xác định tấn số alen trong quần thể khi có sự tác động của các nhân tố tiến hoá

Cơ sở lớ luận một số cụng thức tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của cỏc nhõn tố tiờn hoỏ.. 1.Tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của nhõn tố đột biến.. Tuy nhiên rất ớt học sinh cú th

sở giáo dục & đào tạo Thanh Hoá

Trờng thpt Đông sơn 2

Tên đề tài

Xác định tần số alen trong quần thể khi có sự

tác động của các nhân tố tiến hóa

Họ tờn giỏo viờn: Ngụ Thị Hà

Chức vụ : Giỏo viờn

Đơn vị cụng tỏc: Trường THPT Đụng Sơn 2

SKKN thuộc mụn : Sinh học

Năm học: 2011 – 2012

BỐ CỤC ĐỀ TÀI Phần 1 mở đầu

1 Lý do chọn đề tài

2 Mục đích nghiên cứu.

3 Nhiệm vụ nghiên cứu.

Phần 2 nội dung

I Cơ sở lớ luận một số cụng thức tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của cỏc nhõn tố tiờn hoỏ.

1 Đột biến

2 Chọn lọc tự nhiờn

3 Di nhập gen

II Phương phỏp giải quyết một số bài tập.

1.Tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của nhõn tố đột biến.

2.Tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của nhõn tố chọn lọc tự nhiờn

3 Tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của nhõn tố di nhập gen

Phần 3 K ẾT LU ẬN

I Kết quả thực nghiệm

II Bài học kinh nghiệm

Phần 1 mở đầu

1 Lý do chọn đề tài.

Sinh học là mụn khoa học thực nghiệm cú ứng dụng rộng rói ở hầu hết cỏc lĩnh vực của đời sống xó hội cũng như trong sản xuất Trong quỏ trỡnh giảng dạy, song song với nhiệm vụ giảng dạy kiến thức cho sinh học thỡ việc rốn luyện cho học sinh kĩ năng giải bài tập là nhiệm vụ rất quan trọng Làm thế nào để học sinh cú kỹ năng giải bài tập sinh học là một vấn đề mà rất nhiều giỏo viờn quan tõm Khú khăn lớn nhất đú là tiết bài tập rất ớt, trong khi lượng kiến thức lớ thuyết ở mỗi tiết học lại quỏ nặng do vậy hầu như giỏo viờn khụng cú thời gian để hướng dẫn HS làm bài tập Học sinh khụng cú khả năng phõn tớch và tổng hợp kiến thức nờn việc giải bài tập cũn nhiều lỳng tỳng, đặc biệt là học sinh khụng biết cỏch nhận dạng và quy trỡnh giải từng dạng bài tập

cụ thể

Bài tập liên quan đến nguyên nhân và cơ chế tiến hoá là một dạng bài tập không khú Tuy nhiên rất ớt học sinh cú thể tự làm, hầu hết là bế tắc trong phương phỏp nhận dạng và quy trỡnh giải vì các em ít đợc tiếp xúc với dạng bài tập dạng này Trong khi đú thỡ đõy là dạng bài tập khụng thể thiếu được trong cỏc kỡ thi học sinh giỏi tỉnh, học sinh giỏi quốc gia cũng như thi tuyển sinh đại học, cao đẳng

Qua thời gian giảng dạy sinh học ở trường phổ thụng, bản thõn tụi đó

nghiờn cứu nhiều tài liệu tham khảo như : Bài tập di truyền hay và khú - Vũ Đức Lưu; Phương phỏp giải bài tập sinh học - Nguyễn Văn Sang, Nguyễn Thảo Nguyờn, Nguyễn Thị Võn; Phương phỏp giải nhanh bài tập trắc

nghiệm sinh học Huỳnh Quốc Thành ; Nâng cao và phát triển sinh hoc –

Lê Hồng Điệp, Lê Đình Trung; Bộ đề thi sinh học – Huỳnh Quốc Thành và

nhiều tác giả khác trên mạng Các tỏc giả cũng đó đưa cỏch giải dạng bài tập này Song chỉ đưa ra cỏch giải chung chung, chưa chỉ ra phạm vi ỏp dụng cụ thể cho từng dạng bài tập nờn học sinh rất lỳng tỳng

Đặc biệt cỏ nhõn tụi nhận thấy trong cỏc đề thi chọn học sinh giỏi tỉnh mấy năm trở lại đõy, dạng bài tập xuất hiện khỏ phổ biến Phải núi rằng đõy

là một dạng bài tập phự hợp với xu thế đề thi của Bộ GD- ĐT

Trước thực trạng trờn tụi đó mạnh dạn chọn đề tài “ Xỏc định tấn số alen trong quần thể khi cú sự tỏc động của cỏc nhõn tố tiến hoỏ”.

