Vì thế các nghiên cứu về genom của lạp thể được tập trung vào cấu trúc của ADN ở lục lạp - dạng quan trọng nhất của nhóm lạp thể. ADN của lạp thể có dạng vòng gần giống với ADN của vi khuẩn. Ở thực vật bậc cao cp-ADN có kích thước từ 120-160Kb. Ở tảo phạm vi biến động của cp-ADN rộng hơn: từ 85-292Kb (1 Kb = 1.000 đôi nucleotit). Đặc biệt ở các loài tảo thuộc chi Acetabularia có các cp-ADN rất lớn, khoảng 20.000Kb (song chưa rõ ADN này có cấu trúc dạng thẳng hay dạng vòng). Các phân tích về cp-ADN cho thấy, lục tạp thường chứa nhiều bản sao cp-ADN. Trong mỗi lục tạp ở thực vật bậc cao thường có khoảng 30-60 bản sao cp-ADN. Ở tảo, số bản sảo trong mỗi lục tạp tăng hơn bào lông roi Eugbena gracilic chứa khoảng 15 lục tạp, mỗi lục tạp có khoảng 40 bản sao cp-ADN (1 bản cp-ADN dài 126Kb), tổng số ở mỗi cơ thể có tới 6.000 bản. Nhóm gen liên kết ở các lục lạp của cơ thể về cơ bản là giống nhau, các gen ở cp- ADN có thể xếp vào 2 nhóm chính. 1. Những gen mã hoá các thành phần của bộ máy sinh tổng hợp protein lục lạp: Các tiểu phần của ARN-polymerase, các ARN-riboxom (các riboxom của lục lạp có cấu tạo tương tự như các roboxom ở sinh vật nhân sơ), bộ tARN. Như vậy, lục lạp có khả năng tự tổng hợp được các protein riêng cho mình. 2. Những gen quy định nhiều thành phần của bộ máy quang hợp: Các hệ quang hợp I và H, các chuỗi vận chuyển điện tử cp-ADN còn kiểm tra một số quá trình tạo màng của lục lạp. Ngoài ra ở lục lạp còn có một số gen chống chịu, . . Genom của lục lạp ở thực vật bậc cao thường có kích thước bằng 1/30 đến 1/20 genom của lục lạp ở sinh vật nhân sơ (tảo lam). Như vậy, lục lạp ở thực vật bậc cao bị mất đi nhiều thông tin di truyền so với tổ tiên của chúng và trở nên phụ thuộc lớn vào các gen ở trong nhân của tế bào về nhiều thành phần quan trọng. Nhiều sản phẩm do các gen trong nhân kiểm tra đi vào trong lục lạp nhờ peptit transit. Một số sản phẩm cấu tạo từ các tiểu phần, chúng được kiểm tra bởi gen ở trong nhân và trong lục lạp, VD. enzy, RDP carboxilase, được cấu tạo bởi 2 tiểu phần, một tiểu phần do gen trong nhân kiểm tra, tiểu phần còn lại do gen ở trong lục lạp kiểm tra. cp-ADN mã hoá cho nhiều hợp phần quan trọng của các hệ quang hợp I, H và các chuỗi vận chuyển điện tử. Vì thế những hiểu biết về cấu trúc, chức năng của cp-ADN là rất quan trọng, mặc dù cp-ADN khó tách ra để nghiên cứu hơn so với ADN ty thể. cp-ADN của Marchantia polymonpha và Nicotiana tabacum được nghiên cứu khá kỹ, chúng có chiều dài tương ứng 121.024 và 155.884 đôi nucleotit với số lượng gen tương ứng là 136 (ở M. polymonpha) và 150 (ở N. tabacum). Theo các gen đơn bản tổ chức trong genom lục lạp của 2 loài thực vật này, đã quan sát thấy sự giống nhau đáng kể, mặc dù chúng rất xa nhau về mức độ tiến hoá. Những sai khác chủ yếu giữa chúng tìm thấy ở các vùng chứa các gen trựng lặp rARN. Nhiều nghiên cứu sử dụng các enzym giới hạn cẳt cp-ADN với mục đích phân tích sự đa dạng di truyền của lục lạp. Kết quả cho thấy, các lục lạp ở các cá thể của một loài là đồng nhất về di truyền. VD: ở cây Panicum maximum cp-ADN ở thịt lá và ở bao phấn là 154
4. giống nhau, các lục lạp chỉ khỏc nhau về hình dạng. Như vậy, trong quá trình phân chia, các lạp thể có xu thế ổn định về tổ chức các gen trên cp-ADN, hạn chế xẩy ra tái tổ hợp. Các kết quả nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng, ở lạp thể đột biến là do những biến đổi trong cấu trúc ADN của lạp thể. ADN lạp thể cũng giống với ADN trong nhân về thành phần cấu tạo, nhưng độc lập với ADN trong nhân về khả năng phân ly và khả năng tái sinh. Tảo lục đơn bào Chlamydomonas Đây là đối tượng rất thuận lợi cho việc nghiên cứu các quy luật di truyền ở lạp thể. Ở tảo Chlamydomonas reinhardtii trong tế bào chỉ chứa một lục lạp. Các tế bào của tảo này thường được nhân lên theo sinh sản vô tính (phân chia nguyên nhiễm). Tuy nhiên, sinh sản hữu tính vẫn xẩy ra bằng cách phối hợp hai tế bào phân biệt nhau theo yếu tố "giới tính", yếu tố này do gen mt ở nhiễm sắc thể kiểm tra. Dạng mt+ phối hợp với dạng mt sẽ hình thành hợp tử. Sau giai đoạn chín, hợp tử tiến hành phân chia giảm nhiễm, kết quả hình thành các tế bào đơn bội theo bộ bốn hay bộ tám tế bào, đó là các bào tử nang, chúng sẽ phát triển thành bào tử đơn bào. Sager (1975) đã phát hiện ra một số gen không có chất kháng sinh và một số gen đột biến ở ADN lục lạp của Chlamydomonas. Để tiến hành các phân tích di truyền của lục lạp, người ta đã tiến hành phân lập các dòng Chlamydomonas có các yếu tố di truyền kiểm tra sự phối hợp trong sinh sản hữu tính (mt+, mt). Khi xẩy ra kiểu giao phối mt+ là mẹ kháng streptomycin (sr), thì tất cả đời con thể hiện tính kháng. Trường hợp ngược lại mt+ là mẹ mẫn cảm với streptomycin (ss), thu được đời con mẫn cảm. Như vậy, đã xẩy ra sự di truyền theo hệ mẹ, tính kháng streptomycin do gen ở lục lạp kiểm tra. Sở dĩ thu được kết quả là chỉ của dạng mt+ được giữ lại. Tuy nhiên vẫn xẩy ra trường hợp ngoại lệ khoảng 1% hợp tử thu được cả 2 dạng lục lạp của 2 bố mẹ. Bào chất chứa cả 2 dạng ADN lục lạp này gọi là bào chất dị hợp. Tần số thu được dị hợp có thể lên tới 50% khi sử dụng tia cực tím chiếu vào các bào mang gen mt+ vào thời điểm ngay trước khi xẩy ra sự phối hợp giữa các tế bào mt+. Bào chất dị hợp sử dụng trong các phân tích di truyền đối với các gen lạp thể. Bên cạnh đó, đã phát hiện gen đột biến ac2 - kìm hãm quá trình quang hợp, dạng đột biến này phát triển ở môi trường nuôi cấy có bổ sung axetat (gen ac1 - bình thường). Người ta đã sử dụng 2 cặp gen ngoài nhiễm sắc thể trong lai phân tích nhằm phát hiện ra các cá thể tái tổ hợp. Cho giao phối hai bố mẹ ac1ss x ac2sr, ở đời con đã sử dụng các chỉ thị (marker/indicator) để nhằm phân biệt kiểu phân ly của các gen lục lạp với kiểu phân ly của các gen trên nhiễm sắc thể. Kết quả theo dõi cho thấy, hai cặp gen ac1/ac2 và sr/ss đã phân ly, dẫn tới xuất hiện cả 2 dạng bố mẹ ac1ss, ac1rs và dạng tái tổ hợp ac1cr, ac2ss. Kết quả của nhiều phân tích khác cho phép Sager (1975) thiết lập được bản đồ về nhóm gen liên kết dạng vòng của lục lạp Chlamydomonas reinhardti. Sự di truyền của ty thể ADN ty thể Ty thể trung tâm cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào thông qua các quá trình photphoril hoá - oxy hoá, vận chuyển điện tử, quá trình oxy hoá axit citric và các axit béo. Phân tử ADN trong ty thể có dạng vòng (các ADN ty thể ký hiệu là mt.ADN), có thành phần cấu tạo giống ADN trong nhân nhưng độc lập với ADN trong nhân khi phân chia và tái sinh. So với các ADN lạp thể thì các mt.ADN dễ dàng tách ra hơn để nghiên cứu những đặc điểm về cấu trúc. Ở các sinh vật khác nhau, các mt.ADN có kích thước biến 155
5. động rất lớn, từ 16Kb ở động vật cho tới mấy trăm Kb ở thực vật bậc cao (VD. ở ngô mt.ADN có độ lớn 570Kb). Trong mỗi ty thể thường chứa nhiều bản sao mt.ADN. VD. Dòng tế bào nuôi cấy Hela ở người, mỗi tế bào có khoảng 800 ty thể, trong mỗi ty thể có thể chứa tới 10 bản sao mt.ADN. Số lượng ty thể rất khác nhau ở các tế bào của cơ thể, đặc biệt số lượng ty thể tăng mạnh ở các tế bào trứng (để đảm bảo năng lượng cho quá trình phát triển của hợp tử) và tế bào hạt phấn (để đảm bảo cho sự nảy mầm và phát triển của ống phấn). VD. tế bào trứng của động vật có vú có số lượng ty thể rất lớn, mt.ADN chiếm tới 1/3 tổng lượng ADN của tế bào. Nấm men bánh mỳ saccharomycess cervisea là đối tượng được nghiên cứu rất kỹ về ADN ty thể. Cấu trúc của mt.ADN ở động vật bậc cao thường ít biến động, trong khi đó cấu trúc của mt.ADN ở thực vật bậc cao và ở sinh vật bậc thấp nhân chuẩn rất đa dạng. Ở người, chuột, động có sừng (trâu, bò) mt.ADN có độ dài tương ứng là 16.569, 16275 và 16.336 đôi nucleotit, chúng là các vòng rất nhỏ. Điều đáng lưu ý là tổ chức các gen của 3 loại mt.ADN nêu trên, về cơ bản là giống nhau, mỗi mt.ADN chứa 2 gen rARN, 22 gen tARN và khoảng 13 gen mã hoá các protein. Nấm men bành mỳ Saccharomycess cervisea có mt.ADN dài khoảng 84Kb, gần 5 lần mt.ADN ở động vật có vú. Tuy nhiên, sự tổ chức các gen trên mt.ADN của nấm men thể hiện tương tự như mt.ADN ở động vật có vú. Độ dài của mt.ADN nấm men tăng hơn có thể là do sự có mặt của nhiều đoạn intron lớn. VD. Đoạn ADN chứa 2 gen mã hoá cho cytochrom b và tiểu phần 1 của cytocchrom ozydase có độ dài gần bằng mt.ADN nguyên vẹn của động vật có vú, ở vùng này chứa một đoạn intron rất dài. Hơn thế nữa, ở mt.ADN nấm men tổ chức các tARN được phân tách bởi nhiều đoạn giữa các gen, trong đó 16 gen tARN tổ chức thành một cụm, 10 gen khác phân tán khắp genom. Ngoài ra, số lượng gen mã hoá các protein ở mt.ADN nấm mem có thể lớn hơn so với mt.ADN động vật có vú, tuy nhiên vấn đề này cũng còn chưa được xác định rõ. ADN ty thể có thể tái bản độc lập, các ty thể tái bản độc lập với chu kỳ phân bào, ADN ty thể mã hoá cho một số nhóm gen sau: Các thành phần của bộ may sinh tổng hợp protein của ty thể có các riboxom đặc trưng, các t.ARN, các enzym aminoxil-t. ARN-synthetase. Những gen mã hoá cho một số sản phẩm khác, như một số cấu trúc mang trong ty thể (một phần nhỏ) tham gia vào chuỗi hô hấp và một số gen khác. ARN polymerse ty thể thực hiện sao mã (VD. ở mt.ADN của động vật có vú kích thước nhỏ) theo phương thức từ một điểm khởi đầu ARN được sao mã thành một đơn vị liên tục, sau đó nó được enzym endpnuclease phân cắt để hình thành nên các phân tử tARN, rARN và các mARN (mã hoá các protein). Như vậy, mt.ADN nguyên vẹn ở đây tương đương như một operon ở vi khuẩn. Cấu trúc riboxom của ty thể khác với riboxom ở tế bào chất, tuy nhiên ở các sinh vật khác nhau cấu trúc của riboxom ty thể biến động mạnh: Tiểu phần lớn của riboxom có hằng số lắng đọng 40S-60S (ở vi khuẩn và lạp thể 50S, ở tế bào nhân chuẩn là 60S), tiểu phần nhỏ có hằng số lắng đọng 30S - 55S (vi khuẩn và lạp thể 30S, tế bào chất của tế bào nhân chuẩn 40S). Ty thể là một bào quan thực hiện chức năng quan trọng và phức tạp, ở đó chứa một lượng lớn các protein. mt.ADN chỉ mã hoá cho một lượng nhỏ protein (VD. 13 loại đối với mt.ADN động vật có vú). Vì thế, số lượng lớn các protein ty thể do các gen ở trong nhân kiểm tra. Các protein nhập vào ty thể để thực hiện các chức năng của mình nhờ peptit- tranzit. Một số protein có cấu trúc từ các tiểu phần do các gen ở trong nhân và ở ty thể kiểm tra. VD. enzym malatdhydrogenase cấu tạo từ 2 tiểu phần, trong đó một tiểu phần do 156
6. gen ở trong nhân kiểm tra và tiểu phần kia do gen trong ty thể kiểm tra. Cytochrom oxydase cũng có bức tranh tương tự. Đột biến khuẩn lạc nhỏ ở nấm mem bánh mỳ Nấm mem bánh mỳ Saccharomycess cervisea là cơ thể đơn bào, song chúng sống thành cụm tế bào gọi là khuẩn lạc. Các tế bào nấm men thuộc trạng thái đơn bội, chúng được nhân lên theo phương thức "mọc chồi" từ các tế bào mẹ tạo nên dòng vô tính. Tuy nhiên, trong đời sống của mỡnh nấm men còn xẩy ra sinh sản hữu tính bằng cách phối hợp 2 dạng tế bào khác nhau. 2 tế bào đơn bội dung hợp thu được tế bào lưỡng bội, tế bào này có thể tiếp tục được nhân lên qua nguyên phân (giai đoạn nấm men sống ở pha lưỡng bội) khi tế bào lưỡng bội tiến hành phân chia giảm nhiễm, kết quả sẽ thu được các tứ tế bào. Các bào tử đơn bội phát triển thành các dòng đơn tính. Hình 6.2. Phân tích bộ bốn về khả năng hô hấp ở các thể lai giữa các thế bào đơn bội kiểu (Pet+) với đột biến Pet có nguồn gốc ở nhân (A) và với kiểu đột biến Pet nguồn gốc tế bào chất (B) Nghiên cứu của Ephrussi đã cho thấy ở các quần thể S. cervisea sản sinh ra 1% khuẩn lạc loài hình bộ, dạng này ở môi trường nuôi cấy có đường glucose tạo ra khuẩn lạc có kích thước rất nhỏ. Đột biến khuẩn lạc nhỏ này ký hiệu Pet (pet+ là kiểu hoang dại, khuẩn lạc phát triển kích thước lớn bình thường). Phân tích cho thấy, dạng đột biến khuẩn lạc nhỏ bị thiếu hụt enzim hô hấp cytochrom oxydase, điều đó đã được chứng minh do sự thay đổi trong ty thể. Cũng có những cá thể lai lưỡng bội giữa loại đơn bội bình thường với các đại diện của khuẩn lạc bé nhỏ. Về mặt enzim hô hấp đã thấy các cá thể lưỡng bội này bình thường và khi hình thành bào tử đời con đơn bội cũng bình thường, nhưng khi quan sát dưới kính hiển vi điện tử người ta thấy ở loại đơn bội bên cạnh những ty thể bình thường còn có những ty thể hư hại đặc biệt. Do sự cố về chức năng hô hấp nên tế bào thiếu hụt nghiêm trọng về năng lượng, chúng sinh sản rất kém và có kích thước nhỏ dẫn tới hình thành khuẩn lạc nhỏ. Tác nhân gây đột biến nhân tạo cũng làm xuất hiện các khuẩn lạc bé của nấm men, loại này được di truyền lại cho đời sau qua sinh sản vô tính. 157
