67 5.4. đột biến tự nhiên và nhân tạo 5.4.1. Quá trình đột biến tự nhi ên - Đột biến tự nhiên xuất hiện do tác động của tổ hợp các yếu tố (vật lý, hóa học ) có trong môi trường sống và do những biến loạn trao đổi chất trong tế bào. - Đột biến tự nhiên xuất hiện với tần số thấp. Mức đột biến tự nhiên của các gen cũng là một khía cạnh biểu hiện tính thích nghi của loài. - Những yếu tố cơ bản ở môi trường sống làm tăng tần số đột biến tự nhiên là: + Tăng nền phóng xạ tự nhiên. +Tăng những hóa chất có khả năng gây đột biến do hoạt động của con người. +Sự thay đổi đột ngột của nhiệt độ. 5.4.2. Đột biến phóng xạ - Thường dùng tia , tia cực tím trong các thực nghiệm gây đột biến nhân tạo. - Cơ chế tác động của tia phóng xạ: + Tác động thẳng (thuyết bia): Năng lượng chiếu xạ bắn phá trực tiếp vào các cấu trúc của tế bào, gây ra những tổn thương riêng biệt. Theo cơ chế này những tổn thương tỷ lệ với liều lượng chiếu xạ. + Tác động gián tiếp (thuyết ion hóa): Phóng xạ gây ion hóa khi xâm nhập vào đối tượng bị chiếu, năng lượng va chạm đã tạo ra các gốc tự do có khả năng hóa hợp cao. Các gốc tự do là yếu tố gián tiếp có tác dụng đột biến ở ADN. Ví dụ: hiệu ứng oxy - Đơn vị liều lượng chiếu xạ: R (rơnghen) 1rad = 1.07r - Thang liều lượng thường được chia làm 3 mức sau: + Nhẹ: gây hiệu quả kích thích +Tối ưu: thu được phổ và tần số đột biến lớn, tế bào có sức sống đảm bảo. + Gây chết: tế bào hầu như mất sức sống. - Trong cơ thể đa bào , các đối tượng tế bào chiếu xạ có mức độ mẫn cảm với phóng xạ khác nhau. Phóng xạ có thể gây đột biến khi xử lý vào tất cả các giai đoạn của vòng đời tế bào. Tuy nhiên, tùy từng giai đoạn mà cho từng tần số đột biến khác nhau. 68 - Phóng xạ còn gây các đột biến như: mất đoạn, chuyển đoạn, đảo đoạn, bán gây chết, gây chết y =k+d y: tần số đột biến quan sát được k:tần số đột biến tự nhiên d:liều lượng phóng xạ (r) : hệ số diễn tả mức độ mẫn cảm với phóng xạ của đối tượng chiếu 5.4.3. Độ t bi ến hóa học - Nhóm hóa chất gây đột biến + Nhóm hợp chất alkyl hóa: tan trong dung dịch -> gốc alkyl Khi thấm vào tế bào các gốc alkyl thâm nhập vào sợi NS -> quá trình alkyl hóa ADN (pha S) -> đột biến. + Nhóm hợp chất oxy hóa khử: HNO 2 , H 2 O 2 Có khả năng khử nhóm amin trong phân tử các gốc bazơ của ADN-> biến đổi về thành phần bazơ trong ADN -> đột biến + Các chất đồng đẳng bazơ: 5BU Làm thây thế các gốc bazơ, kìm hãm sự tổng hợp ADN + Các thuốc nhuộm kiềm tính: acridin - Cơ chế tác động gây đột biến - Thang nồng độ chia 3 mức: nhẹ, tối ưu, gây chết 5.4.4. Kh ả nă ng ứng dụng của đột biến thực nghiệm trong chọn giống - Gây đột biến thực nghiệm là phương pháp tạo vật liệu khởi đầu cho chọn giống và cải tiến một số tính trạng ở cây trồng. - Gây đột biến nhân tạo có hiệu quả ứng dụng tốt đối với những cây tự thụ phấn, cây sinh sản sing dưỡng. Những ưu thế và hướng ứng dụng của 2 nhóm này: (5 kết luận – tr223-224) 5.5. Đột biến cấu trúc NST 5.5.1. M ất đ o ạn - Đoạn mất có thể ở đầu mút hoặc ở bên trong NST với các độ lớn khác nhau. + Mất đoạn ở đầu mút: 69 Hình thành do đứt đoạn ở gần đầu mút của 1 cách hoặc 2 cách NST A B C D E F G H mất đoạn đầu mút B C D E F G H Hiệu quả của đứt NST trước lúc tái bản và nối hai đầu đứt của hai cromatit đứt tương đồng. + Mất đoạn trong: Có thể được tạo thành do tạo thành nút, điểm chéo bị đứt, đoạn đỉnh nối lại với đọan mang tâm động, còn hai đầu của đoạn giữa đứt ra nối lại tạo thành vòng. Khi tiếp hợp giữa NST mất đoạn trong và NST bình thường -> hình thành nút chứa gen tương ứng với đoạn bị đứt. (Hình 9.1 tr226) - Mất đoạn có thể ảnh hưởng tới sự phát triển của tế bào và sức sống của cơ thể. - Thông qua phân tích di truyền và phân tích tế bào để xác định vị trí của gen trên NST (Hình 9.2 – tr 227) - Ví dụ: Người NST 21 bị mất đoạn -> ung thư 5.5.2. L ặp đ o ạn - Là hiện tượng 1 đoạn được lặp lại 1 lần hay 1 số lần trên 1 NST. - Gồm: theo vị trí và trình tự của đoạn lặp lại so với đoạn ban đầu: + Lặp lại liên tiếp nhau (lặp đoạn cùng chiều) (1) + Lặp liên tiếp có đảo đoạn (lặp đoạn ngược chiều (2) + Đoạn lặp bị dịch chỗ (lặp đoạn chuyển vị trí) (3) A B C D E F G H (NST bình thường) A B C B C D E F G H (1) A B C C B D E F G H (2) A B C D E F B C G H (3) - Lặp đoạn có thể xảy ra do trao đổi chất không cân giữa hai NST tương đồng -> 1 sợi NST thêm một đoạn, 1 sợi NST mất 1 đoạn. Sau khi tách tâm động sẽ tạo ra 1 NST đơn có đoạn lặp lại 1 lần và 1 NST đơn bị thiếu đoạn. - Lặp đoạn có thể xảy ra do trao đổi chất không cân giữa các cromatit không chị em của 2 NST tương đồng. 70 - Ví dụ: đột biến trội mất thỏi B(bar) do lặp đoạn nhỏ (16A) ở ruồi giấm (Hình 9.3 – tr228) 5.5.3. Đảo đ o ạn - Ở NST, 1 đoạn nào đó bị đảo ngược 180 0 gọi là đảo đoạn. Gồm: + Đảo đoạn mang tâm động +Đảo đoạn không mang tâm động -> làm thay đổi trật tự các gen trên NST. - Đảo đoạn thường xuất hiện theo cơ chế đứt - nối lại: sợi NST vòng lại sự đứt xảy ra ở điểm mút, khi nối lại có thể làm đảo trật tự. (Hình 9.4 tr229) - Trong giảm phân, sự tiếp hợp giữa NST bình thường và NST đảo đoạn rất khó khăn, vùng đảo tạo thành hình uốn -> hình thành nút lồi lớn. - Đảo đoạn có ý nghĩa lớn trong phân hóa loài. - Đảo đoạn hạn chế trao đổi chất. 5.5.4. Chuy ển đ o ạn - Chuyển đoạn là hiện tượng chuyển 1 đoạn NST gắn vào vị trí mới trên cùng 1 NST hoặc vào NST khác không tương đồng. - Gồm: + Chuyển đoạn trong 1 NST: Chuyển đoạn cùng cách (1) và chuyển đoạn khác cách (2) + Chuyển đoạn giữa các NST không tương đồng: Chuyển đoạn không tương hỗ: Chuyển đoạn cuối (3) và chuyển đoạn trong (4) Chuyển đoạn tương hỗ: Chuyển đoạn đối xứng (5) và chuyển đoạn không đối xứng (6). - Chuyển đoạn không tương hỗ: 1 NST cho 1 NST khác không tương đồng một NST. Chuyển đoạn Robertson. (Hình 9.6. –tr231) Hai NST tâm mút đứt và 1 nST