Bài giảng cơ sở di truyền và chọn giống cá

Cấu trúc của sợi nhiễm sắc• NST có cấu trúc gồm phân tử DNA xoắn qua các thể nhân nucleosome hay còn gọi là glubola • Mỗi glubola cấu tạo từ 8 phân tử protein H2A, H2B, H3 và H4 và 2 vòn

CƠ SỞ DI TRUYỀN VÀ CHỌN

GIỐNG CÁ

MỞ ĐẦU

• V.X Kirpichnikov: Có chăn nuôi và trồng trọt ắt phải

có chọn giống vật nuôi và cây trồng; có nuôi cá ắt phải có chọn giống cá

• Ở châu Âu, những giống cá chép tốt (giống cá Đức) đầu tiên xuất hiện từ kết quả thuần dưỡng cá chép hoang dã Đunai vào thế kỷ 17, 18

• Việt Nam, nghề nuôi cá phát triển từ thập kỹ 50s (XX) và đã đạt được nhiều thành tích quan trọng

 Thuần hóa nhiều loài thủy sản có giá trị kinh tế

 Nâng cao phẩm giống các loài nuôi thương phẩm

 Bảo tồn gen các loài thủy sản quý hiếm

• Tồn tại trong quá trình phát triển là vấn đề chất lượng

giống các loài cá, tôm nuôi

• Các nhà quản lý đề cập đến nhiệm vụ "lai tạo các giống

cá tốt để nuôi - chọn giống"

• Một số loài cá nuôi đang bị thoái hoá, thể hiện ở:

- Tốc độ sinh trưởng chậm

- Kích cỡ thương phẩm nhỏ, năng suất thấp

- Cá bố mẹ tham gia sinh sản nhỏ, cá giống được sản xuất không đạt quy cách

• Một số loài cá nuôi bị lai tạp như cá chép, cá mè, cá rô

phi

• Nâng cao chất lượng di truyền giống cá:

- Cải tiến giống cũ, tạo giống mới bằng phương pháp

truyền thống hay hiện đại

- Biến đổi giới tính theo yêu cầu nuôi đạt năng suất cao

- Tránh suy thoái cận huyết và tăng cường hiệu quả của lai kinh tế

 Nâng cao chất lượng giống phải dựa trên cơ sở khoa học

di truyền

 Chọn giống dự trên cơ sở biến dị

 Chương trình môn học

Phần 1: Di truyền cá

Chương I: Cơ sở vật chất di truyền của cá

Chương II: Di truyền các tính trạng chất lượng của cá

Chương III: Di truyền và biến dị các tính trạng

Tài liệu tham khảo

1 Phan Cự Nhân, Trần Đình Miên, Tạ Toàn, Trần Đình Trọng,

1976 Di Truyền Học và Cơ Sở Chọn Giống Động Vật NXB

Đại học và Trung Học Chuyên Nghiệp, Hà Nội

2 Đặng Hữu Lanh, Trần Đình Miên, Trần Đình Trọng, 1999 Cơ

Sở Di Truyền và Chọn Giống Động Vật NXB Giáo dục, Hà

5 Colin, E.P., 1993 Genetics and Fish Breeding Chapman &

Hall: Fish and Fisheries series 8

Phần I: Di truyền cá

Chương I: Cơ sở vật chất di truyền cá

I Cấu trúc nhiễm sắc thể và chức năng trong di truyền và hoạt động sống của sinh vật

1 NST tâm đầu - Acro (telo) centric (a) - tâm động ở gần sát mút NST, vai dài ≥ 6 lần vai ngắn

2 NST tâm lệch - Subtelocentric (st) - tâm động nằm cách đầu mút NST không xa, có thể phân biệt được 2 vai của NST, vai dài ~ 3 - 6 lần vai ngắn

3 NST tâm kề - Submetacentric (sm) - tâm động nằm gần giữa NST, vai dài ~ 1,6 đến 3 lần vai ngắn.

4 NST tâm cân- Metacentric (m) - tâm động nằm chính giữa NST, hai vai tương đối bằng nhau

• Ở một số loài cá trong giai đoạn trung kỳ nguyên phân chỉ

toàn thấy NST hình que, bao gồm NST tâm đầu (a) và tâm

1.2 Cấu trúc của sợi NST

1.2.1 Các thành phần của sợi nhiễm sắc

• Trong mỗi NST có 2 cấu trúc, bề ngoài giống nhau nằm song song với nhau, đó là 2 nhiễm sắc tử (chromatid).

• Mỗi một nhiễm sắc tử bằng một hay nhiều sợi nhiễm sắc

(chromonem).