7. Cho giao phối các tế bào đơn bội Pet+ x Pet-, có thể thu được kiểu dại, hô hấp bình thường. Các kết quả phân tích di truyền bộ bốn cho thấy, các đột biến Pet- có đặc điểm di truyền khác nhau (hình 7.2). Một số thể lai cho phân ly bình thường (2 Pet+ : 2 Pet-), trường hợp thứ 2 cho phân ly 4 Pet+ : 0 Pet-. Rõ ràng trường hợp 1 - đột biến khuẩn lạc nhỏ xẩy ra ở nhiễm sắc thể trong nhân tế bào, trường hợp trường hợp 2 - xẩy ra ở bào chất, có khả năng liên quan tới ty thể. Đột biến khuẩn lạc nhỏ có nguồn gốc tế bào chất được phân lập không khó khăn, đột biến này xuất hiện tự nhiên với tần suất khoảng 1%. Một số tác động như nhiệt độ cao, acriphlavin, etidi bromit có thể làm tăng sự xuất hiện của các đột biến này. Trong quá trình cấy chuyền nhiều lần dạng khuẩn lạc nhỏ Pet- có nguồn gốc bào chất không quan sát thấy đột biến ngược xẩy ra (không thu được dạng bình thường). Trong khi đó, dạng Pet- có nguồn gốc nhân đã thu được dạng đột biến ngược. Các phân tích về ty thể dạng Pet- nguồn gốc bào chất cho thấy, ở mt.ADN có xẩy ra mất đoạn với các độ dài khác nhau làm cho ty thể mất khả năng thực hiện chức năng năng lượng của tế bào. Trong tế bào của dạng nấm men khuẩn lạc nhỏ có mt.ADN bị hỏng, nhưng mt.ADN vẫn tiếp tục được tái bản ty thể không bình thường. Điều này chứng tỏ rằng các protein cần cho sự tái bản mt.ADN, về cơ bản không ghi mã trong mt.ADN. Tế bào nấm men là đối tượng thuận lợi cho nghiên cứu di truyền ty thể. Ở mt.ADN đã phát hiện ra nhiều gen chỉ thị khác, đó là gen kháng chất nguyên sinh như: Cloramphenicol, erytromucin, (các kháng sinh này ức chế tổng hợp protein ở vi khuẩn), gen kháng oligomixi (chất gây ức chế sự hô hấp). Trong một số trường hợp, các ty thể có nguồn gốc khác nhau (được thu thập vào bào chất của hợp tử) có thể dung hợp với nhau. Hệ quả là 2 mạch mt.ADN của 2 dạng ty thể có thể xẩy ra trao đổi vật chất di truyền cho nhau, dẫn tới sự đa dạng về tổ hợp các gen ở ty thể. Điều cần lưu ý là sự trao đổi vật chất di truyền ở mt.ADN có thể xẩy ra không đều nhau, tính chất này gọi là tính hướng cực của sự tái tổ hợp di truyền. Sự di truyền qua tế bào chất của do tác nhân kiểu virus Theo Leritie, ruồi dấm có dòng rất nhạy cảm với CO2, ruồi bình thường có thể sống trong CO2 tinh khiết hàng giờ, song ruồi mẫn cảm thì có thể chết ngay hoặc bị bại liệt sau khi tiếp xúc với CO2 vài giây. Khi cho tạp giao giữa ruồi dấm bình thường với ruồi dấm mẫn cảm, đặc tính mẫn cảm ở đời con phụ thuộc vào tế bào chất của dòng gốc. Vì vậy khi cho tạp giao ruồi đực mẫn cảm với ruồi cái bình thường, thế hệ con sinh ra có rất ít con bị mẫn cảm. Nếu tất cả nhiễm sắc thể có ruồi dòng mẫn cảm được thay thế bằng nhiễm sắc thể của dòng bình thường, những cá thể mới cũng không mất đi tính mẫn cảm. Điều đó cho thấy yếu tố gây nên tính mẫn cảm được thay thế bằng nhiễm sắc thể của dòng bình thường, những cá thể mới cũng không mất đi tính mẫn cảm. Như vậy yếu tố gây nên tính mẫn cảm liên quan đến một thành phần nào đó nằm trong tế bào chất, người ta gọi yếu tố này là xích ma (δ). Yếu tố δ được truyền cho đời con chủ yếu qua tế bào chất của tế bào trứng. Tuy nhiên nó cũng có thể tách từ tế bào. Khi ghép buồng trứng của ruồi bình thường vào ruồi nhạy cảm cao, tế bào trứng của ruồi bình thường bị nhiễm yếu tố δ và truyền lại cho đời sau. Người ta cũng đó chứng minh được rằng yếu tố δ là một plasmagen có khả năng thích nghi với mọi kiểu gen của tế bào. 158
8. Hiện tượng tiền định tế bào chất Ốc Linea pregra có vỏ xoắn phải do gen trội D điều khiển, xoắn trái do gen lặn d điều khiển. Khi tiến hành tạp giao 2 dòng ốc có hướng xoắn khác nhau: P mẹ xoắn phải x bố xoắn trái mẹ xoắn trái x bố xoắn phải DD ↓ dd dd ↓ DD F1 100% xoắn phải 100% xoắn phải Dd Dd F2 100% xoắn phải 100% xoắn phải DD: 2Dd : dd DD: 2Dd : dd ↓ ↓ F3 3 xoắn phải : 1 xoắn trái 3 xoắn phải : 1 xoắn trái Trong phép lai này có 2 trường hợp đặc biệt: - Khi cho lai ốc cái xoắn trái với ốc đực xoắn phải thì thế hệ F1 đó thu được 100% ốc xoắn trái, không tuân theo kiểu gen Dd. - Cả 2 kiểu lai thế hệ F2 đều thu được 100% ốc xoắn phải, không tuân theo kiểu gen dd. - Đến thế hệ F3 thì sự phân ly kiểu hình và kiểu gen mới phù hợp với quy luật di truyền Mendel (1 : 2 : 1 và 3 : 1). Hình 6.3. Sự di truyền của tính trạng xoắn phải và xoắn trái ở ốc Người ta đã giải thích rằng, trường hợp kiểu gen Dd ở F1 cho kiểu hình xoắn trái và kiểu gen dd ở F2 cho xoắn phải là vì chúng đã chịu tác động của các yếu tố trong tế bào chất của dòng mẹ. Con mẹ là dd thì trứng là d, vì vậy con con dự là Dd vẫn bị ảnh hưởng bởi "vai trò" của d trong tế bào trứng nên cũng chỉ có kiểu hình là xoắn trái. Trong trường hợp F1 có kiểu gen Dd sinh ra 100% ốc F2 xoắn phải là do ảnh hưởng của yếu tố "D" của con mẹ đó có sẵn trong tế bào chất của tế bào trứng, nên kiểu gen dd vẫn xoắn phải. Ảnh hưởng của dòng mẹ Các đặc tính và hoạt động của tế bào chất do các gen trực tiếp kiểm soát, ảnh hưởng của gen đối với tế bào chất thường là khá bền vững, do vậy muốn có một tác động mới của gen để hình thành một đặc tính hay hoạt động mới cần phải có thời gian. Với những điều kiện như vậy, trong khi để tạo được một thay đổi do ảnh hưởng mới của gen thì phải làm thay đổi đặc tính tế bào chất phải trải qua vài thế hệ tế bào và sẽ xuất hiện cảnh tượng mới 159
9. đặc biệt về sự di truyền của tế bào chất đối với đặc tính đảo ngược tạm thời của tế bào chất. Đời con (giao tử và hợp tử) luôn được nhận toàn bộ tế bào chất của tế bào từ mẹ nên tất nhiên chúng sẽ có nhiều đặc điểm giống mẹ, như vậy được gọi là ảnh hưởng theo dòng mẹ. Hiện tượng khá phổ biến là “mẫu khuynh” (matroclimic) trong một số trường hợp tạp giao cho thế hệ F1 các đặc điểm giống mẹ. Mauux khuynh đôi khi biểu hiện khá rõ ở tạp giao cá cùng loài và khác loài. Cơ sở của mẫu khuynh có thể nhận biết qua 3 hiện tượng: ♦ Sự có mặt trong tế bào chất các cấu trúc có chứa ADN (trước hết là ở ty thể) điều khiển sự tổng hợp một số protein đặc biệt. Sự di truyền của các gen ngoài nhân như vậy diễn ra theo đường mẹ, qua tế bào chất của trứng và có thể di truyền vững chắc theo mẹ. ♦ Sự tích lũy trong tế bào chất và noãn hoàng của trứng chín một lượng lớn các sản phẩm từ hoạt động của NST của mẹ (mARN, protein). Điều này dẫn đến ưu thế phát triển của các đặc điểm của mẹ ở con trong các giai đoạn đầu (phôi). Cần nói thêm rằng, nhiều gen từ bố ở cá chỉ bắt đầu hoạt động tổng hợp protein từ giai đoạn phôi nang, thậm chí muộn hơn. Ảnh hưởng của mẹ được phát hiện khi tạp giao giữa cá chép nhà với cá chép dai Amua, các chép Rôpsa với cá chép Ucrain, cá chép với cá diếc. ♦ Thụ tinh giữa tinh trùng bình thường với tế bào trứng không giảm phân (lưỡng bội) và thu các phôi tam bôi với 2/3 bộ NST là của mẹ và 1/3 là của bố. Các thể tam bội với ưu thế các tính trạng của mẹ cũng được lặp lai khi tạp giao xa giữa một số loài cá. Trong đa số các trường hợp di truyền “theo mẹ” ở cá thực chất là do tác động từ kiểu gen của mẹ. Hiện tượng di truyền của một số tính trạng giống mẹ thường chỉ giới hạn ở thế hệ con đời thứ nhất và mất đi ở cac thế hệ sau đó. Các hiện tượng di truyền ngoài nhân và anh hưởng của dòng mẹ đã và sẽ được phát hiện ở cả động và thực vật, trong đó có các động vật thủy sản. TÓM TẮT CHƯƠNG Chương này cung cấp cho người học các kiến thức về các yếu tố vật chất di truyền ngoài nhân (trong tế bào chất): Cấu trúc của ADN và đặc trưng của ADN ngoài nhân. Người học cũng sẽ biết được các yếu tố di truyền nằm trong các cơ quan tử (ty thể, lạp thể) sẽ được di truyền theo quy luật nào. Lai thuận nghịch là cách để giúp cho ta phát hiện ra tính trạng được điều khiển bởi yếu tố di truyền trong nhân hay ngoài nhân, đồng thời lai thận nghịch cũng giúp chúng ta xác định được vai trò của dòng mẹ trong lai tạo. Ngoài ra ở động vật thì sự tiền định của yếu tố di truyền, di truyền do tác nhân kiểu virus, . . . sẽ giúp chúng ta hiểu thêm các trường hợp ảnh hưởng của dòng mẹ trong sự thể hiện của tính trạng. CÂU HỎI 1. Vì sao chúng ta lại phải quan tâm và nghiên cứu sự di truyền của các yếu tố ngoài nhân (trong tế bào chất). 2. Các yếu tố di truyền trong tế bào chất có những đặc trưng gì? 3. Hãy trình bày sự đặc trưng di truyền của yếu tố di truyền nằm trong lạp thể. 4. Hãy trình bày sự đặc trưng di truyền của yếu tố di truyền nằm trong ty thể. 5. Thế nào là sự di truyền qua tế bào chất của do tác nhân kiểu virus? 6. Thế nào là hiện tượng tiền định tế bào chất? 7. Dòng mẹ có vai trò như thế nào trong sự di truyền của các tính trạng và đời sống sinh vật nói chung? Hãy cho biết ứng dụng của ảnh hưởng của dòng mẹ trong chọn giống và lai tạo giống. 8. Để nghiên cứu sự di truyền của các yếu tố di truyền trong tế bào chất và vai trò của dòng mẹ, chúng ta phải sử dụng phương pháp nghiên cứu gì? 160
10. Chương 7 BIẾN DỊ VÀ ĐỘT BIẾN Biến dị của sinh vật là một trong ba yếu tố trong sự tiến hoá của sinh vật và thường là những quá tính phức tạp. Biến dị là cơ sở để chọn lọc những sinh vật có khả năng thích ứng với điều kiện sống. Người ta cho rằng, biến dị là ruột quá trình phản ánh mối liên hệ giữa sinh vật và ngoại cảnh. Trên quan điểm di truyền thì biến dị là kết quả phản ứng của kiểu gen đối với điều kiện môi trường bên ngoài trong quá trình phát triển cá thể. Mối liên hệ giữa cơ thể với ngoại cảnh được thể hiện qua sơ đồ sau: Quá trình phát triển của cá thể Kiểu gen ⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ Kiểu hình ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ Các yếu tố ngoại cảnh Khái niệm và phân loại của biến dị Biến dị là những biến đổi mà cơ thể sinh vật thu được dưới tác động của các tố ngoại cảnh và do quá trình tái tổ hợp di truyền. Darwin là người đầu tiên đã phân chia biến dị ra làm 2 nhóm: (l) Biến dị không di truyền - thường biến (biến dị không xác định) và (2) biến dị di truyền - đột biến (biến dị xác định). Những biến dị không di truyền ngày nay gọi là thường biến, chúng là những biến đổi của các đặc điểm, tính trạng của sinh vật được phát sinh trong quá trình phát triển của cơ thể dưới ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh bên ngoài, không di truyền lại cho thế hệ sau trong sinh sản hữu tính. Biến dị di truyền là tất cả những biến đổi của các đặc điểm, tính trạng của sinh vật, không bị mất đi trong quá trình sinh sản hữu tính và được di truyền từ đời này qua đời khác. Như vật là các đặc điểm, tính trạng của sinh vật có thể bị biến đổi. các đặc điểm, tính trạng cũ mất đi, các đặc điểm, tính trạng mới có thể xuất hiện. Các biến đổi cho dù ở mức độ nào, dù có được di truyền hay không được di truyền chúng đều là nguyên nhân tạo ra sự đa dạng, phong phú của sinh vật. Tính đa dạng phong phú của sinh vật được hình thành như thế nào trong khi tính di truyền lại làm cho sinh vật giống nhau (bảo thủ) từ thế hệ này qua thế hệ khác. Những nguyên nhân rào đã làm cho các sinh vật xây ra các biến dị, cơ chế để tạo ra các dạng biến dị như thế nào, làng thế nào để có thể tạo ra các biến dị có lợi và ngăn ngừa các biến dị có hại, con người đã sử dụng các dạng biến dị phục vụ cho kinh tế, xã hội như thế nào? Đây là những nội dung nghiên cứu của di truyền học về các biến dị của sinh vật. Phân loại các biến dị Biến dị nói chung là những biến đổi rất đa dạng ở sinh vật, chúng được phân ra theo các nhóm sau đây: 1. Biến dị không di truyền: Đó là những biến dị liên quan đến kiểu hình, không liên quan đến vật chất di truyền. Những biến đổi này còn được gọi là thường biến. 2. Biến dị di truyền: Đó là những biến đổi có liên quan đến vật chất di truyền của cơ thể. Trong đó có thể phân ra 2 nhóm: (a) biến dị đột biến - là những biến đổi có tính chất hoá học của vật liệu di truyền. (b) biến di tái tổ hợp - là những tổ hợp sắp xếp gen mới mà đời con thu được khác với bố mẹ do sự phân ly độc lập và sự trao đổi chéo của các gen. 161