2 Mục đích nghiên cứu

Phõn dạng và xõy dựng phương phỏp xỏc định tấn số alen trong quần thể khi cú sự tỏc động của cỏc nhõn tố tiến hoỏ

3 nhiệm vụ nghiên cứu

- Nghiên cứu chơng 2: Nguyên nhân và cơ chế tiến hóa - Sinh học 12 nâng cao THPT

- Nghiên cứu cơ sở lí luận của các công thức tính tần số alen trong quần thể khi có tác động của các nhân tố tiến hóa , phân dạng và áp dụng các công thức

để tính tần số alen

- Thực nghiệm s phạm để đánh giá tính hiệu quả của đề tài

Phần 2 nội dung I.Cơ sở lớ luận một số cụng thức tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của cỏc nhõn tố tiờn hoỏ.

1 Đột biến.

Đột biến làm cho mỗi gen phỏt sinh ra nhiều alen và đõy chớnh là

nguồn nguyờn liệu sơ cấp cho quỏ trỡnh tiến hoỏ Giả sử 1 locut cú hai alen A

và a Trờn thực tế cú thể xảy ra cỏc trường hợp sau:

1.1 Đột biến thuận

Gen A đột biến thành gen a (đột biến thuận) với tần số u Chẳng hạn, ở thế hệ xuất phỏt tần số tương đối của alen A là po Sang thế hệ thứ nhất cú u alen A bị biến đổi thành a do đột biến Tần số alen A ở thế hệ này là: p1 = po –

upo = po(1-u)

Sang thế hệ thứ hai lại cú u của số alen A cũn lại tiệp tục đột biến thành a Tần số alen A ở thế hệ thứ hai là: P2 = p1 – up1 = p1(1-u) = po(1-u)2

Vậy sau n thế hệ tần số tương đối của alen A là: p n = p o (1-u) n

Từ đú ta thấy rằng: Tần số đột biến u càng lớn thỡ tần số tương đối của alen A càng giảm nhanh

Như vậy, quỏ trỡnh đột biến đó xảy ra một ỏp lực biến đổi cấu trỳc di truyền của quần thể Áp lực của quỏ trỡnh đột biến biểu hiện ở tốc độ biến đổi tần số tương đối của cỏc alen bị đột biến

1.2 Đột biến thuận và đột biến nghịch

Alen a cũng cú thể đột biến thành A (đột biến nghịch) với tần số v + Nếu u = v thỡ tần số tương đối của cỏc alen vẫn được giữ nguyờn khụng đổi + Nếu v = 0 và u > 0 → chỉ xảy ra đột biến thuận

+ Nếu u = 0 và v > 0 → chỉ xảy ra đột biến nghịch

+ Nếu u ≠ v; u > 0, v > 0 → nghĩa là xảy ra cả đột biến thuận và đột biến nghịch Sau một thế hệ, tần số tương đối của alen A sẽ là: p1 = po – upo + vqo

Kớ hiệu sự biến đổi tần số alen A là ∆p

Khi đú ∆p = p1 – po = (po – upo + vqo) – po = vqo - upo

Tần số tương đối p của alen A và q của alen a sẽ đạt thế cõn bằng khi số lượng đột biến A→ a và a → A bự trừ cho nhau, nghĩa là ∆p = 0 khi vq = up