• Trên NST thấy nhiều quãng phình ra gọi là hạt nhiễm sắc

(chromomere).

• Sợi nhiễm sắc là sợi kép rất dài xoắn nhau trong tế bào đang phân

chia và được mở xoắn ở mức độ nhất định trong nhân tế bào ngừng phân chia (interphase).

1.2.2 Cấu trúc của sợi nhiễm sắc

• NST có cấu trúc gồm phân tử DNA xoắn qua các thể nhân

(nucleosome) hay còn gọi là glubola

• Mỗi glubola cấu tạo từ 8 phân tử protein (H2A, H2B, H3 và H4)

và 2 vòng xoắn DNA chứa 170 bp

• Hai nucleosome ở cạnh nhau được liên kết với nhau bởi mộtđoạn ADN 10 -100 bp (DNA linker)

+ DNA linker đính với 1 p.tử H1

+ H1 đóng vai trò quan trọng tạo sự bền vững trong liên kết

của các nucleosome

Cấu trúc cơ bản

H4 H3 H1 ADN

H3 H2B H4 H2A H2B

H2A

Cấu trúc solenoit (250 – 300 A0) và các mức kết tụ

• Các Nucleotit liên kết với nhau qua nhóm Phosphate tạo thànhchuỗi Polynucleotit, nhóm P liên kết với C5’ của một đường và

C3’ của một đường tiếp theo

• ADN có số lượng nucleotit khác nhau ở các loài, từ 5000 ởmột loài virus đơn giản đến 3,0 tỷ trong bộ gen đơn bội củangười

• Tỉ lệ các nucleotit trong DNA của mỗi loài cũng khác nhau (A

+ T)/(G + C) gọi là tỉ số base cũng là 1 trong các đặc trưng củaDNA của mỗi loài

2.2 Cấu trúc không gian của DNA

chiều: đầu 3' của mạch này

nằm cùng phía với đầu 5'

của mạch kia

3 Chức năng của DNA

The Flow of Genetic

Information

DNA RNA

Protein

Functional protein

DNA

replication transcription

translation

folding, modification, translocation

central dogma of

molecular biology

3.1 Sự tái bản DNA theo cơ chế bán bảo toàn

• Quá trình tái bản (replication): DNA tái sản xuất một cách

chính xác cấu trúc sau mỗi lần phân bào

• Việc tái bản các DNA có sự tham gia của số lượng lớn các

enzyme

 DNA polymerase I và III làm nhiệm vụ liên kết các nucleotidebằng các liên kết phosphodieste 3'-5'

 DNA ligase nối các đoạn ngắn của các mạch con

• Quá trình tái bản được bắt đầu bởi việc đứt dần các mối liênkết hydro giữa các cặp base nitơ bổ sung

• Các nucleotide bổ sung mới đến gắn với các base vừa đượcgiải phóng theo nguyên lý bổ sung

• Dưới xúc tác của DNA polymerase I và III các Nucleotide trênmột mạch thiết lập liên kết phosphodieste 3'-5'

Mô hình AND tự tái bản

3.2 Mã di truyền – sao mã và dịch mã

• DNA điều khiển tổng hợp các protein theo từng giai đoạn

• Quá trình truyền đạt thông tin di truyền được diễn ra theo

nguyên lý của thuyết trung tâm:

3.2.1 Mã di truyền

• Sự tương quan về trình tự các nucleotide trong gen và trình tự

các acid amin trong chuỗi protein được gọi là mã di truyền hay

mã sinh học (codon)

• Mã di truyền là mã bộ ba: 3 nucleotide đứng kế tiếp nhau trong

DNA quy định 1 acid amin trong protein

• Tất cả có 64 codon

• Đặc điểm mã di truyền: liên tục, dư thừa (thoái hoá) và vạnnăng

UUA leu UUG

UCU UCC ser UCA

UCG

UUU tyr UCC

UAA K.T

(*)

UAG K.T

UGU cys UGC

UGA K.T UGG trp

U C A G

C

CUU CUC leu CUA

CUG

CCU CCC pro CCA

CCG

CAU his CAC

CAA glin CAG

CGU CGC arg CGA

CGG

U C A G

A

AUU leu AUC

AUA AUG met

ACU GCC thr GCA

ACG

AAU asp AAC

AAA lys AAG

AGU ser AGC

AGA arg AGG

U C A G

GUG

GCU GCC ala GCA

GCG

GAU asp GAC

GAU glu GAG

GGU GGC gly GGA

GGG

U C A G

c h

ữ

t h

ứ

b a

• Khi kết thúc tổng hợp, phân tử mRNA tách khỏi nhân

và đi vào tế bào chất

• Trong tế bào thường có lượng dự trữ các loại mRNA

3.2.3 Sự dịch mã

• Qúa trình tổng hợp mạch polypeptit ở riboxom trên khuôn mẫucủa mRNA

• Quá trình tổng hợp protein:

- RNA mẫu (mRNA) sau khi di chuyển vào tế bào chất tiếp

cận với các ribosome (cấu tạo từ các acid nucleic ribosome đặc

thù (rRNA) và protein)

- Trong liên kết mRNA với các Ribosome: mỗi phân tử tRNAmang theo một trong số 20 axit amin lần lượt tiếp cận vớiribosome

- Các axit amin kết dính với nhau thành một chuỗi polypeptit

• Quá trình sinh tổng hợp gồm 3 giai đoạn:

- Mở đầu: hình thành liên kết peptit đầu tiên

- Kéo dài chuỗi polypepetit: các a.A gắn với nhau qua liên kếtpeptit

- Kết thúc tổng hợp: khi xuất hiện codon “stop” trên mRNA,

hệ thống ngừng làm việc

• Tính chính xác của quá trình sinh tổng hợp được đảm bảo bởimỗi một codon của mRNA tương ứng với một codon đối mã

(anticodon) của tRNA

• Trên một phân tử mRNA có thể xảy ra tổng hợp đồng thờinhiều mạch P.P ở nhiều riboxom

Sơ đồ sinh tổng hợp protein

II Các quy luật hoạt động của nhiễm sắc thể

1. Cặp đôi của NST và hoạt động NST trong nguyên phân

và giảm phân

• Trong các kiểu nhân của cá tất cả NST, trừ NST giới tính, đều

thành cặp giống nhau về hình dạng và kích cỡ

• Sự cặp đôi của NST tồn tại từ thế hệ này sang thế hệ khác:

 nhờ sự phân chia chính xác các NST trong nguyên phân

 sự giảm đi một nửa số lượng NST trong giảm phân ở các tế

bào sinh dục thành thục (giao tử)

 sự phục hồi số lượng gốc khi tinh trùng kết hợp trứng hình

thành hợp tử

1.1 Nguyên phân (mitosis)

• Sau 4 giai đoạn phân bào: kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối,

từ một tế bào mẹ hình thành 2 tế bào con, mỗi tế bào này chứa

bộ NST với số lượng như ở tế bào mẹ (2n)

• Sau kỳ cuối, tiếp đến là kỳ trung gian (interphase), các NST

trong nhân duỗi ra

 Kỳ trung gian gồm 3 kỳ nhỏ: trước tổng hợp ADN (G1), tổnghợp ADN (S) và sau tổng hợp (G2)

 Tại kỳ S ở nhân tế bào diễn ra sự tái bản NST, và hoạt độngtổng hợp ARN mạnh mẽ nhất.

1.2 Giảm phân (meiosis)

• Tế bào sinh dục (2n) phân chia 2 lần kế tiếp nhau hình thành

 Sự sinh trứng

 Thời kỳ sinh sản:

 Noãn nguyên bào (2n) phân chia nhiều lần, tăng mạnh sốlượng theo cấp số nhân, đk 9,5µ (7,5-14µ)

 Thời kỳ sinh trưởng

 Tế bào ngừng phân chia, gia tăng kích thước

• Thời kỳ sinh trưởng nhỏ

 Thời kỳ thơ ấu (gđ 1): 24-28 µ, NST dần tiêu biến và không rõ

 Thời kỳ một lớp tế bào follicule (gđ 2): 180-240µ, thời giantồn tài tùy thuộc môi trường và đặc tính loài

• Thời kỳ sinh trưởng lớn

 Thời kỳ bắt đầu tích lũy noãn hoàng (gđ 3): 400-500µ

 Thời kỳ noãn hoàng đầy đủ (gđ 4): > 1000µ

 Thời kỳ chín (gđ 5): noãn bào sơ cấp (2n) phân chia giảmnhiễm

 Sự phân bào lần thứ nhất thường trùng hợp với thời gian rụngtrứng

 Hình thành một noãn bào thứ cấp (cấp II) (n) và một cực cầu

 Sự giảm số lượng NST trong giảm phân đặc trưng cho đa số

các loài cá với quá trình sinh dục bình thường

• Giảm phân có khi không xuất hiện ở cá sinh sản theo kiểu phụ

sinh hay mẫu sinh

 Một trong hai nhân tế bào sinh dục (♀ hoặc ♂) không tham gia

phát triển phôi

 Nhân của tế bào sinh dục có cùng một số lượng NST như ở

nhân tế bào cơ thể mẹ (bố)