11. 3. Có thể phân lập một dạng biến dị thứ ba, gọi là biến dị phát triển cá thể- đó là những thể hiện về mức phản ứng của tính trạng di truyền diễn ra trong vòng đời của cá thể và những biến đổi về chương trình thực hiện thông tin di truyền trong quá trình phát triển cá thể. Các biến dị ở nhóm này có thể là thường biến hoặc đột biến. Phân loại các đột biến Đột biến là những biến đổi có tính chất hoá học của vật liệu di truyền xẩy ra do tác dộng của các yếu tố ngoại cảnh và các yếu tố bên trong tế bào. Nguyên nhân phát sinh và sự thể hiện của các biến dị, đột biến rất da dạng. Ở các góc độ tiếp cận khác nhau có thể phân loại đột biến theo nhiều cách. Cách phân loại cơ bản nhất vẫn là theo đặc điểm biến đổi của kiểu gen. Theo đó ta có 4 kiểu sau: 1. Đột biến gen (còn gọi là đột biến điểm), đó là những biến đổi về thành phần bazơ của ADN, làm biến đổi các cấu trúc gen, dẫn tới chức năng của chúng bị biến đổi. 2. Đột biến cấu trúc nhiễm sắc thể là những biến đổi liên quan đến những đoạn khác nhau trên nhiễm sắc thể, có thể quan sát thấy dưới kính hiển vi. Nhóm này bao gồm các biến đổi như: Mất đoạn, đảo đoạn, thêm đoạn, chuyển đoạn. 3. Biến đổi về số lượng nhiễm sắc thể bao gồm: Những thay đổi về số lượng của cả bộ nhiễm sắc thể (các dạng đa bội thể), thay đổi số lượng ở các đôi nhiễm sắc thể riêng lẻ (các dạng đa bội lệch). 4. Đột biến ở tê' bào chất, là những biến đổi trên ADN của các bào quan như ty thể, lạp thể, hay các episom, plasmid (vi khuẩn). Ngoài ra còn có thể phân loại đột biến theo các phương thức sau: + Theo các phương thức gây nên đột biến: (l) đột biến tự nhiên-xuất hiện do tác động của các yếu tố trong tự nhiên; (2) đột biến nhân tạo-được tạo ra do con người xử lý bằng các tác nhân gây đột biến; (3) sự tăng đột biến do các nhân tố di truyền tế bào chất kiểm soát. + Theo hướng thể hiện của đột biến: (l) đột biến thuận, khi từ kiểu hoang dại (bình thường) chuyển thành kiểu đột biến; (2) đột biến nghịch, khi từ kiểu đột biến trở lại kiểu khởi thủy (kiểu dại). + Theo đặc điểm thể hiện về kiểu hình và sức sống của thể đột biến đã phân ra các dạng sau: Đột biến gây chết, bán gây chết, đột biến hình thái, đột biến hoá sinh, sinh lý, . . . + Theo dạng tế bào mà ở đó xẩy ra đột biến, đã phân ra: Đột biến ở tế bào sinh sản, đột biến ở tế bào sinh dưỡng hay tế bào soma của cơ thể, hoặc ở tế bào soma trong nuôi cấy invitro. Thường biến và mức phản ứng Khái niệm về thường biến Thường biến là những biến đổi trong thể hiện kiểu hình của các kiểu gen giống nhau trong những điều kiện tác động ngoại cảnh khác nhau: ⎡Ngoại cảnh l ⎯⎯→ Kiểu hình 1 ⎤ ⎢Ngoại cảnh 2 ⎯⎯→ Kiểu hình 2 ⎢ Kiểu gen ⎢Ngoại cảnh 3 ⎯⎯→ Kiểu hình 2 ⎢ Các thường biến ⎢. . . . . . . . . . . ⎯⎯→ . . . . . . . . . . ⎢ ⎣Ngoại cảnh n ⎯⎯→ Kiểu hình n ⎦ Thường biến là hiện tượng phổ biến ở các đối tượng sinh vật. Trong quá phát triển của cơ thể sinh vật, người ta đã thấy xuất hiện những biến đổi của các đặc điểm sinh lý, hình thái và những đặc điểm tính trạng khác. Những biến đổi này thuộc loại biến đổi kiểu 162
12. hình không di truyền. Có thể lấy một số ví dụ: Cây cỏ mác có lá hình bản mỏng dài dưới mặt nước, những lá nằm ngang mặt nước có lá hình bầu tròn, trong trường hợp lá phát triển lên cao khỏi mặt nước (ở điều kiện cạn) lá sẽ có hình lưỡi mác. Ta hãy xem xét lại công thức về mối liên hệ giữa kiểu hình - kiểu gen và môi trường ở chương trước: P = G + E 222 σ P =σσGE+ hoặc VP = VG + VE Trong đó: VP là biến đổi của kiểu hình VG là biến đồi do yếu tối truyền hay kiểu gen VE là biến đổi do yếu tố ngoại cảnh Như vậy những biến đổi của kiểu hình là do những biến đổi của kiểu di truyền dưới tác động của những thay đổi của các yếu tố ngoại cảnh. Trong trường hợp biến dị không di truyền thì kiểu gen không thay đổi vì vậy mà không có, mà chỉ có VP và VE , vì VG không thay đổi nên không có bất kỳ sự thay đổi nào trong vật liệu di truyền giữa đời trước và đời sau. Điều này có nghĩa là những biến đổi của kiểu hình ở đây chỉ phụ thuộc vào thay đổi của yếu tố ngoại cảnh, VP ~ VE. Ta có thể xem xét một số ví dụ sau đây: Tập đoàn tảo Chlorela có kiểu gen nhất định khi một tập đoàn này sống trong điều kiện môi trường đủ ánh sáng thì sẽ chúng có màu xanh, đưa chúng vào sống trong điều kiện búng tối chúng sẽ có màu vàng và sau đó lại đem chúng ra sống trong điều kiện đủ ánh sáng thì chúng lại có màu xanh. Rõ ràng kiểu gen của tảo Chlorella không thay đổi, song do điều kiện ngoại cảnh (ánh sáng) thay đổi đã làm cho kiểu hình (màu sắc) của chúng thay đổi. Dạng biến đổi kiểu hình như vậy còn có thể thấy ở nhiều loài động thực vật khác nữa. Ví dụ, nhiều loài côn trùng (sâu bọ) khi sống trên các cây, để cho kẻ thù không nhìn thấy, chúng đã thay đổi màu sắc của lông da của chúng giống như màu của vỏ, lá cây nơi mà chúng đang sinh sống. Nếu những biến đổi xuất hiện ở sinh vật, trên kiểu hình, chỉ trong những thời điểm hoặc khoảng thời gian nhất định hoặc trong một đời của một một cá thể một nhóm cá thể như trên thì được gọi là biến đổi kiểu hình. Biến đổi kiểu hình thường xẩy ra đối với các giống cây trồng và vật nuôi nhập nội hoặc di chuyển vùng sinh thái. Trong quá trình thích nghi, nhiều giống, cá thể giảm khả năng sản xuất, đặc biệt là khả năng sinh sản: Chậm sinh, vô sinh, . . . Qua những ví dụ trên chúng ta thấy, các tính trạng số lượng rất dễ bị biến đổi vì chúng phụ thuộc rất nhiều vào những thay đổi của các điều kiện môi trường (khí hậu, chăm sóc nuôi dưỡng, phân bón, . . .), nếu biết vận dụng để khống chế và cải thiện thì sẽ tạo ra các biến dị có lợi, còn ngược lại thì sẽ làng giảm khả năng sẵn có (tiềm năng di truyền) của sinh vật. Mức phản ứng Thường biến là kết quả biểu hiện kiểu hình do sai khác về điều kiện của ngoại cảnh gây nên, không phải do sai khác về kiểu gen, vì thế không thể sử dụng thường biến để làm vật liệu để chọn lọc. Trong những điều kiện ngoại cảnh khác nhau mỗi một kiểu gen chỉ có một giới hạn xác định về sự thể hiện kiểu hình của tính trạng. Giới hạn này gọi là mức phản ứng của kiểu gen. Nói cách khác, mức phản ứng cho biết khả năng của một kiểu gen đáp ứng lại sự tác động của ngoại cảnh bằng thường biến của nó khác với thường biến của kiểu gen khác. 163
13. Bản thân thường biến là những sự khác biệt không di truyền, song mức phản ứng của các kiểu gen là đặc trưng di truyền. Vì thế chúng ta có thể chọn được kiểu gen có mức phản ứng rộng hoặc hẹp về thể hiện thường biến. Qua đó ta có thể xác định được sự thể hiện kiểu hình tối ưu của kiểu gen. Các đặc điểm cơ bản của thường biến: Trong các điều kiện ngoại cảnh khác nhau biến dị thường biến xẩy ra đối với những tính trạng nào đó, thể hiện ở góc độ định tính cũng như định lượng, khác với đột biến- thường biến có các đặc điểm sau: 1.Thường biến phụ thuộc vào đặc điểm của các yếu tố tác động tạo ra nó. Thường là những biến đổi định hướng (biến dị xác định), tức là dựa vào kiểu ngoại cảnh tác động chúng ta có thể đoán trước được sự biểu hiện của biến dị thường biến. 2. Mức độ thể hiện của các thường biến tỷ lệ thuận với cường độ và trường độ của tác động tạo nên chúng. Tính chất này tương ứng với khái niệm biến dị tương quan (lần đầu tiên do Lamarc đưa ra). Tuy nhiên mối quan hệ này chỉ xem xét trong giới hạn mức phản ứng của kiểu gen. 3. Thường biến có tính chất thuận nghịch. Khi dừng tác động của ngoại cảnh mới (trở về ngoại cảnh cũ), thì tính trạng lại quay trở lại trạng thỏi ban đầu. Thường biến là những biến dị không di truyền. 4. Thường biến có tính chất thích ứng. Đây là đặc điểm rất quan trọng của thường biến. Khi ngoại cảnh thay đổi, các cơ thể sinh vật xẩy ra các thường biến, làm cho nó thích ứng với điều kiện ngoại cảnh thay đổi này. VD. trong điều kiện hạn hán cây có bản lá nhỏ hơn, dày hơn và lông tăng hơn so với trong điều kiện thuận lợi. Cây rau dừa sống ở điều kiện nước thì rễ phụ được hình thành phao giúp cho cây nổi lên trên mặt nước dễ dàng hơn, khi sống trong điều kiện cạn thì rễ của chúng không tạo phao kiểu này nữa, . . Cần nhấn mạnh rằng, các thường biến xẩy ra phổ cập mang tính thích ứng là những thường biến được gây nên bởi các biến đổi có tính chất thông thường của điều kiện sống, các biến đổi này lặp đi lặp lại nhiều lần trong quá trình sống, quá trình tiến hóa của sinh vật. Nếu cơ thể sinh vật rơi vào tình thế không bình thường, bất lợi mà tổ tiên của chúng chưa trải qua thì nhìn chung các thường biến xuất hiện không mang tính chất thích nghi. Sự chuyển dịch mức phản ứng (khác với mức thông thường) của cơ thể chỉ có thể xẩy ra khi trong tiến hóa, chọn lọc tự nhiên đó để lại kiểu gen biến đổi, bảo đảm cho sự sống sót của của cơ thể để vượt qua điều kiện thái cực bất lợi. Khi điều kiện này xẩy ra, nó sẽ là bất thường đối với kiểu gen khác và là bình thường đối với kiểu gen đó trải qua, ở nó sẽ xuất hiện thường biến thích nghi. Đột biến (biến dị di truyền) Biến dị di truyền hay còn gọi là đột biến, đây là những biến đổi của sinh vật và chúng có thể được được di truyền cho thế hệ sau. Danh từ đột biến lần đầu tiên đã được Hugo Dvries nêu lên trong tác phẩm cổ điển của ông là “Thuyết đột biến”. Ông gọi đột biến là những biến đổi đột ngột, nhảy vọt về tính di truyền của sinh vật. Quan điểm cơ bản về quá trình đột biến của ông đến ngày nay vẫn còn giá trị. Quan điểm đó bao gồm: l. Đột biến sinh ra một cách đột ngột, không, trải qua một bước quá độ nào. 2. Các dạng đột biến sinh ra hoàn toàn bền vững tức là luôn ổn định. 3. Đột biến có khả năng tái sinh một cách chính xác qua hàng loạt thế hệ, vì đột biến là những biến đổi về chất. 164
