bồi dưỡng học sinh giỏi môn sinh học thpt chuyên đề DI TRUYỀN QUA tế bào CHẤT

CHUYÊN ĐỀ: DI TRUYỀN QUA TẾ BÀO CHẤT A LÍ THUYẾT I Sự di truyền tế bào chất Sự di truyền gene lạp thể Trong thụ phấn thực vật bậc cao, tế bào trứng có kích thước lớn có nhiều tế bào chất phối hợp với nhân hạt phấn tế bào chất chung quanh Do hợp tử nhận phần lớn tế bào chất tế bào trứng Nếu hai bố mẹ có thành phần nguyên liệu di truyền tế bào chất khác hệ nhận nhiều nguyên liệu di truyền tế bào chất mẹ Do xảy di truyền theo hệ mẹ Hiện tượng di truyền đốm phát sớm Mirabilis jalapa (Correns, 1908), Pelargonium zonale (E.Bauner, 1909) Các có đốm có nguyên cành với trắng chlorophyll Thí nghiệm: Tạp giao Mirabilis jalapa có cành khảm trắng xanh theo phép lai sau: - Thụ phấn cho hoa cành trắng hạt phấn hoa cành xanh lục, cho hệ giống cá thể mẹ có trắng chlorophylle Các chết khả quang hợp - Tạp giao hoa cành xanh lục hạt phấn hoa cành trắng, tất hệ có màu xanh lục bình thường - Nếu thụ phấn hoa cành đốm phấn hoa xanh lục đời có cá thể trắng, đốm xanh lục - Nếu thụ phấn cho hóa cành xanh lục với phấn hoa đốm đời gồm toàn cá thể xanh lục * Giải thích: Trong trường hợp người ta thấy chất sở hình thành lạp thể có tế bào trứng hình thành tiền lạp thể, sau hình thành lục lạp Hạt phấn chất sở để hình thành lạp thể nên hạt phấn truyền lục lạp Sự khác bố mẹ nhiều tính trạng tạp giao thuận nghịch chứng tỏ có tham gia nguyên liệu di truyền tế bào chất Sự di truyền theo hệ mẹ quy định thể tính trạng phụ thuộc vào cá thể mẹ Ở thực vật Pelargonium zonale có trường hợp di truyền theo dòng cha Nếu hoa đốm thụ phấn xanh lục 30% lai có đốm, 70% xanh lục Khi lai hoán đổi cha mẹ 70% lai đốm 30% xanh lục Sự di truyền gene ty thể 2.1 Đặc điểm di truyền gene ty thể Theo Mendel, tạp giao sinh vật lưỡng bội có phân ly tính trạng theo định luật Mendel gene nhân nằm nhiễm sắc thể giảm phân phân chia cho giao tử với nhiễm sắc thể Đối với tính trạng tế bào chất hệ thống phân chia đảm nhận nên phân ly theo quy luật định Ở nấm men có thể đột biến hình thành khuẩn lạc petite kích thước nhỏ bình thường, đường kính bắng 1/2 - 1/2 khuẩn lạc bình thường Các tế bào tạo nên khuẩn lạc petite có kích thước giống kích thước tế bào bình thường Nguyên nhân tạo nên khuẩn lạc kích thước nhỏ tế bào đột biến petite bị hỏng hệ thống hô hấp, tức enzyme oxy hóa ty thể cytochrom b, c, a, a3 cytochrom oxydase bị phá hủy Đây enzyme màng ty thể Khác với kiểu dại, đột biến petite không thực phản ứng phosphoryl hóa để sản lượng, tốc độ sinh trưởng phân bào chúng thấp Ở ty thể nấm men (Saccharomyces cerevisiae) có kiểu đột biến chủ yếu: petite, antR mit- Một ví dụ ty thể đột biến thiểu hô hấp nấm men Vào năm 1940, Boris Ephrussi cs mô tả đột biến đặc biệt nấm men.Các đột biến gọi petite, có khuẩn lạc nhỏ nhiều so với