cho NST kia 1 đoạn dài để tạo thành 1 NST tâm lệch và 1 NST có hai vai ngắn. a b c d e f g h k l m n o p q r a b c d e f g h a b c d e f g h 71 k l m n o p q r k l m n o p q r a b c f g h a b c d e f k l m n d e o p q r k l m n o p q r g h (3) (4) - Chuyển đoạn tương hỗ: các NST không tương đồng trao đổi với nhau bằng các đoạn. a b c d e f g h a b c d e f g h k l m n o p q r k l m n o p q r a b c d e p q r a b c d e f g h k l m n o f g h k l m n o p q r (5) (6) (5)- 2 NST, mỗi NST 1 tâm động (6)- 1 NST chứa 2 tâm động, 1 đoạn không mang tâm động Ngoài ra còn chia chuyển đoạn tương hỗ thành: chuyển đoạn tương hỗ đồng hợp (7) và chuyển đoạn tương hỗ dị hợp (8) a b c d e p q r a b c d e f g h a b c d e p q r a b c d e p q r k l m n o f g h k l m n o f g h k l m n o f g h k l m n o p q r (7) (8) (7) – hình thành khi cả 4 NST thuộc 2 cặp NST tương đồng tham gia trao đổi đoạn (8)– hình thành do trao đổi đoạn giữa 2 NST không tương đồng. - Chuyển đoạn làm thay đổi nhóm gen liên kết -> tạo ra các liên kết gen mới. - Chuyển đoạn ảnh hưởng đến độ hữu dục (giao tử không cân đối). Có ý nghĩa trong tiến hóa hình thành loài mới. - Trong thực nghiệm, chuyển đoạn thường được áp dụng để chuyển gen mong muốn từ NST này sang NST khác. 5. 6. Đa bội thể 5.6.1. khái ni ện, phân loại - Đa bội thể là sự tăng số lượng cả bộ đơn bội của các NST. 72 3n – tam bội, 4n - tử bội - Gồm: + Đa bội thể nguyên (euploid): bộ NST trong nhân tế bào chứa 1 số nguyên lần số tổ hợp đơn bội NST. Tự đa bội thể (autopolyploid): đa bội thể cùng nguồn Dị đa bội thể (allopolyploid) : đa bội thể khác nguồn + Đa bội thể lệch: bộ NST trong nhân tế bào của nó chứa không phải nguyên lần số tổ hợp đơn bội NST. 5.6.2. S ự h ình thành đ a b ội thể c ùng ngu ồn a. C ơ ch ế h ình thành - Do rối loạn trong quá trình phân bào: + Chỉ có nhân phân chia mà tế bào không phân chia hoặc nhân sau lúc phân chia không phân ly. + Có sự gấp bội NST sau lúc phân chia không phân ly về các cực hay phân ly không đều. + Có sự gấp bội NST mà không có sự phân ly của chúng về hai cực. Sự rối loạn của quá trình nguyên phân có thể xảy ra ở các tế bào soma hoặc vào thời kỳ phân chia thứ nhất của hợp tử: * Các mô hoặc cơ thể đa bội được hình thành từ những tế bào đa bội thường thể hiện không hoàn toàn - thể khảm. * Nếu sự tăng bội bộ NST xảy ra vào thời kỳ phân chia thứ nhất của hợp tử thì tất cả các tế bào phôi sẽ là đa bội – cơ thể đa bội hoàn toàn. Sự rối loạn trong quá trình phân ly NST có thể xảy ra trong lúc hình thành tế bào sing dục. Sự không phân ly của các NST về 2 cực trong giảm phân- hình thành giao tử lưỡng bội. Sự thụ tinh xảy ra giữa các giao tử này – cơ thể tứ bội. (Hình 9.7- tr232 và 9.8 –tr 233) - Do quá trình lai tạp b. Phương pháp gây tạo - Colchixin: phá hủy sợi tơ vô sắc làm cho NST không vận động được về hai cực của tế bào. - Choáng nhiệt. 