14. 4. Đột biến xẩy ra theo các hướng khác nhau, có thể có lợi và cũng có thể có hại. Trong 4 quan điểm về đột biến của Hugo Dvries chúng ta thấy cơ bản là đúng, tuy nhiên ở điểm thứ hai đã có một sai lầm có tính nguyên tắc và không đúng với thuyết chọn lọc tự nhiên. Sai lầm đó là: Đột biến có thể sinh ra tức thì những loài mới, những loài mới này có thể thích nghi ngay với điều kiện sống, không cần có sự tham gia của quá trình chọn lọc tự nhiên. Thực chất, các dạng đột biến sinh ra có thể thích nghi được với điều kiện sống và tiếp tục sống để có thể tiếp tục bị biến đổi để thích nghi hơn với môi trường sống, nhưng chúng cũng có thể không thích nghi và bị tiêu diệt hay tiếp tục. Nói chung đột biến là nguồn nguyên liệu của các biến dị di truyền, cơ sở vật chất của chọn lọc tự nhiên và nhân tạo. Thuyết đột biến của Hugo Dvries được phát triển một cách đúng đắn và hoàn thiện chỉ sau khi người ta khám phá ra tính đúng đắn của các quy luật di truyền của Mendel và sự ra đời của học thuyết về di truyền nhiễm sắc thể của Morgan (1911). Ngày nay theo quan điểm của các nhà di truyền học, ở mức độ phân tử thì đột biến là những biến đổi về số lượng và chất lượng của cơ sở vật chất di truyền, tức là sự biến đổi về cấu trúc của phân tử ADN (gen) và những biến đổi trong cấu trúc cũng như số lượng nhiễm sắc thể. Các biến đổi bên trong bộc lộ ra bên ngoài bằng những thay đổi của các đặc điểm sinh lý, hình thái. Đột biến khác với thường biến ở chỗ: Các đột biến di truyền cho thế hệ sau theo các quy luật di truyền của từng loại tính trạng. Đột biến có thể xẩy ra đối với bất kỳ lớp, ngành, loài, giống và các cá thể động, thực vật, vi sinh vật, đơn bào cũng như đa bào. Đột biến có thể xẩy ra ở bất kỳ giai đoạn nào trong cuộc đời của cá thể như: Trong giai đoạn tế bào sinh dục nguyên thủy, tế bào sinh dục chín (trứng và tinh trùng), hợp tử, phôi thai, cơ thể lúc còn non cho đến lúc già cỗi. Tất nhiên, đối với mỗi loại sinh vật đều có thể có những giai đoạn nhạy cảm hay kém nhạy cảm với các yếu tố gây đột biến, do đó sẽ có giai đoạn có tần số đột biến cao hơn giai đoạn khác và ngược lại. Đột biến có thể xẩy ra ở các tế bào soma, tế bào sinh dục. Chỉ có đột biến của tế bào hoặc các dòng tế bào nguyên thủy sẽ phát sinh ra các tế bào sinh dục chín, gọi là đột biến tế bào sinh dục là di truyền lại được cho thế hệ sau. Những đột biến xẩy ra trong các tế bào soma cũng có thể di truyền lại cho thế hệ sau, nếu sinh vật đó sinh sản bằng hình thức sinh dưỡng. Xuất phát từ những quan niệm trên người ta có thể phân các đột biến thành 2 loại: Đột biến gen và đột biến nhiễm sắc thể. Đột biến gen Những nguyên nhân và cơ chế gây nên đột biến gen Đột biến gen hay còn gọi là đột biến điểm, là những biến đổi hoá học trong cấu trúc của phân tử ADN (tại các muton của gen) dẫn tới biến đổi hoạt động chức năng của nó. Đây là những thay đổi rất nhỏ ở mức phân tử nên mắt thường không thể phân biệt được. Chúng là những biến đổi rất phức tạp như: Thay đổi trình tự sắp xếp, thay đổi thành phần (thêm hoặc bớt) các cặp bazơ trong đoạn ADN tương ứng của gen. - Chuyển đổi cặp bazơ: AT ↔ GC ; TA ↔ CG - Đảo ngược cặp bazơ: AT ↔ TA ; GC ↔ CG Kết quả của đột biến gen là làm thay đổi cấu trúc của đoạn phân tử ADN (khuôn mẫu của việc tổng hợp nên phân tử protein đặc thù) dẫn tới thay đổi thành phần của mARN, thay đổi thành phần của các bộ ba mã hoá (codon), cuối cùng là làm thay đổi thành phần của các a.a của phân tử protein do được tổng hợp trên khuôn mẫu của gen hay các gen đã bị đột biến. Các mối quan hệ trên được biểu diễn như sau: ADN←⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ARN←⎯⎯⎯⎯⎯⎯→protein ≈ tính trạng 165
15. Kết quả cuối cùng của các đột biến là làm thay đổi đặc điểm/tính trạng. Nói theo cách khác, những sự thay đổi của các đặc điểm/tính trạng trên cơ sở sinh vật là tấm gương, là thước đo phản ánh đột biến. Hình 7.1. Adenin từ dạng bình thường (a) chuyển sang dạng hiếm (b) dẫn đến sự kết cặp bất bình thường A-C. Những đột biến điểm liên quan đến sự biến đổi về các gốc bazơ như đã nêu trên có thể xảy ra ngẫu nhiên và do tác động của các yếu tố đột biến. Trên sơ đồ 7.2 và 7.3. là một số trường hợp của chúng. Hình 7.2. Cơ chế tác động gây đột biến của 5- Hình 7.3. Cơ chế tác động gây đột biến của 2- Bromuraxin (BU), a) sự kết hợp của BU với aminopurin (AP). a) sự kết cặp của AP với Adenin, b) sự kết hợp của Bu (dạng hiếm) với Cytozin, b) sự kết cặp của AP với Thymin. Guanin. Trong quá trình tái bản, sự kết cặp sai (bất Trong quá trình tái bản, sự kết cặp bất thường thường) dẫn tới chuyển đổi cặp ở chu kỳ tái bản thứ dẫn tới chuyển đổi cặp ở chu kỳ tái bản thứ 3: 3: c) AT→GU, d) GC→AT c) TA→CG, d) CG→TA. 166
16. 1. Một nguyên nhân có thể dẫn tới một số đột biến đó là gốc bazơ của ADN có thể tồn tại ở trạng thái hiếm, kém bền vững. VD. Adenin ở trạng thái ổn định bình thường kết cặp với Timin (A-T), khi nó ở trạng thái hiếm - nguyên tử hydro chuyển từ nhóm 6 - amin sang vị trí 1 - N (hình 7.1) thì nó có thể kết cặp với Cytozin (A-C). Trong quá trình sao chép ADN, C sẽ kết cặp với G. Kết quả thu được sự chuyển đổi cặp bazơ ở ADN: Từ mạch ban đầu có cặp (A-T) thành mạch có cặp (C-G). 2. Đã phát hiện ra hiệu quả gây đột biến của một số chất đồng đẳng bazơ của ADN, như Bromuraxin (BU), 2 - Aminopurin (AP), . . . những chất này gây nên sự lắp ráp sai gốc trong quá trình tái bản ADN. 3. Bromuraxin có thể kết cặp với Adenin thay vào chỗ của Timin (hình 8.2a), trong quá trình tái bản xảy ra sự ghép sai gốc, dẫn tới sự chuyển đổi cặp: ban đầu là (A-T) thành (G-C) (hình 8.2.c). Tương tự nếu BU kết cặp với Guanin thay vào chỗ của Cytozin, thì sự ghép sai gốc trong tái bản đã gây ra sự chuyển đổi cặp từ (G-C) thành (A-T) (hình 7.2b, d). Cơ chế tác động của 2-aminopurin cũng xảy ra tương tự như trên (hình 7.3). Hình 7.4. Sự xuất hiện đột biến chuyển đổi cặp bazơ do a.a. tác động khử nhóm amin ở gốc bazơ ADN. a) Adenin chuyển thành hypoxanthin, nó kết cặp bất thường với Cytozin. b) Cytozin chuyển thành uraxin, nó kết cặp bất thường với Adenin. c) Guanin chuyển thành Xanthin, nó tiếp tục kết cặp với Cytozin (trường hợp này không xảy ra chuyển đổi cặp bazơ. 4. Chất axit nitro (HNO2) có hiệu quả gây đột biến cao ở vi sinh vật và sinh vật bậc cao. Chất này có tác dụng khử nhóm amin trong phân tử của Adenin, Cytozin và Guanin, biến đổi chúng thành các chất đồng đẳng bazơ khác (Adenin→ Hypoxanthin; Cytozin→ Uraxin; Guanin→ Xanthin). Trong quá trình tái bản ADN, hypoxanthin và uraxin gây ra sự kết cặp sai, kết quả thu được sự chuyển đổi cặp bazơ: AT→ GC, GC→ AT (hình 7.4). 167
17. 5. Chất Hydroxylamin (NH2OH) có tác động duy nhất với Cytozin làm cho nó thay đổi cấu trúc hình dạng có thể kết cặp với Adenin, từ đó qua tái bản ADN thu được sự biến đổi cặp CG→ TA. 5. Chất acridin có thể làm mất đi hoặc thêm vào một cặp bazơ ở ADN, dẫn tới đột biến dịch khung gây hậu quả nghiêm trọng. Khi acrizin xen vào một vị trí ở sợi khuôn, thì vị trí đối diện trên sợi đang tổng hợp sẽ được thêm vào (xen vào) AND (hình 7.5) Ngược lại khi acrizin xen vào vị trí của sợi đang tổng hợp, thì ở chu kỳ đang tái bản tiếp theo phân tử acrizin bị đẩy ra. Kết quả phân tử ADN bị mất đi một cặp bazơ (hình 7.5). Hình 7.5. Cơ chế gây đột biến của Acrizin. a) Tạo đột biến thêm cặp bazơ khi acrizin xen vào một vị trí ở sợi khuôn. b) Tạo đột biến mất cặp bazơ khi acrizin xen vào một vị trí của sợi đang tổng hợp. Hiệu quả gây tăng và kháng sự phát sinh đột biến của gen Như đã biết, quá trình tái bản ADN cũng như sự chỉnh đốn về thành phần bazơ qua tái bản được thực hiện với sự tham gia của một hệ thống phức tạp các enzym (do các gen thuộc nhóm IIb kiểm tra). Cần lưu ý rằng, ngoài hoạt tính xúc tác sự trùng hợp (lắp ráp) các nucleotit, phần lớn các ADN polymerase còn có hoạt tính như exonuclease - làm đứt liên kết photphodiaster để cắt bỏ nucleotit nào đó. VD. các ADN-polymerase I và III của E. Coli có hoạt tính cắt khi tác động vào đầu 3' - gọi là hoạt tính 3'-5' exomnuclease. Hoạt tính này liên quan tới cơ chế sửa chữa sai sót trong quá trình lắp ráp các nucleotit. Đôi khi ADN - polymerase ghép một gốc nucleotit sai, không kết cặp đúng với bazơ bổ sung (có thể đó là đồng đẳng bazơ, . . .) vào đầu của mạch đang tăng trưởng. Sự có mặt của nucleotit sai làm cho hoạt tính 3'-5'-exomnuclease của ADN- polymerase thể hiện: Xẩy ra quá trình đọc, sửa bằng cách cắt bỏ nucleotit sai. Sau khi có sự kết cặp đúng, quá trình lắp ráp được tiếp tục diễn ra. Những trạng thái khác nhau (đột biến) của ADN-polymerase có thể làm cho nó có hoạt tính 3'-5'- exomnuclease bị yếu đi hoặc tăng lên hơn so với khởi thủy. Trường hợp yếu đi sẽ làm cho sự phát sinh đột biến của các gen khác nhau tăng lên - ta nói kiểu gen có hoạt tính gây tăng sự đột biến (mutator). Trường hợp ngược lại hoạt tính 168
18. 3'-5'-exomnuclease của ADN-polymerase tăng lên sẽ làm giảm khả năng phát sinh đột biến: ta nói kiểu gen có hoạt tính gây giảm hoặc kháng sự phát sinh đột biến (antimutator). Ví dụ, ở trực khuẩn T4 người ta đã phát hiện ra 2 trạng thái đột biến đối lập của locus gen 43 (kiểm tra ADN-polymerase): Trạng thái thứ nhất làm tăng sự xuất hiện các đột biến ở các 4 gen khác nhau, VD. gen rII (rII → r , tăng gấp 2000 lần so với bình thường). Trạng thái thứ 2 có hoạt tính giảm sự xuất hiện đột biến so với kiểu dại khi có tác động của 2-aminopurin. Ở vi khuẩn E. coli, các alen của locus dnA (kiểm tra ADN-polymerase III) gây hiệu ứng tăng sự xuất hiện đột biến. Ở người, đã phát hiện ra dạng ADN- polymerase đột biến trong tế bào người bị mắc bệnh máu trắng. Ngoài ra hoạt tính của các gen kiểm tra ADN-lygase, các protein thuộc hệ thống tái bản ADN cũng có ảnh hưởng tới hiệu quả tăng hoặc giảm sự phát sinh đột biến. Ở vi khuẩn cũng như ở sinh vật bậc cao, những biến đổi ở một số gen chịu trách nhiệm về quá trình sữa chữa ADN cũng có thể gây hiệu quả tăng hoặc giảm sự phát sinh đột biến, tương tự như biến đổi ở những gen chịu trách nhiệm về hệ thống tái bản. VD. ở vi khuẩn đột biến xẩy ra ở gen kiểm tra việc loại trừ các vết đứt trên một sợi ADN sau khi xử lý tia cực tím đã làm tăng sự xuất hiện các đột biến chuyển đổi cặp: Kiểu AT → GC tăng khoảng 350-400 lần; kiểu GC → AT tăng 150-200 lần. Sửa chữa ADN Các tác nhân vật lý, hoá học gây đột biến tác động vào tế bào gây ra những biến đổi khác nhau ở ADN. Những biến đổi này có thể phân ra làm 2 nhóm: l. Những biến đổi liên quan đến từng bazơ riêng rẽ, thường gây nên những sai lệch (nhầm lẫn) về sự kết cặp trong quá trình tái bản ADN. Từ đó dẫn tới những biến đổi ở phân tử ADN như: Chuyển đổi cặp, đảo cặp, thêm hoặc mất cặp bazơ. Như đã phân tích ở trên, những cơ chế làm giảm sự phát sinh ADN-polynlerase và hệ thống tái bản có thể hạn chế sự lắp ráp nhầm lẫn trong quá trình sao chép ADN (quá trình đọc-sửa). 2. Tác động của các tác nhân đột biến có thể gây nên những tổn hại trên ADN, làm biến dạng cấu trúc của ADN ở những vùng nào đó. VD. tạo ra những kết dính giữa các gốc đứng cạnh nhau các dimer pyrimidin, . . ., những kết dính giữa 2 sợi, phân tách 2 sợi, vết đứt ở một sợi, hoặc đứt ở cả 2 sợi, . . Ngay sau khi xẩy ra những tổn hại nêu trên, đa số chúng trở thành những đối tượng để cho những hệ thống sửa chữa ADN làm việc, nhằm khôi phục trạng thái khởi thủy, hạn chế phát sinh các đột biến thực tế. Người ta đã phát hiện ra ba cơ chế về sửa chữa ADN như sau: Quang hoạt hoá, sửa chữa bằng cắt bỏ, sửa chữa sau tái bản (2 dạng sau gọi là sửa chữa trong bóng tối). a. Quang hoạt hoá Quang hoạt hoá là quá trình phục hồi các demer pyrimidin do tia cực tím gây nên, dưới tác dộng của ánh sáng. Quá trình này lần đầu nên được phát hiện ở vi khuẩn. Sau khi xử lý tia cực tím, lô nuôi cấy trong điều kiện ánh sáng có tần số đột biến giảm hơn hẳn so với lô nuôi cấy trong điều kiện bóng tối. Dưới tác động của ánh sáng, tế bào tạo ra enzym deoxyribopyrimidin photoligase (gọi tắt là photoligase), ở ánh sáng bước sóng 320-370nm enzym này có tác dụng đơn phân hoá các dimer pyrimidin (VD: tháo dỡ kết dính ở dimer thymin: - T = T - → - T - T (hình 8 - 6a). Enzym hoạt hóa ánh sáng có đối tượng sửa chữa đặc trưng là các dimer pyrimidin do tia cực âm gây ra. Enzym này đã phát hiện thấy ở nhiều với sinh vật, động vật và thực vật bậc cao, tức là nó phổ cập ở các đối tượng sinh vật khác nhau. 169
19. b. Sửa chữa bằng cắt bỏ Dạng sửa chữa này liên quan với sự cắt bỏ những tổn hại ở ADN được gây ra bởi nhiều tác nhân gây đột biến khác nhau, quá trình sửa chữa bằng cắt bỏ bao gồm nhiều giai đoạn, có sự tham gia của nhiều enzym, các phản ứng của chúng không đòi hỏi sự có mặt của ánh sáng nên gọi là sửa chữa trong bóng tối (hình 7.6). Hình 7.6. Sơ đồ diễn tả các cơ chế sửa chữa ADN a) Quang hoạt hoá; b) Sửa chữa bằng cắt bỏ; c) Sửa chữa sau tái bản. Ngay sau khi xẩy ra sự tổn hại ở ADN, xuất hiện một enzym UF-endonuclease để nhận biết chỗ tổn hại (các dimer pyrimidil hay các dạng chấn hỏng khác) tạo một điểm cắt ở liên kết photphodiester ngay cạnh dimer ở phía 5' (hình 7.6) - Enzym exonuclease cắt bỏ đoạn hỏng bao gồm dimer và một số nucleotic khác theo chiều 5'-3' (ở với khuẩn, đoạn cắt bỏ có kích thước khoảng 5 bazơ). Tổng hợp ADN mới (để lấp chỗ trống theo chiều 5'-3', lấy mạch nguyên làm khuôn. Ở với khuẩn tham gia vào tổng hợp này là ADN-polymerase I mã hoá bởi gen poly A. Khe hở giữa mạch cũ và đoạn tổng hợp mới được gắn liền nhờ sự tham gia của enzym ligase Kiểu sữa chữa bằng cắt bỏ xẩy ra phổ biến ở sinh vật nhân sơ và sinh vật nhân chuẩn. Khác với quang hoạt hoá, đối tượng sửa chữa ở đây có thể là các dimer pyrimidin hoặc là 170