khuẩn lạc hoang dại Theo phương thức di truyền, đột biến petite chia làm loại khác nhau: - Petite phân ly: lai với dạng hoang dại khuẩn lạc bình thường tỷ lệ phân ly nang bào tử (ascospore) khuẩn lạc to: petite - Petite trung tính: lai với khuẩn lạc to phân ly nang bào tử có dạng khuẩn lạc to bình thường, thể di truyền theo cha mẹ (Uniparental) - Petite ức chế: lai tạo nang bào tử, số mọc thành khuẩn lạc to bình thường, số khác tạo khuẩn lạc petite Tỷ lệ khuẩn lạc to nhỏ dao động có tính đặc hiệu chủng, số petite ức chế tạo hệ khuẩn lạc petite Qua petite ức chế cho thấy có di truyền nhân tế bào số có di truyền theo cha mẹ Khi lai nấm men tế bào cha mẹ, hai tế bào cha mẹ kết hợp với góp tế bào chất vào tế bào lưỡng bội Sự di truyền petite trung tính ức chế độc lập với kiểu bắt cặp thể rõ di truyền nhân nên gọi petite tế bào chất Qua nghiên cứu chúng có đặc điểm kiểu sau: - Chuỗi chuyền điện tử ty thể bị sai hỏng petite tế bào chất Do sai hỏng này, chúng lên men để tạo ATP nên mọc chậm - Không có sinh tổng hợp protein petite tế bào chất Các ty thể có hệ thống sinh tổng hợp riêng gồm tRNA, ribosome khác với tế bào chất - mtDNA đột biến petite có biến đổi lớn Ty thể tất Eukaryote có mtDNA riêng số lượng nhỏ, khác với DNA nhân tế bào Ở petite trung tính, mtDNA bị hoàn toàn, petite ức chế có thay đổi đáng kể tỷ lệ base so với mtDNA dạng khuẩn lạc to bình thường Nhóm đột biến thứ hai nấm men antR (antR mutants), có kiểu hình đề kháng với kháng sinh khác Ví dụ: capR (chloramphenicol resistance) kháng chloramphenicol, eryR kháng erythromycine, spiR kháng spiromycine, parR kháng paranomycine oliR kháng oligomycine Các đột biến lai (ví dụ eryR × eryS) cho tỷ lệ phân ly không theo quy luật Mendel, giống petite ức chế di truyền có khác Khi tế bào cha mẹ kết hợp, sản phẩm lưỡng bội hợp tử hai cha mẹ cytohet Các diploid sinh sản vô tính mọc chồi.Trong nguyên phân, trình phân ly tế bào chất tái tổ hợp xảy tế bào trở thành eryS hay eryR Nhóm đột biến quan trọng thứ ba mit- (mit- mutants) phát sau nhờ kỹ thuật chọn lọc đặc biệt Các đột biến này, tương tự đột biến petite chỗ có khuẩn lạc nhỏ chức bất thường chuỗi chuyền điện tử, điểm khác sinh tổng hợp protein bình thường có khả hồi biến Như vậy, kiểu đột biến mit- đột biến điểm Sự di truyền cuả kiểu đột biến mit- giống với kiểu antR, có phân ly tế bào chất di truyền theo cha mẹ giảm phân Trong hệ tế bào thuộc khuẩn lạc bình thường, có khoảng vài phần trăm tế bào hình thành khuẩn lạc petite Những tế bào khuẩn lạc petite luôn phát triển thành khuẩn lạc petite Điều chứng tỏ có thay đổi cấu trúc di truyền Ngoài đột biến xảy kiểu bào gene nói dẫn đến sinh khuẩn lạc petite, có khuẩn lạc petite gene nhân quy định Thí nghiệm: Tạp giao nòi nấm men kích thước khuẩn lạc bình thường với nòi có kích thước khuẩn lạc petite, hệ hình thành khuẩn lạc bình thường Còn gene nhân (gene ade), phân ly hệ gene cho tỷ lệ 1:1, chúng nằm NST chia cho tế bào Ở đây, nguyên liệu di truyền tế bào trộn lẫn hợp tử tạo thành bào tử bào tử nhận gene ty thể nhau, nên chúng có chức hô hấp bình thường Thí nghiệm cho thấy di truyền khuẩn lạc không theo quy luật Mendel 2.2 Hiện tượng bất dục bào chất đực Hình 9.1 Sơ đồ thí nghiệm chứng minh di truyền theo hệ mẹ tượng bất thụ đực Tính bất dục nhiều nguyên nhân, bất dục đực (không tạo phấn hoa hay tạo phấn hoa khả thụ tinh) thực vật có trường hợp sau: - Do gene nhân quy định, gene ms ngô - Do ảnh hưởng điều kiện môi trường độ ẩm, quang chiếu, khả cung cấp chất dinh dưỡng không đáp ứng nhu cầu sinh lý Ví dụ: gene ms ngô - Do lai xa đưa đến thể lai hạt phấn NST có nguồn gốc khác tiếp hợp giảm phân Những tượng bất dục có ý nghĩa hạn chế có bất dục bào chất đực có vai trò quan trọng Đó trường hợp bất dục hạt phấn bắt nguồn từ tế bào chất, nhân có điều chỉnh nhờ dùng bất dục bào chất đực để phát huy ưu lai đối tượng ngô, cao lương, củ cải đường Ví dụ: Xét mối quan hệ kiểu gene, kiểu bào gene kiểu hình bắp sử dụng lai tính mà không cần khử đực mẹ STT Kiểu gene Rfrf Rfrf RfRf Rfrf RfRf Rfrf Kiểu bào gene S (bất dục) N (hữu dục) N S Kiểu hình (hạt phấn) Hỏng Tốt Tốt Tốt Vậy hạt phấn ngô bị hoạt tính có yếu tố bất dục tế bào chất mà lại thiếu thiếu gene phục hồi hữu dục (Rf) nhân, alen gene rf gene cố tính bất dục Cây phục hồi hữu dục RfrfS cho tự thụ phấn đời sau có 1/4 rfrf có hạt phấn hỏng Nếu lấy bắp dạng rfrfS thụ phấn rfrfN, phấn hoa toàn đời sau bị hỏng, bắp mang nhị Đó cách dùng phương pháp di truyền để khử cờ ngô Khi sản xuất hạt giống, muốn có hạt phải thụ phấn hữu dục bình thường Nếu muốn dùng hạt để sau trồng lại bố phải có kiểu gene RfRf kiểu bào gene N S Trong sản xuất giống ngô dùng tổ hợp dòng dạng làm mẹ dạng dạng đồng hợp tử làm bố Như đỡ công khử đực mẹ hạt lai thu từ mẹ có kiểu gene Rfrf, kiểu bào gene S Kiểu gene đảm bảo thụ phấn bình thường lúc trồng sản xuất Bất thụ đực tế bào chất ngô liên quan đến plasmid dạng thẳng S1 S2 Chúng ty thể với mtADN Một tính chất khó hiểu plasmid chúng thực tái tổ hợp với mtADN Hiệu dòng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc Trứng phôi chịu ảnh hưởng môi trường thể mẹ nhiều thể bố Ngay bị tách khỏi thể mẹ từ giai đoạn sớm, chúng nhận tế bào chất, chất dinh dưỡng trứng từ mẹ ảnh hưởng đặc biệt lên hoạt động gene Những tiềm định trứng xác định trước thụ tinh số trường hợp chúng chịu ảnh hưởng môi trường mẹ bao quanh Sự định trước gene mẹ gene con, gọi hiệu ứng mẹ Sự tồn hiệu ứng mẹ nói chung chứng minh phương pháp lai thuận nghịch, kết phép lai thuận nghịch khác Ví dụ hiệu dòng mẹ: chiều xoắn vỏ ốc Limnaea peregra Chiều xoắn xác định cặp alen D xoắn phải, d