• Ở cá có quá trình sinh dục bình thường:

 Sự không giảm phân ngẫu nhiên dẫn đến sự hình thành các tế

bào sinh dục đực và cái 2n → xuất hiện các thể đa bội (3n),(4n)

 Sự sinh tinh:

 Thời kỳ sinh sản:

 Tinh nguyên bào (2n) phân chia nhiều lần (nguyên phân) tăng

lên số lượng (2n), nhưng kich thước giảm

 Thời kỳ sinh trưởng:

 Tinh nguyên bào ngừng phân chia, lớn lên tạo thành tinh bàocấp I (2n)

 Thời kỳ chín:

 Tinh bào cấp I (2n) phân chia giảm nhiễm lần đầu → 2 tinh

bào cấp II (n)nhỏ hơn về kích cỡ

 Tinh bào cấp II (2n) phân chia lần 2 hình thành 2 tinh tử (n)

• Các tinh tử biến thành các tinh trùng (n)

 Sau khi tham gia sinh sản, tuyến sinh dục đực còn các ống tinhchứa nhiều tinh trùng, tinh bào cấp II hoặc cấp I và cả các tinh

nguyên bào đang tiếp tục phân chia

2 Tính đặc thù của NST

• Các NST của từng đôi khác nhau về kích cỡ và cấu tạo

 Những khác nhau được tìm thấy ở vị trí tâm động (centromere),

ở sự xuất hiện các đoạn thắt, các vệ tinh và ở các đặc điểm cấutạo khác

• Phân ly độc lập NST trong thời kỳ giảm phân

Hình : Đặc thù của NST, nhuộm phân hoá G

NST của cá hồi Đại tây dương (Salmo salar)

3 Ổn định số lượng NST

 Mỗi loài SV (cá) đặc trưng về số lượng NST

• Ở nguyên phân, số lượng NST trong nhân tế bào con được giữ

nguyên như ở nhân tế bào mẹ (2n)

• Giảm phân dẫn đến sự giảm số lượng NST một nửa (n)

• Sau khi thụ tinh → khôi phục các cặp NST đồng dạng và sốlượng NST đặc trưng cho loài cũng được phục hồi

 Một số nhóm cá có hiện tượng đa hình NST

cá hồi hoa Salmo gairdneiri 2n = 59, 2n = 63

Cá Hồi Oncorhynchus nerka, 2n = 58, phiến trung kỳ và hạch đồ

III Đột biến nhiễm sắc thể

• Đột biến là những biến dị liên quan đến sai lệch về hình thái,cấu trúc và số lượng vật chất di truyền

• Đột biến xảy ra ở tế bào bình thường chỉ ảnh hưởng đến thế hệđó

• Đột biến xảy ra ở hợp tử có thể di truyền cho thế hệ sau

1 Đột biến gen hay đột biến điểm

 Làm thay đổi cấu tạo các gen

• Một trong các nucleotit có thể thay thế bằng một nucleotit

khác

- Đôi khi có thể cải tiến chức năng protein

- Đôi khi không có tác dụng, vd: GAA→ GAG (Glumatique)

• Loại bỏ hay thêm vào một hoặc một số nucleotit trong chuỗi

DNA

 Xảy ra ở giữa gen và làm cho 1 bộ ba mã hoá thành codon vônghĩa → phân tử protein ngắn lại và không có chức năng bìnhthường

 Thay đổi trật tự sắp xếp các acid amin trong protein

 Sự thay đổi chỉ một hoặc hai acid amin có thể gây hậu quảnhưng không lớn lắm đối với hoạt động sống của cá thể

 Đột biến có thể được giữ lại trong quần thể hoặc bị đào thải dochọn lọc

2 Biến đổi cấu trúc NST

• Các đột biến NST

 Chuyển đoạn (translocation)

 Chuyển một đoạn NST gắn vào một vị trí mới trên cùng một

NST hoặc NST khác không đồng dạng

 Chuyển đoạn diễn ra khá thường xuyên ở cá

 Chuyển đoạn Robertson hay là "dung hợp tâm động"