20. các chỗ hỏng khác do bức xạ tia cực tím, hoặc bức xạ ion hoá, . . . gây nên. Ở sinh vật nhân chuẩn, sự tổng hợp lấp chỗ trống (sau cắt bỏ chỗ hỏng) còn được gọi là tổng hợp ADN ngoài pha S của chu kỳ tế bào. Ở động vật có vú, sau khi cắt bỏ một dimer mở ra một chỗ trống rộng khoảng 20 nucleotit cần được tổng hợp. c. Sữa chữa bằng tái bản Dạng sửa chữa này lần đầu tiên phát hiện thấy ở đột biến với khuẩn E. coli không có khả năng cắt bỏ các dimmer do tia cực tím gây ra. Ở ADN mang dimer vẫn xẩy ra tái bản (tốc độ tái bản của nó chậm hơn so với bình thường). Khi tái bản ở sợi mới bị hở một đoạn trống đối diện với vị trí dimer trên sợi cũ. Tuy nhiên, chỗ trống này lập tức được lấp bằng một đoạn tương ứng chuyển từ một sợi của ADN theo cơ chế tái tổ hợp (hình 7.6c). Do tái tổ hợp mà đoạn trống ở một sợi được đối diện với một mạch nguyên vẹn, nó thực hiện chức năng khuôn cho sự tổng hợp đoạn trống. Rõ ràng, sự tổng hợp sửa chữa ADN xẩy ra nhờ tái tổ hợp là cơ chế tránh dùng sợi có mang chấn hỏng (dimer) làm khuôn mẫu. Vì thế dạng sửa chữa này còn có tên gọi là sửa chữa nhờ tái tổ hợp. Bên cạnh đó, đã quan sát thấy một kiểu sửa chữa sau tái bản xảy ra chậm. Sau tái bản một thời gian khoảng một số giờ, việc sửa chữa này dược tiến hành với sự tham gia của một hệ thống nhiều enzym, chúng chỉ được tạo ra ở tế bào bị tác động bởi yếu tố gây đột biến. Ở đây đoạn trống đối diện với chỗ mang chấn hỏng (dimer) được tổng hợp. Kiểu sửa chữa này được gọi là "sửa chữa cấp cứu" (SOS). Do sự tổng hợp của "sửa chữa cấp cứu" phải dựa trên mạch khuôn mang chấn hỏng (dimer), nên sự lắp ráp các nucleotic hay bị sai lệch (nhầm lẫn). Đoạn ADN sửa chữa thường có tần số sai lệch cao về thành phần bazơ, vì thế dạng sửa chữa sau tái bản xảy ra chậm này còn có tên gọi là sửa chữa có hướng sai. Ở E. coli đã phát hiện thấy khoảng 20 gen tham gia vào hệ thống sửa chữa SOS. Các gen này bị ức chế bởi lexA protein; chất này bao vây (lấp đầy) các promotor của các gen trong hệ thống SOS. Khi tế bào bị tác động bởi yếu tố đột biến, trường hợp có nhiều yếu tố chấn hỏng cấp cứu, lexA bị kích thích, thay đổi cấu trúc không gian và mất hoạt tính kìm hãm các gen SOS. Các enzym được hình thành để tham gia vào việc sửa chữa cấp cứu. Như vậy, ngoài trường hợp có sai sót trong sửa chữa, ADN dẫn tới phát sinh đột biến, nhìn chung các quá trình sửa chữa ADN đảm bảo cho sự ổn định về cấu trúc của nó, ngăn chặn, hạn chế sự hình thành những thể đột biến thực sự. Cần lưu ý rằng, không phải tất cả các dạng tổn thương của ADN đều nằm trong tầm sửa chữa của tế bào. Ngoài ra hiệu quả sửa chữa còn phụ thuộc vào hoạt tính của hệ thống phức tạp của các enzym tham gia vào quá trình này. Những biến cố ở hệ thống enzym kiểm tra các gen này đều ảnh hưởng nghiêm trọng với sự sửa chữa ADN. Đột biến nghịch biến và đột biến ức chế Kiểu bình thường (kiểu dại) bị đột biến thành dạng đột biến, quá trình xẩy ra như vậy gọi là đột biến thuận. Quá trình ngược lại (ít gặp): Dạng đột biến khôi phục lại trạng thái ban đầu gọi là sự hồi biến. Xét về bản chất, sự hồi biến được xẩy ra theo 2 trạng thái sau: l. Những biến đổi về thành phần bazơ trong cấu trúc của gen để nó được khôi phục lại cấu trúc khởi thủy, thực hiện được chức năng của gen khởi thủy. 2. Đột biến xẩy ra ở một điểm khác bên trong gen hay ở một gen khác (đột biến ức chế) làm khôi phục lại hoạt tính protein của gen, tức là làm cho gen có chức năng hoạt động thể hiện ra kiểu hình như trạng thái khởi thủy. Trường hợp nào xẩy ra phổ biến hơn. 171
21. Đột biến nghịch và đột biến ức chế có thể phân biệt thông qua phân tích di truyền như sơ đồ trên hình 7.7. a. Đột biến xẩy ra ở một điểm khác trong gen: VD. gen tryA ở với khuẩn E. coli đột biến ở một điểm làm thay đổi một axit amin thứ 210 (clyxin → glutamic) từ đó dẫn tới sự biến đổi kiểu xoắn đúng trong cấu trúc phân tử protein, làm cho nó bị bất hoạt hoá. Cũng ở gen đó, đột biến điển thứ 2 xẩy ra ở vị trí axit amin 174: Tyrozin → Xystein. Do có đột biến điểm thứ 2 này mà sự uốn xoắn không gian của protein được biến đổi và làm cho kiểu xoắn sai lệch trên lại trở thành dạng có hoạt tính như protein khởi thủy. Hình 7.7. Đột biến nghịch và đột biến ức chế: a) đột biến nghịch m- → m+ khi lai với kiểu dại cho thế hệ sau đều là kiểu dại; b) Đột biến ức chế m- su+ → m-su-, khi lai với kiểu dại ở thế sau xuất hiện một tần số nhỏ kiểu đột biến. b. Đột biến xảy ra ở gen khác: Ở một gen nào đó có đột biến xẩy ra làm thay đổi ý nghĩa của một hoặc một số bộ ba. Do bộ ba đột biến trở thành vô nghĩa, VD. UAC mã hoá cho Tyrozin trở thành UAG, vì thế nó không còn hợp với bộ ba đối mã trên tARN Tyrozin nữa. Hậu quả là sự dịch mã bị dừng lại (bỏ dỡ), mạch polypeptit bị kết thúc sớm, do đó không thu được chuỗi hoàn thiện để có hoạt tính như bình thường. Khi đột biến xẩy ra ở một gen khác là gen tạo ra tARN Tryptophan làm cho nó có bộ ba đối mã hợp với bộ ba bị biến đổi (UAG) trên mARN và nó vẫn vận chuyển được Tryptophan. Như vậy sự dich mã vẫn được diễn ra và chuỗi polypeptit hoàn chỉnh vẫn được tạo ra. Nhưng trong chuỗi đó đã có sự thay thế một a.a, nhưng không gây ảnh hưởng đến hoạt tính chung của protein, tức là nó vẫn có hoạt tính như khởi thủy. Đột biến xẩy ra ở một gen nào đó dẫn đến hậu quả khắc phục được đột biến của gen khác (hay ức chế sự biểu hiện đột biến của gen khác), khôi phục lại hoạt tính khởi thủy, dạng đột biến như thế gọi là đột biến ức chế. Cần lưu ý rằng, ở trường hợp nêu trên có thể có nhiều phân tử tARN có bộ ba đối mã tương hợp với codon biến đổi (UAG). Tuy nhiên chỉ có tARN nào cung cấp được a.a thay thế mà không ảnh hưởng tới chức năng hoạt động của protein, thì nó mới là đột biến ức chế. Theo như trình bày ở trên thì đột biến gen tARN Tryptophan tạo ra tARN ức chế. 172
22. Trường hợp những đột biến tạo ra codon bị biến đổi nghĩa thành a.a khác làm cho protein mất hoạt tính, VD. như biến đổi từ Valin (a.a. không tích điện) thành Aspartic (a.a tích điện âm) thì đột biến này có thể được hồi phục nhờ các phân tử ARN ức chế có thể thay thế Valin vào chỗ Aspartic, sự thay thế này làm cho protein trở lại hoạt tính ban đầu. Ví dụ, sự thay đổi thành phần trong phẩn tử hemoglobin (Hb) ở người đó tạo ra 4 loại HB khác nhau: HbA là loại bình thường, HbS là loại của hồng cầu lưỡi liềm, HbC và HbG là của các hồng cầu bị bệnh lý. Dưới đây là một đoạn cấu trúc của phân tử hemoglobin chứa các thay đổi a.a: Loại Hb Thành phần các a.a trọng đoạn protein HbA . . . . . . . . . . -val-gis-lei-treo-pro-glu-glu-leu- . . . . . . . . . HbS . . . . . . . . . . -val-gis-lei-treo-pro-val-glu-leu- . . . . . . . . . HbC . . . . . . . . . . -val-gis-lei-treo-pro-lix-glu-leu- . . . . . . . . . HbG . . . . . . . . . . -val-gis-lei-treo-pro-glu-gli-leu- . . . . . . . . . Qua thành phần các a.a của đoạn phân tử protein của Hb chúng ta có thể thấy: - Trên HBS a.a valin đó thế chỗ của glutamin trên Hb A. - Trên HbC a.a lixin đó thế chỗ của glutamin trên Hb A. - Trên HbG a.a glixxin đó thế chỗ của glutamin (thứ 2) trên Hb A. Ngày nay người ta đã phát hiện ra rằng, gen tạo nên HbS (hồng cầu lưỡi liềm) đó tạo nờn khả năng miễn kháng với bệnh sốt rét ở người châu Phi, vì thế nó được dùng như liệu pháp trị liệu gen. Theo sự hiểu biết về tính chất hoạt động của các gen bị đột biến, người ta thường chia đột biến thành hai nhóm: Đột biến hình thái và đột biến sinh lý. Tuy nhiên chúng có một điểm chung là bất kỳ một loại đột biến gen nào thì đều liên quan đến một loạt quá trình sinh hóa và từ đây chúng mới biểu hiện sự thay đổi ra bên ngoài. Những đột biến gen chỉ làm ảnh hưởng đến phần trung tính của các phân tử protein thì thường gây ra những biến đổi về chức năng của sinh vật. Đột biến hình thái: Là những đột biến gen làm thay đổi chức năng của các phân tử protein liên quan đến sự thay đổi các hoạt động sinh lý và làm thay đổi hánh thái của sinh vật, đặc trưng là sự thay đổi đặc điểm sinh trưởng và sự hình thành các bộ phận, cơ quan của cơ thể. VD. đột biến gây ngắn chân ở hàng loạt các động vật (cừu, bò, gà, người, . . .) hay đột biến gây trụi lông ở chim, gia cầm. Đột biến gen không chỉ làm thay đổi hình thái của các cơ quan, mà còn có thể làm thay đổi vị trí phát sinh của chúng như râu của bướm thay vì mọc ở đầu lại mọc ở chân. Đột biến sinh hóa: Là những đột biến gen gây ra ức chế hoặc thay đôi các quá trình tổng hợp các chất hóa học cần thiết trong cơ thể. Ví dụ, một số loài sinh vật có đột biến sinh hóa đó làm mất khả năng tổng hợp một số chất cần thiết cho sự phát triển của chúng và biến chúng từ sinh vật tự dưỡng thành sinh vật dị dưỡng. Các đột biến gen xẩy ra thường có thể làm tăng hoặc giảm khả năng sống của sinh vật. Mức độ tăng hoặc giảm khả năng sống của sinh vật phụ thuộc vào mức độ hoạt động của gen mới hình thành: Có thể gây chết hoàn toàn, bán gây chết hay chỉ tạo nên các dị tật- dị hình. Tần số đột biến gen cũng là vấn đề được nhiều người quan tâm. Nó là một trong những nét đặc trưng cho từng loài sinh vật. Các loài khác nhau có tần số đột biến khác nhau. Tần số đột biến thay đổi theo từng nhóm, loài, từng cá thể, từng nhiễm sắc thể, từng gen cụ thể. Sở dĩ có sự thay đổi như vậy là vì tần số đột biến phụ thuộc vào nhiều yếu tố, không chỉ phụ thuộc vào tác nhân gây đột biến mà còn phụ thuộc vào mức độ bền vững của gen, mức độ thích nghi của cơ thể với ngoại cảnh. 173
23. Các nhà nghiên cứu đã thu được nhiều số liệu thực nghiệm về tần số đột biến của các gen ở ngô, ruồi dấm, người, . . VD. ở ngô gen kiểm tra màu sắc của hạt có tần số đột biến là 10-4, gen quy định hình thái của hạt là 10-6. Ở ruồi dấm có tới 5.000 gen trong cơ thể và tần số đột biến trung bình của chúng là 10-5; do vậy mà mỗi thế hệ ruồi dấm có với 5% số cá thể có đột biến gen trong kiểu gen của chúng, cũng có nghĩa là mỗi thế hệ ruồi dấm có với l-5% tinh trùng hoặc tế bào trứng chín mang gen đột biến. Ở người tần số đột biến gen trung bình là 10-3-10-5 đối với mỗi thế hệ, tổng số gen trong cơ thể người khoảng 2,5 triệu gen, như vậy mỗi người trung bình có thể có 0,00025 – 0,0025 đột biến gen trong một thế hệ. Tần số đột biến nói chung là rất nhỏ chỉ khoảng 10-3-10-6 song do số lượng sinh vật quá lớn và số lượng gen trong mỗi cơ thể cũng khá lớn, nên số đột biến mà ta có thể quan sát được là khá lớn. Cũng cần hiểu thêm rằng, những tính toán cụ thể như trên chưa phải là đã chính xác, vì thực tế không tách bạch được từng biến đổi riêng rẽ của từng gen ra khỏi những biến đổi phức tạp, tinh vi trong các nhiễm sắc thể và hơn thế nữa một đặc điểm/tính trạng ở sinh vật còn có thể được điều khiển bởi nhiều gen. Rất khó để xác định được các đột biến đồng thời xây ra trên các nhiễm sắc thể khác nhau trong tế bào. Các gen đột biến có thể có các trạng thái xác định, ví dụ: u A←⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯⎯→ a v Gen A đột biến thành gen a với cường độ u, ngược lại gen a đột biến trở lại A với cường độ v. Nếu đột biến đồng thời xẩy ra theo 2 chiều và cùng cường độ (u = v) thì khó có thể xác định được tấn số u, v và có thể không phát hiện ra đột biến. Trong nhiều trường hợp, đột biến không chỉ có 2 trạng thái mà có thể có rất nhiều trạng thái, ví dụ: Từ gen C đột biến thành C1, C2, C3, . . ; từ gen C1 đột biến thành C, C2, C3 . . . ; từ C2 đột biến thành C. C1, C3 . . .; và từ C3 đột biến thành C, C1, C2. . . hoặc nhiều trạng thái khác nữa. Trong thực tế một gen có thể đột biến thành nhiều trạng thái khác nhau đồng thời hoặc không đồng thời, do đó có thể tác động theo nhiều hướng để tạo ra nhiều dạng đột biến, điều này dẫn với hiện tượng trong cùng một locus gen của cặp nhiễm sắc thể đồng nguồn không phải chỉ có l, 2 hay 3, 4 trạng thái hoạt động của gen mà có khi có với hàng chục, thậm chí hàng trăm mức độ hoạt động (alen) khác nhau của một gen. Có thể nói đây là nguồn gốc của các dãy đa alen của các gen và đa hình sinh hoá của các loại protein. 174