xoắn trái Các phép lai cho thấy D trội so với d chiều xoắn luôn xác định kiểu gene mẹ Hình 9.2: Hiệu dòng mẹ lên chiều xoắn vỏ ốc Tiến hành phép lai thuận nghịch đồng hợp tử DD xoắn phải đồng hợp tử dd xoắn trái: Khi trứng bắt nguồn từ ốc xoắn phải F1 Dd kiểu gene ốc có kiểu hình xoắn phải Cho ốc tự phối sinh hệ sau có tỉ lệ phân li kiểu gene 1DD : Dd : dd, tất ốc chí có kiểu gene dd có chiều xoắn phải Nhưng ốc hệ tự phối riêng biệt có có kiểu gene DD Dd cho hệ sau xoắn phải, dd có kiểu hình xoắn phải lại cho hệ sau xoắn trái Ngược lại dùng ốc dd xoắn trái làm mẹ F1 Dd xoắn trái giống mẹ Cho ốc tự phối tất ốc hệ sau có xoắn phải kiểu gene mẹ chúng Dd Nếu cho hệ tự phối kết nhận phép lai thuận trên, nghĩa hệ sau có tỷ lệ phân ly xoắn phải : xoắn trái Như hiệu dòng mẹ kéo dài hệ trường hợp xem di truyền qua tế bào chất đặc tính tế bào chất xác định trước tác dụng gene nhân gene tế bào chất Nói cách khác chế di truyền nhiễm sắc thể làm biến đổi tế bào chất trứng trước thụ tinh II Lập đồ ty thể lạp thể Lập đồ gene DNA lạp thể Các gene lục lạp Chlamydomonas reinhardii Sự di truyền lục lạp nghiên cứu chi tiết vi tảo Chlamydomonas reinhardii Tế bào vi tảo có lục lạp lớn với đường kính trung bình μm chứa 50 đến 80 phân tử DNA vòng tròn dài 196 kb Theo Sager (1975), Chlamydomonas reinhardii có đột biến nhóm liên kết gene lục lạp Các đột biến có biểu kiểu sau: - Mất khả quang hợp để mọc ánh sáng tối cần bổ sung đường khử acetat - Nhạy cảm với nhiệt độ cao thấp - Tính đề kháng với thuốc kháng sinh có nhu cầu cung cấp thuốc kháng sinh Tất đột biến có di truyền theo cha mẹ, có kiểu bắt cặp mt+ (có thể coi dòng mẹ) Điều liên quan đến hình thành lục lạp hợp tử, cách đó, nhận DNA từ lục lạp mt+ Năm 1954, R Sager nghiên cứu đột biến kháng streptomycin C reinhardii từ dạng hoang dại nhạy cảm sm-s Một số đột biến sm-r có di truyền nhiễm sắc thể với phân ly : Tuy nhiên số đột biến có di truyền khác thường sau: sm-r mt+ × sm-s mt- → tất đời sm-r với tỷ lệ mt+ : mt- sm-s mt+ × sm-r mt- → tất đời sm-s với tỷ lệ mt+ : mt- Hình 9.3 Bản đồ vòng tròn cpDNA Chlamydomonas Hình 9.4 Bản đồ DNA chloroplast Marchantia polymorpha IRA IRB trình tự đảo ngược (theo K.Umesono H.Ozeki, 1987) Như có hoán đổi cha mẹ lai, hệ có kiểu hình streptomycin mt+ Sự truyền thụ tính trạng gọi di truyền theo cha mẹ Sager coi mt+ dòng mẹ trường hợp giống di truyền theo dòng mẹ Các kiểu bắt cặp mt có tỷ lệ phân ly gene nhân : Trong tổ hợp lai mt+ sm-r × mt- sm-s có khoảng 0,1% hệ hợp tử mang sm-r sms Các hợp tử gọi hợp tử hai cha mẹ cytohet (cytoplasmically heterozygote) Tần số cytohet tăng lên 40-100% hệ hợp tử mt+ chiếu tia tử ngoại trước lai Ở Chlamydomonas, hợp tử cha mẹ dùng làm điểm xuất phát cho tất nghiên cứu phân ly tái tổ hợp gene lục lạp Trên sơ nhiều tổ hợp lai, R Sager