Mà q = 1- p

→ up = v(1 – p) ↔ up + vp = v ↔ q u u v

v u

v p









2 Chọn lọc tự nhiên

2.1 Giỏ trị thớch nghi và hệ số chọn lọc

Mặt chủ yếu của chọn lọc tự nhiờn là sự phõn hoỏ khả năng sinh sản tức

là khả năng truyền gen cho thế hệ sau Khả năng này được đỏnh giỏ bằng hiệu suất sinh sản, ước lượng bằng con số trung bỡnh của một cỏ thể trong một thế hệ

So sỏnh hiệu suất sinh sản dẫn tới khỏi niệm giỏ trị chọn lọc hay giỏ trị thớch nghi (giỏ trị chọn lọc hay giỏ trị thớch ứng, kớ hiệu là w), phản ỏnh mức độ sống sút và truyền lại cho thế hệ sau của một kiểu gen (hoặc của một alen).

Ví dụ: kiểu hình dại trội (AA và Aa để lại cho đời sau 100 con cháu mà kiểu hình đột biến lặn (aa) chỉ để lại được 99 con cháu, thì ta nói giá trị thích nghi của alen A là 100% (wA = 1) và giá trị thích nghi của các alen a là 99% (wa = 0,99)

Sự chênh lệch giá trị chọn lọc của 2 alen (trội và lặn) dẫn tới khái niệm

hệ số chọn lọc (Salective coeffcient), thường kí hiệu là S

Hệ số chọn lọc phản ánh sự chênh lệch giá trị thích nghi của 2 alen, phản ánh mức độ ưu thế của các alen với nhau trong quá trình chọn lọc.

Như vậy, trong ví dụ trên thì thì S = wA – wa = 1 – 0,99 = 0,01

+ Nếu wA = wa → S = 0, nghĩa là giá trị thích nghi của alen A và a là bằng nhau và tần số tương đối của alen A và a trong quần thể sẽ không đổi

+ Nếu wA = 1, wa = 0 → S=1, nghĩa là các cơ thể có kiểu gen aa bị đào thải hoàn toàn vì đột biến a gây chết hoặc bất dục ( không sinh sản được)

Như vậy, giá trị của S càng lớn thì tần số tương đối của các alen biến đổi càng nhanh hay nói cách khác, giá trị của hệ số chọn lọc (S) phản ánh áp lực của chọn lọc tự nhiên

2.2 Chọn lọc alen chống lại giao tử hay thể đơn bội.

- Giả sử trong 1 quần thể chỉ có 2 loại giao tử là A và giao tử mang alen a

- Nếu CLTN chống lại giao tử mang alen a với hệ số chọn lọc S => Giá trị thích nghi Wa = 1 - S

+ Tần số alen A trước chọn lọc: p

+ Tổng tần số các giao tử trước chọn lọc: p + S

+ Tổng tần số các giao tử sau chọn lọc: p + q(1 - S) = p + (1 - p)(1 - S)

= p + 1 - S - p + Sp = 1 - S(1 - p) = 1 - Sq

+ Tần số alen sau chọn lọc = Tần số alen trước chọn lọc/ Tổng tần số alen sau chọn lọc

Tổng số alen A sau chọn lọc: 1

1 Sq p

p





Sq

Spq Sq

Sqp p p p p p Sq

p























Sq

q Sq Sq

Sq q qS q q Sq

S q q q q



































1

) 1 ( 1

1

) 1

1

2.3 Chọn lọc chống lại alen trội và alen lặn ở cơ thể lưỡng bội:

a Xét trường hợp gi¸ trÞ nghi cña c¸c kiÓu gen AA vµ Aa b»ng 1 cßn aa b»ng 1-S.

Tổng số alen ở thế

- Đóng góp vào

vốn gen chung tạo

ra thế hệ sau:

2+2pq+q2(1-S)

=1-Sq2

- Tổng số kiểu

hình sau chọ lọc 2

2 Sq -1

p

2 Sq -1

2pq

2

2 Sq -1

S) -(1 q

1 -Tần số alen A sau chọn lọc:

 1

Sq -1 Sq -1

) ( Sq -1









-Tốc độ biến đổi tần số alen A:

2

2 2

2 2

1 1 - Sq 1 - Sq 1 - Sq

Spq Spq

p p p

p p

p



-Tổng số alen a sau chọn lọc:

2 2

2 2 2 2

2 2

2

) 1 ( Sq

-1 Sq

-1

) 1 ( ) 1 ( Sq

-1

) 1

q pq

-Tốc độ biến đổi tần số alen a sau chọn lọc:

2 2

3 2

1

Sq -1

) 1 ( Sq

-1

q Sq Sq

q Sq q q q

alen a)

b Xột trường hợp giá trị thích nghi của các kiểu gen AA và Aa bằng 1 còn aa bằng 0 (nghĩa là alen lặn a khi ở thể đồng hợp aa gây chết hay tạo ra

sự bất thụ cho cá thể)

Nếu QTGP ở trạng thỏi cõn bằng ,xột một gen với tần số A = (p0); a = (q0) với p0 + q0 = 1, hệ số chọn lọc S = 1.Sự thay đổi tần số cỏc alen qua cỏc thế hệ sẽ như thế nào?

Số thế

hệ CL

1 p12 2p1q1 q12 p02 + p0q0 / p02+ 2p0q0 =

p0 + q0 / p0 + 2q0

p0q0 / p02+ 2p0q0

=q0 / p0 + 2q0

2 p22 2p2q2 q22 p12 + p1q1 / p12+ 2p1q1 =

p0 + 2q0 / p0 + 3q0

p1q1 / p12+ 2p1q1

=q0 / p0 + 3q0

3 p32 2p3q3 q32 p22 + p2q2 / p22+ 2p2q2 =

p0 + 3q0 / p0 + 4q0

p2q2 / p22+ 2p2q2

=q0 / p0 + 4q0

n pn2 2pnqn qn2 p0 + nq0 / p0 + (n+1)q0 =

1+ (n-1)q0 / 1+ nq0

q0 / p0 + (n+1)q0 =

q0 / 1+ nq0

Vậy nếu QTGP ở trạng thỏi cõn bằng và tần số A = p0 ; a = q0 với p0 +

q0 = 1, hệ số chọn lọc S =1 thỡ :

Tần số alen trội và lặn sau n thế hệ chịu sự chọn lọc là:

p(A) = p0 + nq0 / p0 + (n+1)q0= 1+ (n-1)q0 / 1+ nq0

q(a) = q0 / p0 + (n+1)q0 = q0 / 1+ nq0

3.Di - nhập gen.

Xét trong trờng hợp di - nhập gen xãy ra theo một chiều mà không có chiều ngợc lại

Ta có công thức: p = M (P

0 - p)

Trong đó :

- p là tần số tương đối của gen A ở quần thể nhận

- P0 là tần số tương đối của gen A ở quần thể cho

- M là tỷ lệ số cỏ thể nhập cư đợc tính bằng tỉ số giao tử mang gen di nhập so với tổng số giao tử của mỗi thế hệ trong quần thể hoặc bằng tỉ lệ số cá thể nhập c so với số cá thể của quần thể nhận

- p lượng biến thiờn về tần số alen A trong quần thể nhận

Từ p ta tính đợc tần số alen của quần thể cho và nhận sau khi xãy ra di nhập

II Phương phỏp giải quyết một số bài tập.

1.Tớnh tần số alen khi cú sự tỏc động của nhõn tố đột biến

1.1 Đột biến thuận

Bài 1 Trong quần thể xét 2 alen A, a ở thế hệ xuất phát, tần số alen A = 0,6 ở

mỗi thế hệ đột biến A thành a với tần số u = 10 -6 Sau 5000 thế hệ thì tần số alen ở quần thể thay đổi nh thế nào?

Cách giải:

Vỡ đột biến diễn ra theo chiều thuận nên áp dụng công thức:

pn = po(1-u)n ta có: pn = 0,6(1-10-6)5000 = 0,597

Vậy sau 5000 thế hệ tần số alen A = 0,597

Chú ý: Từ công thức p n = p o (1-u) n ta có thể tính số thế hệ cần thiết để thay

đổi tần số alen A từ P ở thế hệ khởi đầu thành Pn

VD : Giả sử 1 lụcut cú 2 alen A và a, thế hệ ban đầu cú tần số tương đối của

alen A là p0 Quỏ trỡnh đột biến làm cho A → a với tần số u = 10-5

a) Để p0 giảm đi

2

1

phải cần bao nhiờu thế hệ?

b) Từ đú em cú nhận xột gỡ về vai trũ của quỏ trỡnh đột biến trong tiến hoỏ?