24. Phân lập các thể đột biến Tùy thuộc vào đặc điểm biến đổi ở cấu trúc của gen mà có thể xẩy ra những đổi khác nhau về chức năng hoạt động của nó. So với trạng thái bình thường (khởi thủy) những trạng thái biểu hiện khác của gen đột biến có thể là: - Gen đột biến thể hiện, bị bất hoạt do không tạo ra sản phẩm, hoặc sản phẩm không hoàn chỉnh, biến dạng bị mất hoạt tính. - Gen đột biến thể hiện lặn, mức độ hoạt động của chúng bị giảm hơn (ở các mức độ khác nhau) so với khởi thủy. - Gen đột biến có mức độ hoạt động mạnh hơn trạng thái ban đầu (có thể đây là đột biến nghịch). - Gen đột biến thể hiện ở trạng thái khác so với trạng thái khởi thủy, tức là kiểm tra tổng hợp sản phẩm protein có cấu trúc sai khác. Những trạng thái khác nhau của gen có thể có mối quan hệ trội - lặn, đồng trội hoặc độc lập, . . Nhiều khi đột biến chỉ động chạm tới một a.a có thể gây biến đổi rất lớn về hoạt tính của protein. VD. protein hemoglobin (trong ví dụ trên) gồm 4 chuỗi polypeptit, ở một chuỗi b có một a.a ở vị trí thứ 6 là Glutamic biến đổi thành Valin, đã biến dạng Hb thường (HbA) thành dạng HbS gây ra hồng cầu lưỡi liềm. Các đột biến ngẫu nhiên và đột biến gây tạo (nhân tạo, bằng xử lý tác nhân gây đột biến) chỉ xẩy ra với tần số thấp ở quần thể tế bào và quần thể cơ thể, cần có những phương pháp thích hợp để phát hiện và tách các thể đột biến. Với việc sử dụng các phương pháp này phụ thuộc vào đối tượng sinh vật và dạng đột biến. Ví dụ: Ở sinh vật người ta thường sử dụng phương pháp đánh dấu (marker), ứng dụng các môi trường chọn lọc, . . . ở sinh vật lưỡng bội các đột biến lặn chỉ được thể hiện khi chúng ở trạng thái đồng hợp thể. Để phát hiện ra chúng, người ta đã sử dụng nhiều phương pháp khác nhau. VD. sử dụng một dòng phân tích đã biết alen lặn ở một nhiễm sắc thể nào đó, đem dòng này lai với cá thể đã xử lý đột biến, sau đó xem xét các thế hệ sau. Nếu dòng xử lý xẩy ra đột biến lặn tương ứng, sẽ xuất hiện các cá thể có kiểu hình lặn quan sát được. Ở thực vật giao phấn chéo, sau khi xử lý đột biến cần tổ chức tự phối bắt buộc để phát hiện các gen đột biến ở trạng thái đồng hợp thể lặn. Ở thực vật tự thụ phấn với việc nghiên cứu các đột biến thuận lợi hơn nhiều. Sau khi xử lý đột biến, nếu các cá thể có độ hữu thụ đảm bảo thì ở các thế hệ tự thụ có thể phát hiện được các đột biến lặn. Tùy thuộc vào trạng thái thể hiện của đột biến, VD. như các đột biến về hình thái (các đột biến trông thấy), các đột biến hoá sinh, sinh lý, . . . mà người ta sử dụng những phương pháp phù hợp để phát hiện chúng. Thể đột biến ổn định được xác định qua các thế hệ sinh sản hữu tính, hoặc qua các đời nhân vô tính. Trong nuôi cấy in-vitro, để xác định một biến dị dòng soma là đột biến (tức là liên quan đến biến đổi kiểu gen), ta có thể áp dụng sơ đồ: Cây tái sinh đột biến → mô nuôi → khối tế bào → cây tái sinh. Nếu ở cây tái sinh này thể hiện dạng đột biến như ở cây lấy mô nuôi ta kết luận đó là dạng đột biến. Phương pháp này cho phép xác định nhanh và chính xác thể đột biến, nhất là ở những trường hợp như đối tượng nghiên cứu có chu kỳ sống dài, thể đột biến bất dục, . . Đột biến nhiễm sắc thể Đột biến nhiễm sắc thể là những biến đổi xẩy ra ở mức độ nhiễm sắc thể, chúng có thể là: Những biến đổi bên trong của nhiễm sắc thể, biến đổi về cấu trúc giữa các nhiễm sắc thể, biến đổi về số lượng nhiễm sắc thể. 175
25. Đột biến nhiễm sắc thể cũng giống như đột biến gen, chúng có thể xẩy ra trong điều kiện tự nhiên dưới tác động của các yếu tố môi trường bên ngoài hoặc nhân tạo dưới sự điều khiển của bàn tay con người. Đột biến nhiễm sắc thể khác với đột biến gen là có thể quan sát, phát hiện được dưới kính hiển vi điện tử. Thế giới thực vật có tính chịu đựng đối với những biến đổi về nhiễm sắc thể, đặc biệt là những biến đổi về số lượng nhiễm sắc thể cao hơn nhiều so với giới động vật. Những biến đổi về số lượng nhiễm sắc thể có nhiều ý nghĩa trong phân tích di truyền và lai tạo giống cây trồng. Biến đổi cấu trúc bên trong của nhiễm sắc thể Những biến đổi có thể quan sát được dưới kính hiển vi liên quan tới các đoạn trên nhiễm sắc thể hoặc các đoạn giữa các nhiễm sắc thể gọi là biến dị (đột biến) ở cấu trúc nhiễm sắc thể. Biến đổi cấu trúc bên trong của các nhiễm sắc thể có thể xẩy ra theo các kiểu sau đây: Đột biến khuyết đoạn, đột biến trùng hay lặp đoạn, đột biến đảo đoạn. Nghiên cứu những biến đổi trên nhiễm sắc thể bằng quan sát tế bào kết hợp với phân tích di truyền có ý nghĩa lớn về cơ bản, tiến hoá và chọn giống. Hình 7.8. A – NST thường, B – NST khuyết đoạn, C – NST tăng đoạn, D – NST chuyển đoạn dị hợp, E – NST đảo đoạn dị hợp, F – NST chuyển đoạn đồng hợp, G – NST đảo đoạn đồng hợp Đột biến khuyết đoạn nhiễm sắc thể Tác động của các yếu tố vật lý, hoá học lên nhiễm sắc thể có thể gây ra sự đứt gãy làm rơi rụng hoặc tiêu biến từng đoạn của nhiễm sắc thể mang thông tin di truyền gây nên sự thay đổi của tính trạng tương ứng gọi là đột biến khuyết (mất) đoạn nhiễm sắc thể. Sự khuyết đoạn có thể xẩy ra ở bất kỳ vị trí nào trên nhiễm sắc thể: Có thể một đầu, hai đầu và cũng có thể ở đoạn giữa của nhiễm sắc thể. Hình 7.9. Phần khuyết đoạn ở nhiễm sắc thể tuyến nước bọt của ruồi dấm 176
26. Các mất đoạn có thể ảnh hưởng tới sự phát triển của tế bào và sức sống của cơ thể, nhất là khi đoạn mất chứa các gen trọng yếu. Những cá thể có đột biến khuyết đoạn nhiễm sắc thể lớn thường bị chết, vì sự cân bằng gen trong cơ thể bị phá hủy. Những cá thế có đột biến khuyết đoạn nhiễm sắc thể nhỏ có thể được sống sót nếu nhiễm sắc thể đồng nguồn còn lại vẫn ở trạng thái nguyên vẹn. Những trường hợp như vậy các gen tương ứng với gen bị mất phải ở trạng thái trội. Ví dụ, tính trạng ngắn chân ở ruồi dấm. Những cá thể chứa các đột biến khuyết đoạn nhỏ vẫn sống là phát triển ở trạng thái dị hợp, VD. Tính trạng mắt trắng, thân vàng là một số tính trạng khác ở ruồi dấm. Khi ở một nhiễm sắc thể tương đồng đoạn bị mất mang các alen trội, thì các alen lặn trên nhiễm sắc thể kia được thể hiện. Hiện tượng này được ứng dụng để xác định vị trí của gen trên nhiễm sắc thể thông qua các phân tích di truyền và phân tích tế bào. Hình 7.10. Đột biến trùng đoạn NST ở ruồi dấm. D: đoạn tăng có chứa tâm điểm, do đó nó giống như một NST đặc biệt; C: tăng đoạn ở NST X Đột biến tăng đoạn hay trùng đoạn nhiễm sắc thể Sẽ tăng thêm từng đoạn nhỏ của nhiễm sắc thể mang thông tin di truyền gọi là đột biến tăng đoạn, có thể là 1 lần hoặc một số lần, nếu đoạn nhiễm sắc thể tăng thêm này mà trùng lặp với một đoạn trong nhiễm sắc thể gốc thì gọi là đột biến trùng đoạn nhiễm sắc thể. - Bình thường: . . . a b c d e f g h i . . . - Lặp lại liên tiếp nhau . . . a b c d e c d e f g h i . . . - Lặp lại liên tiếp và đảo . . . a b c d e e- f g h i . . . - Đoạn lặp lại bị dịch chỗ . . . a b c d e f g c d e h i . . . Trong điều kiện bình thường thì mỗi gen trên nhiễm sắc thể có thể được xem như là một liều lượng gen, khi nhân đôi, nhân ba một đoạn nhiễm sắc thể mang gen lên thì liều lượng gen đó cũng được tăng lên 2-3 lần. VD. nhiễm sắc thể bình thường chứa các gen theo trật tự ABC, trong đột biến gen B tăng lên một lượng như vậy nhiễm sắc thể đột biến sẽ có tập hợp gen là ABBC, các đột biến kiểu này có thể tăng liều lượng gen lên nhiều lần, ví dụ: ABBBC, ABBBBC, . . Đột biến tăng đoạn hay trùng đoạn nhiễm sắc thể đã được phát hiện ở tảo Neurospora, chuột, ngô và nhiều nhất là ở ruồi dấm. Một trong những trường hợp thú vị và điển hình là đột biến trùng đoạn gây nên sự biến đổi kiểu hình của mắt ở ruồi dấm đã được nhà di truyền học của Liên Xô Rapopor khám phá. Trong nghiên cứu của mình, Rapopor đã làm tăng đoạn nhiễm sắc thể có chứa gen Bar lên 8 lần trong một nhiễm sắc thể. Đột biến tăng đoạn nhiễm sắc thể này đã làm cho ruồi dấm có mắt hình bầu dục (bình thường) trở thành hình que (kiểu đột biến), vì gen này đã gây ra hiện tượng giảm mắt đơn và do đó dẫn đến hiện tượng teo mắt. 177
27. Hình 7.11. Số bản gen lặp (B) và độ lớn dạng mắt thỏi ở ruồi dấm. Ở các trường hợp 3, 4 đều có số bản gen tăng lên 2 bản. Nhưng trường hợp 2 bản lặp nằm trên cùng một nhiễm sắc thể gây hiệu quả thể hiện kiểu hình khác hẳn trường hợp 2 bản gen lặp nằm trên 2 nhiễm sắc thể tương đồng. Hiện tượng này gọi là hiệu quả vị trí. Đột biến trùng đoạn của nhiễm sắc thể được phương pháp phân tích di truyền khám phá đã hoàn toàn trùng hợp với các kết quả phân tích tế bào học. Khi kiểm tra tế bào qua kính hiển vi, đặc biệt trong giai đoan nhiễm sắc thể đồng nguồn tiếp hợp với nhau để tạo cặp thì rất dễ phát hiện ra các đoạn nhiễm sắc thể bị trùng lặp Đột biến đảo đoạn nhiễm sắc thể Do một số nguyên nhân nào đó mà đoạn nhiễm sắc thể chứa một số gen bị đứt ra và quay một góc 1800 rồi gắn trở lại được với nhiễm sắc thể cũ thì tạo ra dạng đột biến gọi là đột biến đảo đoạn. Giả sử có một đoạn nhiễm sắc thể tồn tại trong nhiễm sắc thể khi xẩy ra 2 điểm đứt, có nghĩa là đoạn đứt phải nằm bên trong nhiễm sắc thể, không phải là ở 2 đầu mút của nhiễm sắc thể. Các trường hợp đoạn bị đứt ở đầu mút của nhiễm sắc thể thì không có khả năng gắn trở lại, vì vậy sẽ tạo nên đột biến mất đoạn. Đột biến đảo đoạn bên trong của nhiễm sắc thể có thể có 2 trường hợp: Đoạn nhiễm sắc thể bị đứt và bị đảo có chứa tâm, đoạn nhiễm sắc thể bị đứt và bị đảo không chứa tâm. Khi đoạn nhiễm sắc thể bị đứt và bị đảo có chứa tâm, mà tâm không nằm vào chính giữa của đoạn bị đứt thì rất dễ phát hiện qua quan sát nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi; khi mà đoạn đứt có chứa tâm và tâm nằm vào chính giữa của đoạn bị đứt thì người ta cũng có thể phát hiện ra khi quan sát nhiễm sắc thể dưới kính hiển vi, tuy nhiên trường hợp này khó khăn hơn nhiều và vì vậy yêu cầu người kiểm tra phải có trình độ tay nghề cao hơn. Trong trường hợp đoạn nhiễm sắc thể bị đứt và bị đảo không chứa tâm thì chúng ta gần như không thể phát hiện ra sự thay đổi này khi quan sát chúng dưới kính hiển vi. Đột biến đảo đoạn bên trong của nhiễm sắc thể thường liên quan đến các gen gây chết ở dạng đồng hợp. Do đó các đột biến đảo đoạn nhiễm sắc thể ở trạng thái đồng hợp thường không tồn tại, nên ta chỉ có thể phát hiện được các dạng ở trạng thái dị hợp. Qua nhiều nghiên cứu, hầu hết các nhà khoa học đều nhận thấy rằng: Đột biến đảo đoạn tạo nên trạng thái đồng hợp trên cặp nhiễm sắc thể đồng nguồn thì hiện tượng bắt chéo giữa các nhiễm sắc thể vẫn có thể xảy ra bình thường, nếu tạo nên dị hợp thì bắt chéo bị ngăn cản từng phần hoặc hoàn toàn, vì vậy ít tổ hợp mới (biến dị tổ hợp) được phát hiện. Viện sĩ Liên Xô Dubinin đã thu thập được một số lượng lớn đột biến đảo đoạn ở ruồi dấm trong các điều kiện khác nhau và cũng đã tạo ra các dạng như vậy trong thực nghiệm, 178
