Bài giảng di truyền ứng dụng

CHƯƠNG I DI TRUYỀN CÁC HỆ THỐNG SINH SẢN Ở THỰC VẬT I Các dạng sinh sản hữu tính thực vật có hoa Biểu giới tính thực vật Nhị -> hạt phấn -> tinh tử Nhuỵ -> noãn -> bào trứng Nếu hoa -> hoa lưỡng tính Nếu hai hoa khác nhau-> hoa đơn tính - Cây có loại hoa đơn tính + lưỡng tính: - Hoa lưỡng tính + hoa đơn tính -> hoa lưỡng tính Ví dụ: hoa phức - Hoa lưỡng tính + đơn tính = : kinh giới - Hoa lưỡng tính + hoa đơn tính đực -> hoa lưỡng tính đực Ví dụ: hoa tán (Dưa chuột: có hoa lưỡng tính + đơn tính cái, hoa lưỡng tính +đơn tính đực, hoa đơn tính gốc, hoa đơn tính cái) - Phân bố hoa cây: Với hoa đực hoa riêng rẽ: - Ở vùng khác nhau: Cách xa, vị trí khác -> đơn tính gốc -> Đơn tính gốc: hoa đực hoa riêng biệt Ví dụ: bầu bí có hoa đực hoa riêng rẽ, ngô có chùm hoa đực riêng, + Ở trục hoa: gần nhau, (cùng chùm hoa) Ví dụ: thầu dầu có hoa đực hoa chùm hoa hoa đực phần hoa phần - Ở hai khác -> đơn tính khác gốc -> Đơn tính khác gốc: hoa đực hoa sinh khác Ví dụ: chà là, đu đủ, cải bó xôi, măng tây - Thời gian chín nhị nhuỵ: + Cùng chín + Lệch giao: hoa đực hoa thành thục (chín) thời điểm khác Nhị chín trước: ngô, hành, cà rốt, kê, mần trầu Nhuỵ chín trước: Chè, cacao - Các biến đổi đột biến: Thoái hoá nhị hạt phấn: lưỡng tính trở thành đơn tính (bất dục đực) Như vậy, kiểm soát di truyền: + Do gen kiểm soát biểu giới tính + Do NST giơí tính: ứng với trường hợp đơn tính khác gốc + Do tác dụng hoócmôn điều kiện ngoại cảnh tương quan đến biểu giới tính Gibberellin – hoa đực Etylen – hoa ->tỷ lệ biểu hoa đực hoa khác Ví dụ: Nếu xử lý gibberellin vào đơn tính – lại toàn hoa đực Những chế kiểm tra trình tự thụ phấn: - Khái niệm tự thụ phấn: hạt phấn thụ phấn cho nhuỵ hoa hoa Ví dụ: lúa nước, lúa mỳ, đậu tương, cà chua - Cơ chế kiểm tra trình tự thụ phấn: + Thụ phấn ngậm (cleistogamy): Quá trình thụ phấn diễn hoa chưa nở, đảm bảo tự thụ phấn hoàn toàn Ví dụ: lạc, đại mạch, yến mạch + Thụ phấn mở (Chasmogamy): Ở loài có phương thức thụ phấn hoa mở sau thụ phấn hoàn thành Khả giao phấn xảy mức độ thấp + Cấu trúc hoa: Ở nhiều loài thụ phấn thường diễn sau hoa nở, tự thụ phấn đảm bảo nhờ cấu trúc hoa: + Hoa lưỡng tính (có khả tự thụ cao) + Nhị bao quanh đầu nhuỵ, vị trí cảu bao phấn so với đầu nhuỵ bảo đảm cho trình tự thụ phấn (cà chua, cà) + Nhị nhuỵ quan khác hoa che khuất, ngăn cản trình giao phấn (cây đậu đỗ) + Đầu nhuỵ có khả tiếp nhận phấn vươn dài xuyên qua bó nhị, bảo đảm tỷ lệ thụ phấn cao + Thời gian tung phấn để thụ phấn hợp lý vào thời điểm xác định (thường buổi sáng), nhị nhuỵ chín đồng thời -> nhiên tự thụ phấn tuyệt đối (khi