Cách giải:

a)Vỡ đột biến diễn ra theo chiều thuận, nờn ta cú: pn = po (1- u)n

Trong đú: pn là tần số alen trội (A) ở thế hệ pn; po là tần số alen trội (A) ở thế hệ po ; u là tốc độ đột biến theo chiều thuận; n là số thế hệ

=>

2

1

po = po (1- 10-5)n <=> 0,5 = (1-10-5)n <=> ln0,5 = ln (1-10-5).n

=> n = ln 0,5 5

ln(1 10 ) 

 ≈ 69.000 thế hệ

b) Nhận xột về vai trũ của quỏ trỡnh đột biến trong tiến húa: gõy ỏp lực khụng đỏng kể cho quỏ trỡnh tiến húa

1.2 Đột biến thuận và đột biến nghịch.

Bài 1 Nếu tần số đột biến A thành a là 10 -4, a thành A là 10 -6 thì cân bằng mới sẽ đạt đợc khi tần số tơng đối của các alen là bao nhiêu?

Cách giải:

áp dụng công thức:

v u

u q



 thì cân bằng mới sẽ đạt đợc khi tần số tơng đối

của các alen là: 0 , 99

10 10

10

6 4

4





  



2 Chọn lọc tự nhiên.

2.1 Chọn lọc alen chống lại giao tử hay thể đơn bội.

Bài tập 1 Xác định lợng biến thiên của alen a sau 1 thế hệ chọn lọc giao tử

khi biết tần số alen a trớc khi chọn lọc là 0,6 và S của alen a = 0,34

Cách giải: Tốc độ biến đổi tần số alen a sau chọn lọc là

6 0 34 , 0 1

) 6 , 0 1 ( 6 , 0 34 , 0 1

) 1 (

























Sq

q Sq

Nh vậy q đã giảm 0,1 tức giảm từ 0,6 xuống còn 0,5

2.2 Chọn lọc chống lại alen trội và alen lặn ở cơ thể lưỡng bội:

a Xột trường hợp giá trị thích nghi của các kiểu gen AA và Aa bằng 1 còn aa bằng 1-S

Bài 1: Một quần thể ở trạng thỏi cõn bằng về 1 gen cú 2 alen A, a Trong đú

tần số p = 0,4 Nếu quỏ trỡnh chọn lọc đào thải những cơ thể cú kiểu gen aa xảy ra với ỏp lực S = 0,02 Hóy xỏc định tần số tơng đối của các alen trong quần thể sau khi xảy ra chọn lọc

Cách giải

- Quần thể cõn bằng di truyền, nờn ta cú: pA + qa = 1 → qa = 1 – 0,4 = 0,6

Sự biến thiên tần số alen a sau chọn lọc là:

0025 , 0 6

, 0 02 , 0 1

) 6 , 0 1 ( 6 , 0 02 , 0 Sq

-1

) 1

(

2 2 2

2



















 Sq q

q

Điều này có nghĩa là tần số alen a trong quần thể sau chọn lọc giảm 0,0025 Vậy sau khi chọn lọc qa = 0,6 - 0,0025 = 0,5975; pA = 0,4025

Chú ý:

* Ta có thể tính bài 1theo cách khác nh sau:

- Quần thể cõn bằng di truyền, nờn ta cú: pA + qa = 1 → qa = 1 – 0,4 = 0,6

- Cấu trỳc di truyền của quần thể cõn bằng là:

(0,4)2AA + 2(0,4 x 0,6)Aa + (0,6)2aa = 1 → 0,16AA : 0,48Aa : 0,36aa -Sau khi chọn lọc thỡ tỉ lệ kiểu gen aa cũn lại là: 0,36 (1 – S) = 0,36(1 – 0,02)

= 0,3528 Mặt khỏc, tổng tỉ lệ cỏc kiểu gen sau chọn lọc là: 0,16 + 0,48 + 0,36(1 – S) = 0,9928