28. đặc biệt là dưới ảnh hưởng của các tia bức xạ. Ngoài ra, người ta còn phát hiện ra nhiều trường hợp đột biến đảo đoạn ở trên các đối tượng động, thực vật khác. Các nhà di truyền học cho ra rằng: Đột biến đảo đoạn có ý nghĩa to lớn nối với sự phân hoá của các loài. Hàng loạt các nhà nghiên cứu đã xác định những đặc điểm riêng biệt của loài, VD. ruồi dấm D. pseudibscura có thể khác nhau do đột biến đảo đoạn tạo nên. Những loài gần nhau của ruồi dấm có số lượng nhiễm sắc thể giống nhau, có thể có trật tự sắp xếp của các gen trên các nhiễm sắc thể khác nhau, H. Xocolop khi so sánh nhiễm sắc thể khổng lồ ở 2 loài ruồi dấm (D. virilis và D. iltosralis) và con lai giữa chúng bằng phương pháp tế bào học đã thấy: 2 loài ruồi dấm này khác nhau bởi đột biến đảo đoạn và một số nhiễm sắc thể khổng lồ có khả năng tiếp nhận khác. Nhìn chung, các đảo đoạn thường xuất hiện theo cơ chế đứt - nối lại: Sợi nhiễm sắc thể vòng lại, sự đứt xẩy ra ở điểm nút, khi nối lại làm đảo trật tự. Đoạn đảo có thể có những độ lớn khác nhau. Trong giảm phân, sự tiếp hợp giữa nhiễm sắc thể bình thường với nhiễm sắc thể đảo đoạn diễn ra rất khó khăn, vùng đảo tạo thành vòng uốn, cả tập hợp này hình thành nút lồi lớn (hình 7.12). Hình 7.12. Hình thành đảo đoạn và tiếp hợp trong giảm phân Hình 7.13. Trao đổi đoạn cân xứng (hai chiều) giữa 2 NST, từ 2 NST bình thường (B1, B2) trở thành 2 NST (C1,C2). Khi kết hợp cả 4 NST tạo thành một phức hợp hình chữ thập. Các khả năng phân tách NST khác nhau của nó hình thành nên những kiểu giao tử khác nhau: Cân đối chỉ có các NST bình thường hoặc chỉ có NST chuyển đoạn: không cân đối vừa có NST bình thường và NST chuyển đoạn. (l) Khi 4 NST đẩy nhau tạo thành hình số 8; (2) (3) khi 4 NST đẩy nhau tạo thành vòng tròn. 179
29. Đột biến cấu trúc giữa các nhiễm sắc thể Đột biến cấu trúc giữa các nhiễm sắc thể là kết quả của hiện tượng trao đổi các đoạn với nhau giữa các nhiễm sắc thể. Loại đột biến như vậy thường được gọi là đột biến chuyển đoạn hay là đột biến cấu trúc giữa các nhiễm sắc thể. Trường hợp hai nhiễm sắc thể không tương đồng trao đổi đoạn cho nhau gọi là chuyển đoạn. Chuyển đoạn có thể xẩy ra theo 2 kiểu: (1) cân xứng - hai đoạn của hai nhiễm sắc thể không tương đồng trao đổi cho nhau (hình 7.13); (2) không cân xứng – chỉ có một đoạn của nhiễm sắc thể này chuyển sang cho nhiễm sắc thể kia (chỉ theo một chiều) và không có chuyển trở lại. Chuyển đoạn diễn ra theo cơ chế dứt rồi chuyển nối. Trường hợp 2 nhiễm sắc thể không tương đồng có đoạn giao chéo nhau tạo điểm tiếp xúc, khi tại điểm đó xuất hiện vết đứt, sự nối tiếp lại tiếp theo có thể do khả năng chuyển đổi giữa 2 đoạn, kết quả hình thành 2 nhiễm sắc thể có chuyển đoạn cân xứng (hình 7.13). Chuyển đoạn một chiều xẩy ra khi ở một nhiễm sắc thể có một đoạn đứt, đoạn này chuyển nối vào nhiễm sắc thể khác. Chuyển đoạn cũng có thể phát sinh theo cơ chế xen - đoạn chuyển xen vào nhiễm sắc thể nhận (nằm ở trong nó). Cơ chế này xẩy ra rất hiếm hoi. Ở cơ thể lưỡng bội dị hợp theo 2 đôi nhiễm sắc thể, mỗi đôi có một nhiễm sắc thể mang đoạn chuyển (theo kiểu cân xứng) và một nhiễm sắc thể bình thường. Sự tiếp hợp của chúng trong giảm diễn ra rất phức tạp cả 4 nhiễm sắc thể tạo thành một khối có hình chữ thập (hình 7.13). Với kiểu tiếp hợp này thì khi các nhiễm sắc thể đẩy nhau – sự phân bố (ở góc độ không gian) ngẫu nhiên của có thể dẫn tới 3 kiểu phân tách, kết quả tạo thành các kiểu gen tử cân đối và không cân đối. Các giao tử cân đối có độ hữu thụ đảm bảo, các giao tử không cân đối thường có mức độ hữu thụ kém hay bất dục. Dribelling (1915) là người đầu tiên phát hiện ra hiện tượng trao đổi đoạn không đồng nguồn giữa các nhiễm sắc thể với nhau khi ông tiến hành tạp giao các loại đậu (Sliobolium deerigiaum) khác nhau với nhau. Ông đã thu được 50% số hạt phấn bất dục và chỉ 50% số hạt phấn là hữu thụ. Đến năm 1925 Dribelling lại phát hiện hiện tượng tương tự ở Datura và ông đã giải thích rằng: Những trường hợp trên xuất hiện là do sự cấu trúc lại của các nhiễm sắc thể không đồng nguồn. Năm 1926, Tie và Stier phát hiện ra hiện tượng này ở ruồi dấm, do có sự trao đổi đoạn giữa nhiễm sắc thể X và Y. Sau này các đột biến chuyển đoạn cũng đã được tìm thấy ở ngô. Giả sử ở trạng thái bình thường các nhiễm sắc thể có các gen: ABCD OMNK ABCD OMNK Khi hai nhiễm sắc thể không đồng nguồn của 2 cặp nhiễm sắc thể trên đồng thời xẩy ra đứt đoạn và chúng trao đổi các đoạn đứt với nhau tạo ra các cặp nhiễm sắc thể mới thư sau: ABCD OMNK ABCK OMND Kết quả trao đổi đoạn đã làm thay đổi thành phần nhóm gen liên kết gen trên các nhiễm sắc, vì thế sự cân bằng trong hệ thống gen của cơ thể bị thay đổi. Bằng phương pháp phân tích di truyền người ta đã phát hiện ra các đột biến chuyển đoạn ở ruồi dấm như sau. Lấy ruồi dấm có 2 cặp gen lặn, một cặp xác định thân xám- cánh bài trong nhóm liên kết trên nhiễm sắc thể thứ II, một cặp khác xác định thân đen – cánh cụt trong nhóm liên kết thứ III. Chọn các ruồi cái đồng hợp theo các gen này rồi cho tạp giao với ruồi đực bình thường để cho ra thế hệ lai F1. Trong các ruồi F1 chọn ra các ruồi đực dị hợp thể theo các gen nói trên và cho chúng lai với ruồi cái đồng hợp lặn (lai phân tích). Kết quả thu được là. 180
30. - Khi thế hệ xuất phát không có hiện tượng chuyển đoạn giữa các nhiễm sắc thể thứ II và thứ III với nhau, thì sự phân ly ở con lai phân tích là 1:1:1:1. - Khi một trong các tinh trùng của ruồi đực bình thường xẩy ra sự chuyển đoạn của các nhiễm sắc thể với nhau, tỷ lệ phân ly bị thay đổi ngay và vì vậy ta nhận được tỷ lệ 1:1. Sở dĩ xẩy ra như vậy là vì những hợp tử thiếu hay thừa các cặp nhiễm sắc thể (do chuyển đoạn gây ra) dẫn đến thiếu hoặc thừa vật chất di truyền đã phá hủy cân bằng gen nên đã không có khả năng sống. Hiện tượng chuyển đoạn (trao đổi đoạn) giữa các nhiễm sắc thể không đồng nguồn có vai trò rất to lớn trong tiến hoá của các loài động, thực vật bậc cao, vì đột biến chuyển đoạn là một trong những nguyên nhân để tạo ra loài mới thích hợp hơn với điều kiện sống thay đổi. Sự chuyển đoạn dẫn tới sự thay đổi nhóm gen liên kết, tạo ra các kiểu liên kết mới. Đa số các chuyển đoạn có hại cho cơ thể, ảnh hưởng tới độ hữu thụ. Tuy nhiên, cũng có nhiều kiểu chuyển đoạn có lợi cho cơ thể, vì đã tạo ra kiểu liên kết gen mới có nhiều ưu điểm được chọn lọc. Khi vết đứt xuất hiện ở vùng tâm động và sự chuyển đoạn chỉ xẩy ra một chiều, thì có thể tạo nên dạng nhiễm sắc thể có một vai, tâm động ở điểm mút, gọi là nhiễm sắc thể tâm mút. Sau nhân đôi, có thể xẩy ra trường hợp 2 sợi sắc ty không phân tách về hai cực của tế bào mà lại đính vào nhau, kết quả hình thành nhiễm sắc thể có 2 vai cân bằng nhau và tương đồng nhau, gọi là nhiễm sắc thể đều (isochorsome). Hình 7.14. Chuyển đoạn Robertson. Hình thành nhiễm sắc thể có tâm động ở giữa do sự nối lại của 2 NST có tâm động ở 2 đầu mút Chuyển đoạn Robertson: Đây là một kiểu chuyển đoạn đặc biệt hình thành một nhiễm sắc thể lớn, tâm động ở giữa do nối lại của 2 nhiễm sắc thể có tâm động ở đầu mút (hình 7.14). Nhiễm sắc thể A bị đứt ở phía dưới tâm động, tạo vai dài không tâm động. Nhiễm sắc thể B bị đứt ở phía vai ngắn trên tâm động. Sau sự chuyển đoạn thuận nghịch, hình thành nhiễm sắc thể lớn có tâm động ở giữa và nhiễm sắc thể con. Nhiễm sắc thể con chứa nhiều chất dị nhiễm sắc, ít có ý nghĩa nên thường bị mất đi. Như vậy chuyển đoạn Robertson gây nên sự giảm số lượng nhiễm sắc thể, sự biến đổi này có ý nghĩa lớn trong tiến hoá. Vượn người có 48 nhiễm sắc thể (n = 24), người có 46 nhiễm sắc thể (n = 23). Các quan sát cho thấy, nhiễm sắc thể thứ hai của người gồm 2 đoạn giống hai nhiễm sắc thể khác của vượn người. Có thể đặt giả thiết rằng, từ một tổ tiên chung, một chuyển đoạn kiểu Robertson đã tạo nên bộ nhiễm sắc thể của người có 46 nhiễm sắc thể do sự nối lại của 2 nhiễm sắc thể từ bộ 48 nhiễm sắc thể như ở vượn người. Các chuyển đoạn có ý nghĩa lớn trong tiến hoá hình thành loài mới, như là các chuyển đoạn lớn. Nhiều nghiên cứu đã phát hiện ra rằng, ở một số loài như ruồi, ớt, . . . khác nhau bởi một số chuyển đoạn. Như vậy, nghiên cứu chuyển đoạn nhiễm sắc thể không những có ý nghĩa lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn to lớn. Trong thực nghiệm, chuyển đoạn thường được áp dụng 181
31. để chuyển gen mong muốn từ nhiễm sắc thể này sang nhiễm sắc thể khác. Có thể dẫn ra đây một ví dụ về sự phân biệt giới tính ở tằm theo màu sắc của vỏ trứng. Gen quy định màu sắc của vỏ trứng tằm lúc đầu nằm trên nhiễm sắc thể thường, người ta đã gây đột biến chuyển đoạn nhiễm sắc thể chứa gen quy định màu sắc vỏ trứng tằm từ trên nhiễm sắc thể thường sang nhiễm sắc thể giới tính. Từ đó tính trạng này trở thành tính trạng liên kết với giới tính. Như vậy, thông qua màu sắc của trứng tằm người ta phân biệt được trứng sẽ nở ra tằm đực hay tằm cái. Tằm đực có thể cho năng suất kén cao hơn tằm cái 20-40%. Trong lai xa đã kết hợp xử lý phóng xạ để chuyển gen mong muốn từ nhiễm sắc thể của loài dại sang nhiễm sắc thể của loài trồng. VD. chuyển gen chống bệnh rỉ sắt, gen kháng mốc hồng vào kiều mạch, gen kháng bệnh xoắn lùn vào lúa, . . . và các gen giá trị khác. Đột biến làm thay đổi số lượng nhiễm sắc thể Số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào của mỗi loài là một thành phần có tính chất ổn định. Ở sinh vật nhân chuẩn có pha lưỡng bội, genom của loài là vật chất di truyền có ở bộ nhiễm sắc thể đơn bội của loài đó (ở bộ nhiễm sắc thể của loài được chứa toàn bộ các gen ở nhân tế bào của loài đó). Ở trạng thái lưỡng bội cơ thể có cặp nhiễm sắc thể tương đồng, có đôi alen cùng locus, số genom là 2. Ở cơ thể tứ bội (4n) số genom là 4, có tới 4 nhiễm sắc thể tương đồng, 4 alen cùng locus. Hiện nay trên trái đất có tới l/3 số loài sinh vật có các dạng đa bội thể như thế. Đa bội thể cũng là một trong những nguồn biến dị trong quá trình tiến hoá của sinh vật và đã được sử dụng nhiều trong công tác giống. Cơ chế hình thành đa bội thể đồng nguồn và phương pháp gây tạo Đa bội thể đồng nguồn (tự đa bội) là trường hợp genom của một loài nào đó được tăng bội số lớn hơn 2n: 4n, 6n, 8n, . . . các dạng đa bội chẵn và 3n, 5n, . . . các dạng đa bội lẻ. a. Cơ chế hình thành Phân chia tế bào nguyên nhiễm, giảm nhiều là cơ chế phân chia chính xác về số lượng nhiễm sắc thể, đảm bảo cho loài được ổn định về bộ nhiễm sắc thể qua các thế hệ. Tuy nhiên trong một số trường hợp, sự phân chia bình thường của tế bào bị phá hủy dẫn tới hình thành các tế bào đa bội thể. Hình 7.15. Sơ đồ diễn tả phân chia nguyên nhiễm xẩy ra bình thường (a) và không bình thường do tác động phá hủy sợi thoi vô sắc (của colchixin) tạo thành tế bào đa bội (b) Sự nhân đôi của nhiễm sắc thể xẩy ra trước phân bào (ở pha S), thế nhưng các sợi thoi vô sắc bị phá hủy dưới tác động của các yếu tố (VD. chất colchixin): Làm cho các sợi nhiễm sắc thể không chạy về 2 cực của tế bào. Kết quả lượng chất di truyền đã nhân đôi tồn tại ở một tế bào, hình thành nên tế bào được đa bội hoá: Từ 2n → 4n (tứ bội). Có thể 182
32. xẩy ra trường hợp là các sợi nhiễm sắc thể được vận động về 2 cực của tế bào, song ở giữa tế bào không hình thành vách ngăn để phân đôi thành 2 tế bào con, tế bào trở thành đa bội. Cơ chế hoá genom có thể diễn ra ở nhiều dạng tế bào khác nhau: Trong quá trình phân chia nguyên nhiễm và phân chia giảm nhiễm (hình 8.16). Cần lưu ý rằng, trong giảm phân sự đa bội hoá diễn ra ở lần phân chia I khi các nhiễm sắc thể ở đôi tương đồng không tách về 2 cực của tế bào mà vẫn tồn tại cùng nhau. Xét về lượng vật chất di truyền thì tế bào được tăng lên gấp đôi (4n), song ở đây không hình thành sự đa dạng về các tổ hợp nhiễm sắc thể bố mẹ. Lần phân chia thứ II diễn ra bình thường như nguyên nhiễm, kết quả hình thành các giao tử có 2n nhiễm sắc thể giống như tế bào mẹ trước giảm phân. Hình 7.16. Sơ đồ đa bộ hóa theo nguyên phân ở tế bào soma (1), ở tế bào hợp tử (2). Đa bội thể xẩy ra trong quá trình giảm phân (3), hai giao tử không giảm số lượng NST phối hợp với nhau tạo thành thể tứ bội. Trái lại, khi lần giảm phân I diễn ra bình thường, sự đa bội hoá diễn ra ở lần phân chia II, kết quả thu được các giao tử có 2n nhiễm sắc thể và chúng có sự đa dạng theo các tổ hợp nhiễm sắc thể bố mẹ. Sau khi thụ tinh (tự phối), thế hệ sau 4n được hình thành và có mức biến dị tái tổ hợp lớn hơn nhiều so với trường hợp trên. b. Phương pháp gây tạo Tế bào đa bội có thể hình thành dưới tác động của nhiều yếu tố vật lý, hoá học khác nhau. Người ta đã phát hiện thấy một chất trong nhóm các hợp chất tự nhiên alcaloid là colchixin có tác dụng đặc hiệu gây phá hủy sợi tơ vô sắc làm cho các nhiễm sắc thể không vận động được để chia về 2 cực của tế bào. Colchixin được sử dụng rộng rãi trong các thực nghiệm, nó được xem như là một tác nhân cơ bản để tạo nên các dạng tự đa bội. Ở thực vật có quá trình tạo mô sẹo tái sinh in vitro có thể làm xuất hiện thể đa bội với một tần số nào đó. Trong nuôi cấy mô tế bào thực vật in vitro, tác động của nhiều yếu tố khác nhau trong môi trường nuôi cấy, đặc biệt là tác động của phytohormon, có thể dẫn tới sự xuất hiện các thể đa bội. 183