giao phấn tự nhiên trường hợp giao phấn trì lượng dị hợp tử chúng đảm bảo cho việc hình thành hệ cháu có sức sống cao hơn, kết hợp đặc tính tốt bố mẹ, tính biến dị dễ dàng dề thích nghi với biến đổi điều kiện sống Tuy nhiên có nhược điểm lúc thực được, phụ thuộc vào điều kiện bên tác nhân truyền phấn quan trọng II Các hệ thống bất hợp thực vật Khái niệm, phân loại: a Khái niệm: - Tự bất hợp tượng hạt phấn không nảy mầm phát triển ống phấn nhuỵ - Đó phản ứng hạt phấn nhuỵ xảy trước thụ tinh ngăn cản nảy mầm ống phấn phát triển Hiện tượng nhân tố di truyền định kiểm soát hệ thống đa alen (alen S) b Phân loại Có hai hệ thống tự bất hợp bất hợp dị hình bất hợp đồng hình a Tự bất hợp dị hình: hệ thống cấu trúc hoa có khác biệt không cho phép tự thụ phấn xảy - Đó tượng không tương hợp vị trí nhị nhuỵ, đối lập độ lớn hạt phấn với tế bào núm nhuỵ Dạng vòi nhuỵ dài thường có tế bào núm nhuỵ to, hạt phấn bé Dạng vòi nhuỵ ngắn thường có tế bào núm nhuỵ bé, hạt phấn to - Hiện tượng vòi nhuỵ ngắn dài alen S s kiểm soát Ví dụ loài báo xuân (primula) có hai cấu trúc hoa khác : hoa mảnh hoa thô Hoa mảnh có nhuỵ dài nhị ngắn, hoa thô có nhị dài nhuỵ ngắn Như loài phấn hoa hoa thụ cho Ss sinh loại hình thô ss sinh loại hình mảnh Kiểu hình hoa: mảnh x thô Kiểu gen cây: ss Ss Giao tử: s S s Phản ứng tự bất hợp hạt phấn: tất s Phản ứng tự bất hợp vòi nhuỵ: s tất S ss x ss - không tương hợp Ss x Ss - không tương hợp ss x Ss - 1Ss : 1ss Ss x ss – 1Ss : 1ss b Tự bất hợp đồng hình: gồm tự bất hợp giao tử thể tự bất hợp bào tử thể Trong chọn giống người ta quan tâm nhiều đến bất hợp đồng hình Bất hợp giao tử thể: East Mangelsdorf (1925) người phát tính không hợp trạng thái giao tử thể thuốc Nicotiana sanderae Có >60 họ thực vật hạt kín, điển hình họ đậu, cà, hoà thảo - Đặc điểm: + Locus S locus đa alen Ví dụ: cỏ ba 41 alen S, thuốc 16 alen S + Kiểu gen tiểu bào tử quy định hạt phấn- gen chứa alen khác hoạt động không giống chúng độc lạp với phản ứng vòi nhuỵ + Phản ứng tính bất hợp xảy hạt phấn (n) mô vòi nhuỵ (2n) cố định cho loài + Hạt phấn mang alen không nảy mầm không sinh trưởng mô vòi nhuỵ có chứa alen Tức hạt phấn noãn có alen S giống – xảy phản ứng tự bất hợp, khác không xảy bất hợp hạt phấn sinh protêin tạo điều kiện cho ống phấn phát triển vươn tới bầu nhuỵ + Mỗi locus S chức hai thành phần chức năng: gen cấu trúc mã hoá protêin đặc trưng cho alen S, đoạn ADN hoạt hoá gen cấu trúc: A P dành cho hạt phấn As dành cho nhuỵ (Hình 4.12 tr125) - Một số sơ đồ: S1S2 x S1S2 – bất hợp hoàn toàn S1S2 x S1S3 – 50% hạt phấn có hiệu lực S1S2 x S3S4 tương hợp hoàn toàn Ứng