73 - Các phytohoocmon trong nuôi cấy invitro - xuất hiện thể đa bộ. - Mô sẹo tái sinh ở in vivo - xuất hiện thể đa bội. - Lai giữa các dạng đa bội: 2n x 4n -> 3n 5.6.3. Đặc đ i ểm giảm phân v à phân ly tính tr ạng của da bội c ùng ngu ồn a. Đặc đ i ểm giảm phân - Do có mặt một số lượng lớn các NST tương đồng nên sự tiếp hợp giữa chúng gặp nhiều khó khăn. - Thể tự tứ bội: trong kỳ trước của giảm phân. Các NST tương đồng có thể đứng đơn độc (thể đơn trị - univalent) hoặc tiếp hợp thành nhóm hai cái (thể lưỡng trị - bivalent) hay từng nhóm 3 cái (thể tam trị - trivalent) hoặc từng nhóm 4 cái (thể tứ trị - tetravalent). -> xuất hiện sự phân chia không đồng đều về các NST – hình thành các bào tử có số lượng NST thừa hoặc thiếu so với bình thường - thường bất dục. - Những dạng đa bội thể (3n ) không có sự cân bằng trong NST nên giảm phân ở chúng bị rối loạn - bất dục hoàn toàn. b. Đặc đ i ểm phân ly tính trạng Trong giảm phân của thể tự tứ bội dị hợp tử về gen A ta có các kiểu gen đồng hợp tử và dị hợp tử sau: AAAA - trị bốn AAAa- trị ba AAaa - trị hai Aaaa - trị một Aaaa - trị không - Chúng có nhiều kiểu gen dị hợp - rất phức tạp trong sự phân ly kiểu gen. (Bảng 9.1 – tr235) Sự phân ly dạng lưỡng bội và thể tự đa bội khi có sự dị hợp tử về nhiều cặp gen: Mức độ dị hợp tử Lưỡng bội Tự tứ bội Dị hợp tử về 1 cặp gen 3:1 35:1 Dị hợp tử về 2 cặp gen (3:1) 1 (35:1) 1 74 Dị hợp tử về 3 cặp gen (3:1) 3 (35:1) 3 Dị hợp tử về n cặp gen (3:1) n (35:1) n Nhận xét: Sự phân ly kiểu gen ở đa bội cùng nguồn rất phức tạp, trong đó các kiểu gen dị hợp tử chiếm tỷ lệ rất lớn. Xác suất để chọn lọc được kiểu gen đồng hợp tử lặn là rất thấp. - Một số đặc điểm ứng dụng khi làm việc với quần thể đa bội: + Quần thể đa bội có sự đa dạng rất lớn về các kiểu gen, phần lớn bao gồm các kiểu gen dị hợp tử. + Sự xuất hiện những kiểu gen lặn ở 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 tử cao về kiểu gen - kiểu có hiệu ứng ưu thế lai có giá trị cho chọn lọc. Những kiểu này duy trì 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 loài đa bội. 5.6.4. Dãy đ a b ội, đ a b ội thể trong tự nhi ên - Ở thực vật, nhiều loài họ hàng với nhau khi xếp thứ tự theo chiều tăng về số lượng NST, thì hình thành một dãy theo bội số tăng dần của 1 số NST cơ bản nào đó (x) - gọi là dãy đa bội. - Ví dụ : Khoai tây (x= 12): 24, 36, 48, 60, 72, 96 , 104, 144 Lúa mỳ: (x=7) Triticum monococum 2x=14 T. durum 2x=48 T. oestium 6x=42 - Một số đặc điểm nông sinh học của cây đa bội: + Kích thước một số cơ quan sinh dưỡng (lá, thân )lớn, tế bào sợi dài, kích thước hoa quả, hạt lớn hơn cây lưỡng bội. Tuy nhiên, số lượng hạt trong quả thường ít. 75 + Kích thước khí khổng khá lớn. Tốc độ phân ly chậm hơn cây lưỡng bội. Cây đa bội có tốc độ nảy mầm chậm, thời gian sinh trưởng dài. 5.6.5. Đ a b ội khác nguồn - Trong tế bào, hai bộ NST có nguồn gốc khác nhau (của hai loài) được bội hóa lên