nêu đồ vòng tròn cpDNA với gene tương ứng Lập đồ gene DNA ty thể * Lập đồ gene ty thể nấm men Có phương pháp khác xây dựng đồ gene ty thể: - Lập đồ tái tổ hợp: Ở nấm men phân li tế bào chất tái tổ hợp xảy trình mọc chồi cytohet lưỡng bội Sự phân li tái tổ hợp phát trực tiếp dạng lưỡng bội mọc chồi hay quan sát sản phẩm giảm phân chồi kích thích tạo bào tử - Lập đồ phân tích petite: Một số kỹ thuật lập đồ có hiệu dựa phối hợp loại đột biến petite, antR mit- Phần lớn tiếp cận dựa vào đoạn mtDNA đột biến petite Sự kết hợp kiểu phân tích di truyền đặc biệt với kỹ thuật tái tổ hợp DNA dẫn đến xây dựng đồ di truyền hoàn chỉnh mtDNA - Lập đồ phân tích enzyme cắt giới hạn: enzyme cắt giới hạn công cụ hữu hiệu để phân tích di truyền Nó sử dụng để phân tích mtDNA nấm men, mà mtDNA sinh vật miễn chiết tách tinh DNA * Bản đồ mtDNA nấm men người Việc xây dựng đồ mtDNA hoàn chỉnh nấm men người thành tựu đáng kể nghiên cứu di truyền tế bào chất - Một số trình tự có codon khởi codon kết thúc cuối chưa biết chức - mtDNA người dư thừa Hình 9.5 Bản đồ mtDNA người (Theo Larson Clayton, 1995) III Di truyền học phân tử bào quan Các gene lạp thể (cpDNA) Là bào quan có khả tự tái sinh tế bào thực vật Sự phân chia bào quan về tế bào phân bào không phân chia nhiễm sắc thể nguyên phân giảm phân Chúng có số lượng lớn phân chia ngẫu nhiên tế bào nên tế bào chứa nhiều lục lạp DNA lục lạp ký hiệu cpDNA (Chloroplast DNA) Bộ gene dạng DNA vòng tròn, thường dài DNA ty thể 8-9 lần Trong lục lạp tìm thấy máy sinh tổng hợp protein khác nhiều với hệ thống tế bào chất eukaryote giống với máy sinh tổng hợp protein prokaryote Mặc dù di truyền lục lạp phát sớm, thời gian dài hiểu biết chi tiết gene lục lạp bước tiến đáng kể Các nghiên cứu phân tử góp phần chủ yếu cho phân tích chi tiết gene bào quan Ngoài nghiên cứu Mirabilis jalapa Chlamydomonas, đồ chi tiết cpDNA thực vật Marchantia polymorpha xây dựng cpADN điển hình dài khoảng 120-200 kb tùy loài thực vật Ở Marchantia, kích thước phân tử 121 kb Trên cpDNA Marchantia có tất 136 gene gồm loại mã hóa tổng hợp rRNA, 31 loại mã hóa tổng hợp tRNA khoảng 90 gene tổng hợp protein Trong số 90 gene mã hóa tổng hợp protein, có 20 gene mã hóa tổng hợp enzyme cho quang hợp chuỗi chuyền điện tử Các gene mã hóa cho chức dịch mã chiếm khoảng gene lục lạp bao gồm protein RNA cần thiết cho dịch mã bên lục lạp Thực tế DNA lục lạp, ty thể nhân tế bào có phối hợp chặt chẽ việc tạo tiểu phần protein sử dụng bên lục lạp Ribulose-1,5-biphosphate carboxylase/ oxygenase enzyme dồi lục lạp Nó xúc tác phản ứng cạnh tranh nhau, cố định CO bước quang hô hấp (photorespiration) với tạo glycolate Enzyme gồm tiểu phần lớn LS (large unit) giống tiểu phần nhỏ giống mã hóa tương ứng gene lục lạp nhân tế bào Tiểu phần lớn LS mang trung tâm xúc tác, vai