dụng: sản xuất hạt lai hai dòng bố mẹ Bất hợp bào tử thể: Hughes Bubcock (1950) phát loài Crepis foetida Parthenium argentatum Phổ biến với họ hoa thập tự hoa kép, cải, cúc - Đặc điểm: + Do locus đa alen kiểm soát quy mô biến dị rộng hơn, phức tạp + Chịu kiểm soát nhân lưỡng bội trạng thái thể bào tử (kiểu hình hạt phấn hay ống phấn kiểu gen lưỡng bội thể 2n quy định) + Giữa alen có hạt phấn vòi nhuỵ có mối tương tác (quan hệ trội – lặn) + Nguyên tắc: alen S mô 2n vòi nhuỵ trội so với alen S hạt phấn hạt phấn không nảy mầm Các biện pháp khắc phục tính bất hợp ứng dụng: - Thụ phấn vào giai đoạn non, thụ phấn muộn, tác động nhiệt độ cao số hoá chất CO2, xử lý số chất hoocmon sinh trưởng AIA, ANA - Chuyển sang trạng thái tứ bội, tiến hành làm gần sinh lý ghép thuận nghịch, thụ phấn hỗn hợp hạt phấn, cắt bỏ mô đầu vòi nhuỵ thụ phấn - Ý nghĩa: Có ý nghĩa lớn tiến hoá, chế di truyền kiểm tra thụ phấn chéo thực vật Giao phấn chéo tạo lên dạng lai gây đa dạng kiểu gen có sức sống cao - Ứng dụng chọn giống nhân giống có tượng để sản xuất hạt lai cách chọn hai quần thể bố mẹ đồng dạng theo tính trạng nông học để thu dạng lai đồng đồng Ví dụ: xu hào, bắp cải III Bất dục đực thực vật So sánh khái niệm: bất hợp, bất thụ, bất dục - Bất hợp: Do chất di truyền giao tử đực (hạt phấn) nhuỵ (2n 1n) - Bất thụ: không rơi vầ không nảy mầm ống phấn phát triển Nguyên nhân: di truyền môi trường - Bất dục: liên quan đến hình thành giao tử đực Nguyên nhân: di truyền môi trường -> tượng không dẫn tới thụ tinh tượng nguyên nhân khác Bất dục đực gen nhân kiểm soát: a Các gen thể lặn cặp gen lặn kiểm soát nhân, ký hiệu ms - Dòng bất dục đực: msms - Dòng phục hồi: MsMs - Dòng trì: Msms - Nếu gen gây bất dục ms chịu ảnh hưởng môi trường dễ điều khiển thu nhận dạng bất dục hữu dục b Nếu gen bất dục mãn cảm với biến động yếu tố ngoại cảnh (nhiệt dộ, thời gian chiếu sáng): EGMS (Environmental Genic Male Sterility) gồm: TGMS (Thermo sensitive Genic Male Sterility) PGMS (Photoperiod sensitive Genic Male sterility) - TGMS: bất dục đực chức di truyền nhân mẫn cảm với nhiệt độ: + Do cặp gen lặn nhân kiểm soát (tms) + Sự chuyển hoá hữu dục dòng TGMS chủ yếu quy định nhiệt độ giai đoạn phân hoá tế bào mẹ hạt phấn- bắt đầu phân chia giảm nhiễm (12-18 ngày trước lúc lúa trổ) 19-240 C – TGMS hữu dục >260C - TGMS bất dục Miền Bắc: 10-30/3 15- 25/10 – TGMS hữu dục Duy trì TGMS vào vụ xuân; sản xuất giống vào vụ mùa - PGMS: bất dục đực chức di truyền nhân mẫn cảm với quang chu kỳ + Giai đoạn mẫn cảm để chuyển hoá từ hữu dục sang bất dục ngược lại PGMS thời kỳ phân hoá mầm hoa – hình thành tế bào mẹ hạt phấn (bước 3-5 phân hoá đòng - 15-21 ngày trước trổ) Bất dục > 14h/ ngày Hữu dục cấu trúc bao phấn thay đổi, tầng nuôi dưỡng bao phấn - Hoá sinh: thiếu hụt số enzim tham gia vào tích luỹ lượng - Cây bất dục không ổn định điều kiện Ví dụ: hành nhiệt độ >300C làm thay đổi mức bấtdục từ 100 –70% b Một số giả thiết giải thích tượng bất dục đực tế bào chất phục hồi: - Những sở giải thích thể tính bất dục CMS + Biến cố chức năng lượng ty thể nguyên nhân sơ cấp gây lên tính bất dục hạt phấn - Những giả thiết giải thích chế phục hồi tính bất dục đực tế bào chất + Hoạt động gen phục hồi thể chấn chỉnh cấu trúc bổ khuyết thiếu hụt enzim, kết ty thể nhận đủ enzim, phục hồi hoạt động bình thường + Hoạt động gen hồi phục có tác động sửa chữa, chấn chỉnh lại trình chuyển enzim vào ty thể c Ứng dụng bất dục đực tế bào chất - Ứng dụng bất dục đực để tạo giống lai sản xuất hạt lai không cần khử đực mẹ Đặc biệt với có cấu trúc nhỏ khó khử đực thủ công - Bất dục đực tế bào chất kiểu gen 2n kiển soát (bất dục đực bào tử thể) kiển gen hạt phấn 1n kiểm soát (bất dục đực giao tử thể) + Bất dục giao tử thể: &S rfrf (bất duc) x %F.RfRf (hữu dục) F1: S.Rfrf (hữu dục) F2: % & S.Rf (hữu dục) S.rf (hữu dục) S.Rf (hữu dục) S.rf (bất dục) S RfRf (hữu dục) S Rfrf (hữu dục) Không thụ tinh Không thụ tinh + Bất dục bào tử thể: &S.rfrf (bất dục) x % F RfRf ( hữu dục) F1: S Rfrf (hữu dục) F2 : & % S.Rf (hữu dục) S.rf (hữu dục) S.Rf (hữu dục) S.rf (hữu dục) S RfRf (hữu dục) S Rfrf (hữu dục) S Rfrf (hữu dục) S.rfrf (bất dục) * Những khó khăn hạn chế việc ứng dụng bất dục đực tế bào chất - Mức độ bất dục CMS thượng bị biến động tác động yếu tố ngoại cảnh - Số lượng dòng mẹ không nhiều, sức sống CMS V Cấu trúc di truyền quần thể thực vật với phương thức sinh sản khác nhau: Giao phấn chéo ngẫu nhiên - Khái niệm: nhuỵ tiếp thu phấn quần thể - Tính chất ngẫu nhiên khác dần tiến tới mức lý thuyết theo quy luật Hardi – Weinberg: Alen A - p a–q p (AA) + 2pq (Aa) +q2(aa) =1 Nếu giảm mức ngẫu nhiên quy luật chung xảy là: 2pq (Aa) giảm giá trị 2pqF (F hệ số cận thân) đồng hợp tử tăng 2pqF =pqF (AA) + pqF (aa) - Tính chất đa hình: + Locus có nhiều trạng thái alen tạo nên đa dạng kiểu gen, tần số chúng tần số alen định + Theo Hardi –Weinberg locus có alen quần thể thu kiểu dị hợp tử, tần số kiểu lớn tần số alen P(A) =q(a) =0,5 -> 2pq (Aa) = 0,5 0,5 = 0,5 +Khi locus có alen, quần thể thu kiểu dị hợp tử, tần số chúng lớn ba alen có tần số p(a1) = q(a2) =r(a3) = 1/3 p (a1a1) +q2(a2a2) +r2(a3a3) =1/3 2pq (a1a2) + 2pr (a1a3)+ 2qr(a2a3) =2/3 Như vậy,quần thể giao phấn chéo có tính đa dạng (có nhiều