gội là đa bội khác nguồn (song lưỡng bội). - Ví dụ: Bắp cải x củ cải (Hình 9.10 - 9.11- tr238) - Đa bội thể khác nguồn có ý nghĩa lớn trong tiến hóa hình thành loài mới ở thực vật. - Con đường hình thành loài bằng lai xa kết hợp đa bội hóa - gọi là tái tổng hợp loài. (Hình 9.12 - tr239) 5.7. Lệch bội 5.7.1. Nguyên nhân hình thành - Hiện tượng đa bội lệch là trường hợp ở bộ NST có sự thay đổi số lượng theo từng cặp NST. - Gồm: Thể 1 (2n-1) Thể ba (2n+1) Thể không (2n-2) Thể bốn (2n+2) - Sự hình thành thể lệch bội: + Trong phân bào nguyên nhiễm hay giảm nhiễm, thì lý do nào đó mà 1 hay vài NST bị rơi không chạy về hai cực của tế bào. + Ở phân bào giảm nhiễm, khi 2 NST tương đồng tiếp hợp với nhau mà không phân chia, cả hai dồn về một tế bào - hình thành các giao tử thừa và giao tử thiếu theo 1 NST nào đó. Các dạng thừa, thiều, bình thường về số lượng NST phối hợp với nhau tạo nên nhiều thể lêch bội khác nhau. Ví dụ: n x (n -1) – 2n -1 n x (n+1) – 2n +1 76 Ở con lai xa thường có rối loạn trong phân chia các NST – hình thành các giao tử có biến động về số lượng NST ở 1 số đôi – các dạng lệch bội. Ví dụ: cà độc dược, lúa mỳ, ngô, bông (Hình 9.13 –tr240) - Các thể lệch bội do sự mất cân bằng trong bộ NST, do sự thiếu hụt những gen quan trọng nên dẫn tới các biến dị, dị hình, sức sống cơ thể giảm. - Trong quá trình hình thành giao tử, các NST thừa, thiếu ở tế bào trứng có khả năng thụ tinh cao hơn so với NST thừa, thiếu ở hạt phấn - hậu thế nhận được những NST thừa, thiều phần lớn là từ mẹ. (Bảng 9.4 - tr241) - Các thể lệch bội có ý nghĩa trong phân tích di truyền, xác định nhóm gen liên kết, trong các thực nghiệm chuyển, thay thế NST 5.7.2. Đặc đ i ểm của các thể lệch bội, các dạng lệch bội v à nh ững ứng dụng c ủa chúng a. Th ể không - Các thể không có sức sống kém, mức độ bất dục cao, khó duy trì. Dùng thể không để xác định nhóm liên kết của gen nghiên cứu. + Trường hợp gen nghiên cứu là đột biến lặn: (Hình 9.14a – tr242) + Trường hợp gen nghiên cứu là đột biến trội: (Hình 9.14b - tr242) b. Th ể một - Là vật liệu để xác định nhóm liên kết gen + Trường hợp gen gnhiên cứu thể hiện lặn: (Hình 9.15a - tr243) + Truờng hợp gen nghiên cứu thể hiện trội: (Hình 9. 15b - tr243) - Thể một còn được sử dụng trong việc phân tích về đặc điểm di truyền của tính trạng quan tâm. . bào. - Choáng nhiệt. 73 - Các phytohoocmon trong nuôi cấy invitro - xuất hiện thể đa bộ. - Mô sẹo tái sinh ở in vivo - xuất hiện thể đa bội. - Lai giữa các dạng đa bội: 2n x 4n -& gt;. gen đồng hợp tử và dị hợp tử sau: AAAA - trị bốn AAAa- trị ba AAaa - trị hai Aaaa - trị một Aaaa - trị không - Chúng có nhiều kiểu gen dị hợp - rất phức tạp trong sự phân ly kiểu gen nguồn (song lưỡng bội). - Ví dụ: Bắp cải x củ cải (Hình 9.10 - 9.1 1- tr238) - Đa bội thể khác nguồn có ý nghĩa lớn trong tiến hóa hình thành loài mới ở thực vật. - Con đường hình thành loài