- Một NST tâm đầu bị đứt cạnh tâm động và một NST khác cũngtâm đầu, nguyên vẹn hoặc gần nguyên vẹn, gắn vào chỗ bị đứt →

biến thành một NST cân tâm

- Làm giảm số lương NST, phát sinh hiện tượng đa hình NST

 Đôi khi diễn ra quá trình ngược lại, tách tâm động tạo 2 NST

 Đảo đoạn (inversion) - đoạn NST bị đảo ngược 1800

 Đảo đoạn phía ngoài vùng tâm động

 Hiện tượng đảo đoạn kèm theo tâm động phổ biến rộng hơn

 Lặp đoạn (duplication) - nhân lên các gen hoặc các đoạn nhỏ

NST

 Mất đoạn (deletion) - mất đi các đoạn riêng rẽ

 Ở cá hiện tượng mất đoạn (deletion) thường gặp hơn lặp đoạn

 Mất đoạn bị làm cá thể kém sức sống → chúng bị đào thải

nhanh chóng khỏi các quần thể

Biến đổi cấu trúc NST (chuyển đoạn và đảo đoạn của cá)

• a Chuyển đoạn giữa NST không thay đổi số vai; b Chuyển đoạn giữa NST

giảm số vai; c Chuyển đoạn giữa NST tăng số vai; d Liên kết tâm động

(fusion) kiểu Robertson với giảm số lượng vai; e Tách tâm động (fission)

với tăng số vai; g Đảo đoạn ngoài tâm động không tăng số vai; h Đảo đoạn gần tâm động; i Đảo đoạn gần tâm động với tăng số vai; k Đảo đoạn không phân biệt.

3 Biến đổi số lượng NST

 Các cá thể với số lượng NST giảm đi một nửa là đơn bội (n)

 Các thể đơn bội có sức sống kém

 Phôi đơn bội phát triển dị hình hoặc chết ở giai đoạn cuối

 Các cá thể với bội số NST, tam bội (3n) và tứ bội (4n)

 Ở cá thường xuất hiện tam bội

- thể tam bội có sức sống rất cao

- có khi hoàn toàn không có khả năng sinh sản

 Tứ bội xuất hiện do kết hợp hạch của các giao tử 2n

 Một số trường hợp lệch bội lẻ (aneuploid): thêm hoặc bớt đimột NST trong cặp đồng dạng

IV Nhiễm sắc thể cá

1 Số lượng NST

• 3000 loài cá được xác định số lượng NST

• Số lượng NST lưỡng bội dao động trong phạm vi 12 – 250

• Hàm lượng DNA biến đổi nhiều

 Theo kiểu nhân đơn bội (n) từ 0,42 pg (0,42.10-12g) (đại diện

họ cá nóc Tetraodontidae) đến 163 pg (cá lưỡng tiêm)

 Cá miệng tròn chia làm 2 nhóm:

• Cá Mixyni (Mixinidae) có số NST không lớn, 2n: 42-52, hàmlượng DNA cao

• Cá Viên khẩu (Petromyzoniformes), số NST nhiều, đặc biệt

các nhóm sống ở Bắc bán cầu 2n= 180, hàm lượng DNAkhông lớn

 Trong lớp cá

• Lớp cá sụn Chondrichthyes (cá mập, cá đuối và cá Himer) tiến

hóa theo hướng tăng số lượng nhiễm sắc thể đồng thời tănghàm lượng DNA

- Một số cá đuối 2n ~100

- Tất cả cá sụn trừ Himer hàm lượng DNA trong nhân tế bào

đơn bội từ 2,8 đến 16,2 pg

- Ở cá lưỡng tiêm (Dipnoi) sự tiến hóa kiểu nhân theo hướng

tăng mạnh hàm lượng DNA; ở các loài hiện đại dao động từ

80-160 pg

• Cá Tầm chia làm 2 nhóm:

- Nhóm 1 gồm các loài cá Tầm (Acipenser): NST biến động

lớn 2n: 58-104,

- Nhóm 2 (giống Huso) có số NST bằng ½ nhóm trên

- Một số cá tầm NST dạng tâm đầu, số khác (A stellatus, A.

nudiventrus và A ruthenus) NST có 2 vai,

 Sự tăng đôi bộ NST xảy ra do sự phân đôi NST cân tâm → 2

NST tâm đầu

- Cá Chiên (Huso daurius) và cá Tầm sao (A stellatus) có kiểu

nhân rất giống nhau có thể tạp giao bình thường → con lai lớnnhanh và sinh sản bình thường

- Sự giảm số lượng NST chủ yếu do sự liên kết tâm động hoặc

sự chuyển đoạn kiểu Robertson

 Một số nhóm thuộc họ cá chép có sự ổn định các bộ NST mặc

dù có sự phân hoá hình thái và sinh thái của các loài

• Đa bội thể xuất hiện ở 3 họ: cá chép Cyprinidae, cá chạch

Cobitidae và cá mút Catostomidae