kiểu gen khác nhau) tính dị hợp tử (duy trì tỷ lệ kiểu gen di hợp tử) - Sự thể tính trạng quần thể giao phấn chéo có số đặc điểm sau: + Giá trị trung bình quần thể biểu tính trạng không lớn song kiểu dị hợp tử thu hiệu ưu lai + Các kiểu di hợp tử che khuất nhiều alen lặn có hại, kho alen trạng thái đồng hợp tử chúng gây suy thoái kiểu gen-> quần thêt giao phấn chéo gánh nặng di truyền lớn nhiều so với quần thể tự thụ phấn - Các yếu tố làm tăng đồng hợp tử: Các yếu tố cản trở, hạn chế tính chất ngẫu nhiên giao phấn: + Giới hạn liều lượng cá thể tham gia vào trình giao phối + Lựa chọn thụ phấn côn trùng + Hiệu tung phấn không xa + Hiện tượng tương hợp kiểu hình Giao phấn chéo khác nguồn: - Khái niệm: Đó trường hợp xảy với tự bất hợp, dãy alen tự bất hợp kiểm tra Hạt phấn thụ phấn cho nhuỵ Khi alen tự bất hợp giao tử đực giao tử giống nhau, vòi nhuỵ xảy phản ứng ngăn cản phát triển ống phấn, không dẫn tới thụ tinh Sự thụ tinh hình thành hợp tử xảy alen tự bất hợp giao tử đực giao tử khác Giả sử quần thể liều lượng alen bất hợp tồn với giá trị g Ti- plasmid chuyển nạp gen thực vật a Ti- plasmid, cấu trúc hoạt động * Ti – plasmid chế gây bệnh khối u - Ti- plasmid vòng ADN lớn, có kích thước 200 ngàn đôi bazơ Phần ADN đặc biệt quan trọng Ti- plasmid T- ADN (Hình 12.9 –tr300) - Khi vi khuẩn nhiễm vào tế bào chủ (thực vật hai mầm), Ti- plasmid vi khuẩn chuyển T-ADN vào nhân tế bào chủ Ở đó, nhóm gen T-ADN biểu nhờ hệ thống sinh tổng hợp protêin tế bào chủ để tạo sản phẩm phục vụ cho hoạt động ký sinh vi khuẩn: + Nhóm 1: gồm gen mã hoá enzim tham gia vào tổng hợp số axit amin bất thường gọi opines Các opines sử dụng chất dinh dưỡng vi khuẩn A tumefaciens nhờ nhóm gen khác có mặt Ti- plasmid + Nhóm 2: gồm gen iaaM iaaH mã hoá enzim có vai trò việc hình thành auxin Gen thứ iptZ mã hoá enzim tham gia vào hình thành phytohoocmon thứ Hai loại phytohoocmon cảm ứng phân chia tế bào gia tăng chỗ bị nhiễm vi khuẩn chủ, tạo khối u lớn - Ti-plasmid có gen mã hoá protein tham gia vào trình tách chuyển TADN vào nhân tế bào chủ * Cơ chế chuyển T-ADN từ Ti- plasmid vi khuẩn vào tế bào chủ - Các vir gen (Các gen tham gia vào chuyển T-ADN) kích thích hoạt động chất gây cảm ứng (được tạo tế bào chủ bị nhiễm vi khuẩn) Sản phẩm gen vir tham gia vào tách T-ADN khỏi Ti- plasmid chuyển vào tế bào chủ - Ở hai đầu T- ADN Ti- plasmid có hai trật tự đặc biệt dài 25 đôi bazơ (trật tự bờ phải trật tự bờ trái) T-ADN tachs từ hai bờ này, gồm hai bước: + Ở bờ phải xảy cắt vị trí 3-4, sau cắt thứ xảy bờ trái- T-ADN mạch đơn tách -T- ADN chuyển vào tế bào chủ chế tiếp hợp hai vi khuẩn ( Hình 