- Vậy cấu trỳc di truyền của quần thể khi xảy ra chọn lọc là:

0,16

9928 , 0

48 , 0

a : 0,35280,9928aa ↔ 0,161AA : 0,483Aa : 0,356aa

- Tần số alen A sau chọn lọc là 0,4025; tần số alen a là 0,5975

* Nếu gặp quần thể tự thụ phấn ta có thể tính nh sau:

Ví dụ: Một quần thể thực vật thực vật tự thụ phấn có tỉ lệ kiểu gen ở thế hệ P

là 0,45 AA : 0,30Aa : 0,25 aa Cho biết các cá thể có kiểu gen aa không có khả năng sinh sản Tính theo lí thuyết, tỉ lệ các kiểu gen thu đợc ở F1 là bao nhiêu?( Đề thi tuyển sinh Đại học – Cao đẳng năm 2008)

Cách giải:

- Sau khi chọn lọc thỡ tỉ lệ kiểu gen aa = 0 Mặt khỏc, tổng tỉ lệ cỏc kiểu gen sau chọn lọc là: 0,45 + 0,3 = 0,75 nên tần số kiểu gen của quần thể P tham gia

tự thụ phấn là: AA Aa

75 , 0

30 , 0 : 75 , 0

45 , 0

0,6AA : 0,4Aa

- áp dụng công thức tính tỉ lệ kiểu gen của quần thể tự thụ ban đầu có dạng : dAA + hAa + r aa sau n thế hệ là :

Aa = h.(1/2)n = H  AA = d + [ (h - H):2]  aa = r + [(h - H):2]

Ta có tỉ lệ kiểu gen sau 1 thế hệ tự thụ là:

2

1

.

4

,

 ; AA = 0,6 + 0 , 7

2

2 , 0

 ; aa = 0 , 1

2

2 , 0



Vậy tỉ lệ kiểu gen sau 1 thế hệ tự thụ là: 0,7AA : 0,2Aa : 0,1 aa

Bài 2 Một quần thể động vật giao phối có thành phần kiểu gen là 0,09AA :

0,42Aa : 0,49aa

a, Xác định tần số các alen của quần thể

b, Biết rằng 90% số cá thể có kiểu gen aa sống đợc đến khi sinh sản ( giá trị thích nghi của kiểu gen aa là 0,9 ); các kiểu gen còn lại giá trị thích nghi đều

là 1 Hãy tính tỷ lệ cá thể dị hợp tử trong các cá thể con ở thế hệ tiếp theo.( Đề thi HSG tỉnh năm 2009- 2010)

Cách giải:

a, Xác định tần số alen

- Tần số alen A = 0,09 + 0,42:2 = 0.3 Tần số alen a =1- 0,3 = 0,7

b, Tỉ lệ cá thể dị hợp tử trong các cá thể con ở thế hệ tiếp theo

Ta có S = 1- 0,9 = 0,1 nên sự biến đổi tần số alen a sau chọn lọc là:

7 , 0 1 , 0 1

) 7 , 0 1 ( 7 , 0 1 , 0 Sq

-1

) 1 (

2

2 2

2



















q

Tần số alen a sau chọn lọc giảm 0,015 và còn 0,7 - 0,015 = 0,685

Tần số alen A = 0,315  Tỉ lệ cá thể dị hợp tử trong các cá thể con ở thế

hệ tiếp theo là 2pq = 2.0,315.0,685 = 0,431

b Xột trường hợp giá trị nghi của các kiểu gen AA và Aa bằng 1 còn aa bằng 0.

Đây là dạng hay gặp nhất trong các đề thi học sinh giỏi cũng nh các đề thi tuyển sinh Đại học- cao đẳng

Bài 1 ở một loài động vật ngẫu phối, xét 1 gen gồm 2 alen A và a nằm trên

NST thờng Tần số alen A của giới đực là 0,6 và của giới cái là 0,8

a, Xác định cấu trúc di truyền của quần thể ở trạng thái cân bằng di truyền

b, Sau khi đạt trạng thái cân bằng di truyền, do điều kiện sống thay đổi nên tất cả các kiểu gen đồng hợp lặn aa không có khả năng sinh sản Hãy xác định