trò tiểu phần nhỏ chưa rõ Gene LS nằm cpDNA số thực vật bắp, Chlamydomonas reinhardii, thuốc lá, Euglena Trong tất trường hợp, gene LS diện cho DNA lục lạp Ngược lại, gene tiểu phần nhỏ tìm thấy trình tự DNA nhân tế bào với số Các gene ty thể (mtDNA) Bào quan ty thể có tất tế bào eukaryote Bộ gene ty thể ký hiệu mtDNA (Mitochodrial DNA) mtDNA mã hóa cho tổng hợp nhiều thành phần ty thể hệ thống loại rRNA, 22-25 loại tRNA nhiều loại protein có thành phần màng bên ty thể Trong đó, phần lớn protein ribosom ty thể gene nhân xác định Bộ gene ty thể có hai chức chủ yếu: - Mã hóa cho số protein tham gia chuỗi chuyền điện tử - Mã hóa cho hệ thống sinh tổng hợp protein gồm số protein, tất tRNA loại rRNA Tuy nhiên hai trường hợp, cấu phần lại hệ thống mã hóa gene nhân dịch mã bào tương (cytosol) chuyển vào ty thể Ở Việt Nam có công trình phân tích mtDNA 50 người Việt dân tộc Kinh, phát hình thái khác cắt mtDNA enzyme hạn chế Như vậy, việc nghiên cứu gene ty thể cho thấy tế bào eukaryote không lục lạp có hệ thống sinh tổng hợp protein độc lập tương đối hợp tác chặt chẽ với Ở eukaryote có lục lạp hệ thống sinh tổng hợp protein độc lập tương đối hợp tác với Cả bào quan ty thể lục lạp tham gia trực tiếp vào chuyển hóa lượng tế bào Di truyền tế bào chất tượng di truyền gene nằm nhiễm sắc thể nhân quy định B/ CÂU HỎI VẬN DỤNG Hãy nêu kiểu đột biến ty thể Trình bày chứng minh thực nghiệm di truyền lạp thể 3 So sánh giống khác mtDNA cpDNA Nếu có hạt bắp từ dòng bất thu đực, xác định bất thụ gene nhân hay nhân? Nêu đặc điểm riêng di truyền nhiễm sắc thể nêu sai khác so với di truyền gene nhân Hãy phân biệt hiệu dòng mẹ với di truyền nhân Hãy phân biệt loại đột biến petite nấm men Cho dòng bắp bất dục đực: dòng bất dục bào chất, dòng bất dục gene nhân di truyền theo Mendel Hãy trình bày phương pháp xác định hai dòng bất dục Một ốc loài Limnaea peregra có vỏ xoắn trái qua tự phối cho tất hệ sau xoắn phải Hãy xác định genotype ốc Nếu hệ sau cho tự phối riêng rẽ, hỏi chiều xoắn vỏ ốc hệ nào? 10 Tỷ lệ tiến hóa DNA ty thể tính biến đổi nucleotide ty thể thời gian 1.500 đến 3.000 năm DNA ty thể người có khoảng 16.500 nucleotide Hỏi tỷ lệ biến đổi nucleotide 106 năm bao nhiêu? ... petite Qua petite ức chế cho thấy có di truyền nhân tế bào số có di truyền theo cha mẹ Khi lai nấm men tế bào cha mẹ, hai tế bào cha mẹ kết hợp với góp tế bào chất vào tế bào lưỡng bội Sự di truyền. .. trường hợp xem di truyền qua tế bào chất đặc tính tế bào chất xác định trước tác dụng gene nhân gene tế bào chất Nói cách khác chế di truyền nhiễm sắc thể làm biến đổi tế bào chất trứng trước... Larson Clayton, 1995) III Di truyền học phân tử bào quan Các gene lạp thể (cpDNA) Là bào quan có khả tự tái sinh tế bào thực vật Sự phân chia bào quan về tế bào phân bào không phân chia nhiễm