33. Các dạng đa bội thể lẻ có thể được hình thành do kết quả lai giữa dạng đa bội thể với các dạng đa bội chẵn hoặc do lai các dạng đa bội chẵn với nhau. VD, thể tam bội (3n) hình thành do lai dạng lưỡng bội với dạng tứ bội (2n x 4n→ 3n). Đặc điểm giảm phân và sự phân ly tính trạng đồng nguyên đa bội thể a. Đặc điểm giảm phân Bản chất di truyền cơ bản của các dạng đa bội thể được biểu hiện ở hành vi các nhiễm sắc thể trong quá trình phân chia giảm nhiễm. Do có mặt một số lượng lớn các nhiễm sắc thể tương đồng, nên sự tiếp hợp giữa chúng gặp nhiều khó khăn, giả sử một dạng tứ bội 4n = 28, như vậy có 4 bộ 7 nhiễm sắc thể tương đồng tiếp hợp với nhau tạo thành 4 bộ 7. Thực tế không hoàn toàn diễn ra như vậy, mà bên cạnh sự tiếp hợp theo bộ 7 còn tiếp hợp theo cặp đôi (4 nhiễm sắc thể tương đồng tạo thành 2 cặp lưỡng trị). Ngoài ra còn có thể xuất hiện sự tiếp hợp theo bộ ba, một nhiêm sắc thể đứng một mình gọi là đơn trị. Số lượng các bộ 4 luôn thấp hơn số lượng tối đa có thể. Các dạng đa bội cùng nguồn khác nhau có tỷ lệ về các bộ 4 rất khác nhau, có nhiều dạng đa bội hầu như chỉ tiếp hợp theo cặp hai. Sự tiếp hợp theo các bộ chẵn và sự phân chia đều về số lượng 4n nhiễm sắc thể để thu được sản phẩm giảng phân có 2n là sự kiện có tính chất giả định (lý thuyết). Do tính chất phức tạp và đa dạng trong sự tiếp hợp nên đã xuất hiện một tỷ lệ không nhỏ sự phân chia không đồng đều về các nhiễm sắc thể, kết quả hình thành những giao tử có số lượng nhiễm sắc thể thừa hoặc thiếu so với bình thường. Các bào tử dạng này thường bị bất dục, vì thế dạng đa bội có độ hữu thụ thấp hơn so với lưỡng bội. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy mức độ giảm hữu thụ ở tiểu bào tử thường cao hơn so với đại bào tử. Những sản phẩm bình thường của giảm phân (2n) tạo nên các giao tử hữu thụ để tái tạo thế hệ sau có bộ nhiễm sắc thể chẵn (4n). Như vậy qua giảm phân, dạng đa bội (4n) có thế hệ sau luôn luôn được duy trì dạng mang bộ nhiễm sắc thể với bội số chẵn (4n) loại bỏ những dạng có sự thừa, thiếu, lẻ về bộ nhiễm sắc thể, do những giao tử không bình thường này thường bị bất dục. Những dạng đa bội thể lẻ (VD. tam bội - 3n) không có sự cân bằng trong bộ nhiễm sắc thể, nên giảm phân ở chúng bị rối loạn, chúng hầu như bị bất dục hoàn toàn. Một số dạng tam bội trong tự nhiên có thể được duy trì qua sinh sản sinh dưỡng (nhân giống vô tính), VD. như chuối tam bội, . . b. Đặc điểm phân ly Đặc điểm phân ly tính trạng của dạng đa bội cùng nguồn (4n) khác với dạng lưỡng bội ở chỗ số lượng nhiễm sắc thể tương đồng của chúng lớn hơn 2. Tính chất đặc biệt của đồng nguyên đa bội thể trong phân bào giảm nhiễm khác với cơ thể lưỡng bội về số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào sinh dục và sự tổ hợp của chúng. Nếu trong tế bào lưỡng bội (2n) tạo thành các cặp nhiễm sắc thể đồng nguồn chứa cặp gen dị hợp thể (Aa) với 3 kiểu gen AA, Aa và aa thì trong phân bào giảm nhiễm sẽ tạo thành hai loại giao tử (A và a). Cơ thể tứ bội (4n) có bộ gen AAaa và có các kiểu gen AAAA - trị 4, AAAa - trị 3, AAaa - trị 2, Aaaa - trị l và aaaa - trị 0 (tên gọi dựa vào số lượng alen trội có trong kiểu gen). Sự phức tạp về sự phân ly kiểu gen của dạng tứ bội thể hiện ở chỗ, chúng có nhiều kiểu gen dị hợp thể. Trường hợp các alen có quan hệ trội-lặn, dạng tứ bội cũng chỉ có sự phân ly thành 2 kiểu hình (số lượng các kiểu hình không khác dạng lưỡng bội). Khi xác định sự hình thành các kiểu giao tử của dạng tứ bội, ta cần quán triệt một số vấn đề sau: (l) Sự phân ly tính trạng gắn liền với sự vận động bình thường của các nhiễm sắc thể tương đồng trong giảm phân (cho sản phẩm giảm phân 2n). (2) Giữa locus gen nghiên cứu và tâm động có hay không có sự liên kết chặt. Trường hợp gen nghiên cứu liên 184
34. kết chặt với tâm động, thì các tổ hợp giao tử hình thành chính là các tổ hợp ngẫu nhiên của các nhiễm sắc thể tương đồng. Ví dụ, kiểu tứ bội cùng nguồn AAAA, sự tổ hợp ngẫu nhiên của 4 nhiễm sắc thể tương đồng của chúng cho các kiểu giao tử với tỷ lệ (lý thuyết) sau: 1 = AA 1 A 1 A 2, 3, 4, 5 = Aa 4 6 = aa 1 4 5 2 3 6 a a Sự hình thành giao tử từ các kiểu gen của dạng tứ bội cùng nguồn được trình bày trên bảng sau đây: Dạng tứ bội Kiểu gen Tỷ lệ các dạng giao tử Trị bốn AAAA AA Trị ba AA Aa 1AA:1Aa Trị hai AA aa 1AA: 4Aa:1aa Trị một Aa aa 1Aa : 1aa Trị không aa aa aa Nếu ta có: P AAAA x aaaa ↓ F1 AAaa Cơ thể đồng nguyên đa bội thể ở trạng thái dị hợp AAaa (F1) như trên, khi phát sinh giao tử cho ra 3 loại giao tử 1AA:4Aa:1aa. Nếu ta cho 2 cá thể (F1) như vậy kết hợp với nhau thì thế hệ con (F2) phân ly kiểu hình với tỷ số 35:1 của cơ thể tứ bội, hoàn toàn khác với tỷ lệ 3:1 ở cơ thể lưỡng bội. Ta hãy xem xét kết quả trên bảng sau: Giao tử đực↓ Giao tử cái↓ 1AA 4Aa 1aa 1AA 1AAAA 4AAAa 1Aaaa 4Aa 4AAAa 16AAaa 4Aaaa 1aa 1AAaa 4Aaaa 1aaaa Phân ly kiểu gen: 1 AAAA: 8 AAAa: 18AAaa:1aaaa Phân ly kiểu hình: 35 trội: 1 lặn Tỷ lệ các kiểu gen đồng hợp: 2/36 Trong sự phân ly kiểu gen ở các cá thể đồng nguyên tứ bội, tỷ lệ tổ hợp gen đồng thời lặn giảm rất nhiều so với ở cơ thể lưỡng bội. Ta có thể thấy mức độ giảm tỷ lệ qua bảng dưới đây: Loại cá thể Lưỡng bội Tứ bội 1 tính trạng 3:1 35:1 2 tính trạng 15:1 1296:1 3 tính trạng 63:1 44655:1 Từ kết quả trên cho thấy, các cá thể đồng nguyên đa bội thể có khả năng làm giảm quá trình chuyển dị hợp thể sang đồng hợp thể. Vì thế đồng nguyên đa bội thể là nguồn bảo tồn tính dị hợp tốt hơn dạng lưỡng bội và nhờ vậy mà có khả năng duy trì ưu thế lai tốt hơn. 185
35. Sự phân ly không đều của các nhiễm sắc thể về các giao tử như trường hợp 3:l hay 4:0 (Aaa : a; AAAA : 0) sẽ cho ra các giao tử có khả năng sống thấp. Nếu các giao tử như vậy tồn tại và kết hợp được với nhau tạo thành hợp tử thì các loại hợp tử như vậy cũng không có khả năng sống. Sự rối loạn trong quá trình phân ly nhiễm sắc thể trong quá trình phát sinh giao tử là một trong những nguyên nhân làm cho cơ thể đồng nguyên đa bội thể có khả năng sinh sản kém, sự giảm thấp này có thể khắc phục được nhờ quá trình chọn giống. Người ta đã phát hiện ra các dạng đồng nguyên đa bội thể ở động vật như ở giun đất, lưỡng thê, còn ở động vật bậc cao thì rất hiếm. Một số nhà nghiên cứu cho rằng: Mesocricetus auratuss có 2n = 44 là kết quả tạp giao Cricetus cricetus có 2n = 22 với Cricetus griceus cũng có 2n = 22. Các tế bào đa bội cũng được tìm thấy trong bào thai của chuột, nhưng lại không sinh ra chuột đa bội thể. Trong những năm sau này, nhờ có colchixin người ta đã khám phá ra hiện tượng đa bội thể ở thỏ và lợn. Axtaurop và các nhà nghiên cứu Nhật Bản đã dùng phương pháp ly tâm, phương pháp tác động nhiệt độ cao, thấp và hoá chất colchixin vào tế bào trứng tằm đã thụ tinh và đã thu được trứng tằm tứ bội. Từ những phân tích ở trên, cho phép chúng ta rút ra một số điểm ứng dụng sao đây chỉ đạo cho quá trình làm việc với quần thể loài đa bội: - Quần thể bội có sự da dạng rất lớn về kiểu gen, trong đó phần lớn là các kiểu gen dị hợp thể. Bên cạnh việc loại bỏ những kiểu bất bình thường qua ngưỡng giảm phân (sự bất dục của những kiểu giao tử không bình thường), sự xuất hiện những kiểu hình lặn (kém) quần thể cây đa bội là rất hiếm. Sự thể hiện tính trạng là kết quả đa dạng về những tương tác của các gen trong kiểu gen đa bội. - Tính đa dạng và dị hợp cao về kiểu gen dẫn tới khả năng tạo nên những kiểu gen có hiệu ứng ưu thế lai giá trị cho chọn lọc, những kiểu này hoàn toàn duy trì được qua sinh sản sinh dưỡng. - Sinh sản hữu tính xen kẽ với những chu kỳ nhân vô tính là ưu thế thích ứng cơ bản và tuyệt vời của quần thể đa bội. Dãy đa bội và đa bội thể trong tự nhiên So với cây lưỡng bội, các cây đa bội cùng nguồn (VD. cây tứ bội) thường có kích thước một số cơ quan sinh dưỡng như: Lá, thân, tế bào sợi dài hơn, nhiều khi kích thước hoa, quả và kích thước hạt lớn hơn, tuy nhiên số lượng hạt trong quả lại ít hơn. Ở cây đa bội kích thước khí khổng của lá khá lớn. Kích thước tế bào có thể lớn hơn, song tốc độ phân bào chậm hơn cây lưỡng bội. Cây đa bội có tốc độ nảy mầm của hạt chậm, thời gian từ trồng đến ra hoa dài hơn, thời gian ra hoa thường kéo dài hơn, thời gian chín thường chậm hơn cây lưỡng bội. Ngoài những đặc điểm về sinh sản của cây đa bội đã trình bày ở trên, chúng ta cũng vừa có thêm một số đặc điểm nông, sinh học khác của cây đa bội. Nhìn chung cây đa bội có ý nghĩa trong sử dụng các bộ phận sinh dưỡng, như thân, lá, củ, . . . quả không hạt (dạng tam bội), . . Ở thế giới thực vật người ta đã quan sát thấy, nhiều loài họ hàng với nhau khi xếp thứ tự theo chiều tăng lên về số lượng nhiễm sắc thể, thì hình thành một dãy theo bội số tăng dần của một số nhiễm sắc thể cơ bản nào đó (x), gọi là dãy đa bội. Dãy đa bội đã được phát hiện thấy ở nhiều họ, chi thực vật khác nhau. VD. ở Avena, Rosa, Vicia, Crepis, Nicotiana, Pyus, Chrysanthenium, . . 186
36. Ở khoai tây đã quan sát thấy các loài tạo dãy đa bội theo số nhiễm sắc thể sau (x = 12): 24, 36, 48, 60, 72, 96, 104, 144. Ở lúa mỳ (x = 7) có Triticum monococum 2x = 14. T. durum 4x = 28, T. oestivum 6x = 42, . . Nghiên cứu về sự phân bố của các dạng đa bội thể ở các vùng sinh thái khác nhau cho thấy, ở những vùng có điều kiện khí hậu khắc nghiệt dạng đa bội gặp phổ biến hơn. VD. số lượng các loài đa bội tăng từ vùng đồng bằng tới vùng núi cao, từ vùng vĩ độ thấp (ôn hoà) tới vùng vĩ độ cao (lạnh khắc nghiệt). Tạo đa bội thể ở cá Gần đây trong chọn giống cá người ta chú ý đến việc gây đa bội thể bởi lý do sau đây: + Tiềm năng ứng dụng thể đa bội trong thực tiễn nuôi cá khá cao vì nó trực tiếp hoặc gián tiếp đáp ứng yêu cầu nuôi cá thương phẩm vô sinh hoặc kém sinh sản nhưng sinh trưởng khá hơn. + Khả năng tạo đa bội thể ở cá lớn hơn nhiều vật nuôi khác trước hết nhờ thụ tinh bên ngoài và sức sinh sản cao. Tam bội thể Tạo tam bội thể 3n (Induce triploids) Cần phân biệt thể tự tạm bội (auto triploids) với bội số nhiễm sắc thể cùng nguồn bằng 3n; dị tam bội (allo triploids) - có nguồn gốc mẫu sinh với 2n của mẹ (hoặc bố) và n của bố (hoặc mẹ) còn được gọi là "thể lai pha loãng". Phần lớn tam bội thể đều là dị tam bội, có nguồn gốc mẫu sinh với 2n của mẹ nghĩa là phải qua sức nhiệt và có sự tham gia n của bố. Kỹ thuật tạo tam bội thể cơ bản dựa trên nguyên tắc tạo mẫu sinh lưỡng bội, chỉ khác ở chỗ để tạo am bội người ta dùng tinh trùng bình thường chứ không qua xử lý bất hoạt hoa. Bảng 7.1. Tạo đa bội thể bằng shock nhiệt Thời gian sau Thời gian sốc Nhiệt độ Tỉ lệ cá tam, Loài Tài liệu thụ tinh (phút) kéo dài (phút) (0C) tứ bội thể (%) Cá tầm (Cipenseidae), 3 – 5 3 - 7 34 33 - 52 [11] các loài khác nhau. phân bào lần 1 1 - 5 34 2-14(4n) [11] Cá hồi: 25 20 26 100 [2] Cá hồi hoa 10 1 37 >40 [9] - Salmo gairdneri 300 1 36 >10 (4n) [6] - Oncorhynchus gorbuscha 30 10 29 21 [1] - O. keta 39 7 31-32 6 [1] - Salmo mykiss 20 7 31-32 24 [1] Cá chép (Cyprinus carpio) 1 - 9 45 0 - 2 100 [2] Cá trê rạch (Ictalurus 5 60 5 100 [12, 13] punetatus) Cá gai (Gastereuteus 3 9 - 180 0 56 [7, 8] caulcelus) 10 5 34 50 [7, 8] Cá rô phi (Tilapia Aurea) 15 60 11 75 [10] Cá bơn (Pleuronectes 15 120-140 0-1 100 [4, 5] platessa, P. lesus) Nguồn tài liệu [l] Chernenko; [2] Chounout, 1982; [3] Gervai, 1980; [4]Lincoln. 1980; [5] Purdom, 19721; [6] Befstie. 1980; [7, 8] Swarup, 1959 a, b; [9] Thorgaard. 1987; [10] Valenti, 1975; [11] Vaseski, 1967; [12, 13] Wolters et al, 1981, 1982. 187