12.10 - tr 300) - Trên Ti- plasmid đoạn T-ADN tổng hợp phục hồi lại - Ở nhân tế bào chủ đoạn T- ADN mạch đơn gắn vào vị trí ngẫu nhiên sợi ADN mạch đơn NST chủ b Ti- plasmid thiết kế vector chuyển gen * Phương pháp tạo vector hợp - T-ADN gắn vào plasmid chuẩn (pBR 322) – vector trung gian (Hình 12.11 tr 301), bên cạnh cấu phần vector, plasmid đưa vào gen thị dùng cho việc chọn lọc sản phẩm chuyển nạp (gen NPTII kiểm tra tính kháng với kanamixil – kanR) Vector gắn với gen cần chuyển nạp - Chuyển vector trung gian vào E.coli, sau việc chọn dòng tiến hành chuyển vào tế bào vi khuẩn Agrobacterium tumefaciens có Ti-plasmid nguyên thuỷ theo chế tiếp hợp hai vi khuẩn Ở Agrobacterium tumefaciens hai plasmid tiếp hợp với theo đoạn tương đồng T-ADN Từ xảy trình tái tổ hợp, kết thu vector hợp * Phương pháp tạo hệ thống vector kép chuyển gen - Theo hệ thống này, tế bào Agrobacterium tồn hai plasmid: (1) Ti- plasmid nguyên thuỷ thực chức trợ giúp: cung cấp protein tham gia tách chuyển T- ADN,(2) Một plasmid chuẩn gắn vào hai trật tự bờ trái bờ phải Tiplasmid gen cần chuyển (Hình 12.12 –tr302) * Một số thuận lợi sử dụng Agrobacterium tumefaciens chuyển gen thực vật : - Dễ thực lây nhiễm cho tế bào thuộc nhóm hai mầm - Vật liệu cho lây nhiễm đa dạng như: tế bào trần, tế bào callus, đỉnh sinh trưởng, loại mô khác có khả tái sinh - Sau lây nhiễm tiến hành chọn lọc tế bào chuyển gen theo biểu gen thị có hệ thống chuyển nạp Ví dụ chuyển gen ngược nghĩa polygalacturonase (PG) tế bào cà chua nhờ sử dụng hệ thống vector kép: -Từ ARNm gen PG – thu nhận c- ADN, tách dòng dạng ngược nghĩa - Tiếp theo gắn với vùng khởi động virus khảm hoa (CaMV) đưa vào plasmid thiết kế để đưa vào tế bào cà chua thông qua hệ thống vector kép Agrobacterium - Ở tế bào chuyển gen, ARNm gen PG ngược nghĩa kết cặp với ARNm gen PG khởi thuỷ- kết ARNm không thực trình dịch mã riboxom Sự thiếu hụt enzim polygalacturonase cà chua chậm chín, bảo quản lâu Kỹ thuật ARN – ngược nghĩa - Sử dung ARNm ngược nghĩa trình điều khiển biểu gen ARNm ngược nghĩa bắt cặp bổ sung với ARNm bình thường, từ trình dịch mã bị kìm hãm (Hình 12.14 –tr305) - Kỹ thuật tạo dòng ADN ngược nghĩa cho gen cách quay ngược toàn phần mã hoá gen (Hình 12.14 b – tr305) Một số phương pháp chuyển gen khác thực vật a Sử dụng vector chuyển gen virus b Chuyển gen trực tiếp vi bắn c Phương pháp chích điện VII Chuyển nạp gen chiến lược cải tiến trồng, triển vọng vấn đề đặt sử dụng chuyển gen Tạo giống kháng sâu, bệnh hại a Tạo giống kháng virus - Người ta sử dụng gen khác phân lập từ virus để chuyển cho trồng: + Chuyển gen mã hoá protein vỏ virus tế bào chủ, protein tạo đáp ứng chế kháng bệnh chủ- kìm hãm nhân virus, ngăn chặn phát sinh bệnh: virus khảm cỏ Medicago, khảm dưa chuột, virus đốm vòm đu đủ + Tách dòng chứa đầu gen replicase chuyển vào tế bào trồng Gen mã ARN chứa đoạn nhận biết để liên kết với replicase Từ phân tử cạnh trang với ARN virus trình liên kết với replicase để nhân Cây chuyển gen tạo số lượng ARN đáp ứng cho cạnh tranh, nhân virus bị ức chế +Sử dụng kỹ thuật tạo dòng ngược nghĩa b Tạo giống kháng sâu - Tách gen kiểm tra độc tố Bt từ vi khuẩn chuyển vào trồng nhằm tạo giống kháng lại sâu hại - Tạo giống kháng thuốc trừ cỏ cải tiến khác trồng a Tạo giống kháng thuốc trừ cỏ - Cây chuyển gen có hoạt tính tổng hợp enzim tăng mạnh, đảm bảo cho khả kháng thuốc trừ cỏ - Sử dụng gen mã hoá enzim biến đổi không mẫn cảm với thuốc trừ cỏ để chuyển cho trồng - Sử dụng gen mã hoá enzim có khả khử đặc tính gây độc thuốc trừ cỏ b Các cải tiến khác trồng - Cải tiến chiến lược thực phẩm trồng: tạo giống khoai tây chứa amilose, có hàm lượng glucose surcose tăng nên 6-8 lần, cải tiến dầu thực vật cách biến đổi thành phần axit béo, cải tiến thành phần protein thực vật, có hương vị đặc biệt có hợp chất đặc thù phát triển mạnh - Đối với hoa, cảnh, người ta xử dụng kỹ thuật di truyền nhằm biến đổi màu sắc hoa theo ý muốn - Tạo trồng chuyển gen để sản xuất hợp chất quý - Tạo dòng bất dục đực, tạo giống chống chịu với số yếu tố bất lợi ngoại cảnh Triển vọng vấn đề đặt sử dụng chuyển gen Chương Di truyền phát triển cá thể tiềm năngthích ứng thực vật I Thông tin di truyền trình phát triển cá thể Tổ chức máy di truyền chế điều hoà biể gen trình phát triển cá thể - Genom tổ chức gen để dẫn tới điều hoà hai góc độ: định tính định lượng - Ở cấp độ sợi nhiễm sắc: + Các kiểu tổ chức gia đình gen + Cơ chế khuếch đại gen + Các yếu tố di truyền di động genom + Đặc điểm kết tụ sợi nhiễm sắc cấu trúc NST + Quá trình tái cấu trúc sợi NS qua chu kỳ phân bào – ức chế gen cấp độ NST -> dẫn đến điều hoà gen cấp độ genom, cấp độ NST - Cấp độ mã (các thông tin đóng mở genom): - Cấp độ mARN (sợi ARN thành thục): - Cấp độ dịch mã: mARN- protêin - Cấp độ phân tử protein: thôngtin từ protein Có hai loại protein: +Trao đổi chất + Tác động vào máy di truyền -> phân bào thể tính trạng Gen phân thành hai nhóm: + Tham gia trao đổi chất kiến trúc thể, quan + Tham gia vào công việc máy di truyền Protein Trao đổi chất, cấu trúc tế bào Sao mã Tác động máy di truyền ARN sử dụng trực tiếp Phân bào Thể tính trạng Sự phân chia, phân hoá tế bào, phát triển Hợp tử khối tế bào Tế bào khác Phát triển Phân chia, phân hoá - Khối tế bào có khả phát triển thành phận quan trước phân hoá gọi khối tế bào gốc -Tiếp theo vừa phân chia vừa phân hoá tạo dạng khác nhau, chức khác – sinh tế bào biệt hoá (chuyên hoá) - Thế phát triển: + Một tế bào phát triển thành tế bào – toàn + Tế bào phát triển nhiều nhánh, nhiều dạng khác nhau, chức khác - đa + Một tế bào có khả năngtạo dạng tế bào - đơn -Phân nhóm gen: +Nhóm gen tạo sản phẩm cần thiết cho hoạt động sống tế bào – nhóm gen nội trợ + Nhóm gen phân hoá bậc + Nhóm gen phân hoá bậc + Nhóm gen biệt hoá Sự phát triển theo không gian – phát triển theo hình mẫu thiết kế - Khi tạo khối tế bào chúng tiếp thu thông tin phát triển hình mẫu thiết kế Trước tiên tế bào phải liên lạc với để có phát triển hướng mẫu (morphogen) - Nhờ phát đột biến HOM tức gen tạo sản phẩm định hình mẫu phát triển (Homeobox) -Một đột biến điển hình ruồi: thay vị trí mọc hai râu hai chân - Nhóm gen Homeobox thường giống hoàn toàn đoạn Homeo (280 đôi Nu ứng với khoảng 60 aa) Các gen HOM phát nhiều sinh vật Các gen hoạt hoá theo dạng vệt dòng tế bào thân Vệt định phát triển hình mẫu không gian thiết kế II Thông tin di truyền vùng mô thực vật Sự phát triển vùng mô mối tương quan - Quá trình phát triển thực vật thể rõ nét đỉnh sinh trưởng, đỉnh sinh trưởng có hai trình: phân chia (nhóm tế bào đỉnh) phân hoá (nhóm tế bào đỉnh) - Phát triển theo trục thân – phân hoá chồi cành – - hoa - Mọi phát triển đỉnh sinh trưởng tiến hành theo hai chế tự động chịu tác động ngoại cảnh - Mô hình tạo hoạt hoá đỉnh sinh trưởng: nhiệt độ, ánh sáng Hoạt hoá gen Phân bào đỉnh sinh trưởng (lục lạp) Chu trình trao đổi chất (quang hợp) Mô hình biểu kiểu hình tính trạng Phản ứng hoa - Chịu tác động ngoại cảnh hoocmon mà định hoa dạng cây: + Trung tính + Ngày ngắn + Ngày dài - Để giải thích hoa điều kiện ngày dài, ngày ngắn người ta đưa lý thuyết tạo hoocmon hoa (gibbrlelin + chất hoa- antexin) Cây ngày ngắn tạo antexin: Gibblelin tạo ngày dài ngày ngắn Cây ngày dài : antexin tạo dài ngắn, gibblelin tạo điều kiện ngày dài III Tiềm thích ứng thực vật Một số khái niệm, phân loại - Thích ứng phát triển cá thể: chu kỳ sống biểu thông tin tác động môi truờng - Phương thức sinh sản: sinh sản tạo đa dạng quần thể, mức độ đa dạng tuỳ thuộc biên độ lớn nhỏ đa dạng di truyền, biên độ biểu tính trạng nhiều hay Kiểu gen đa dạng di truyền chịu tác động yếu tố môi trường dẫn đến sàng lọc kiểu gen thích ứng – phát triển thích ứng quần thể - Hệ thống gen trình phát triển cá thể phân loại theo mục tiêu, tiêu chí Nếu gen định tính trạng phát triển cá thể : F; định hệ thống sinh sản tạo quần thể phân ly kiểu hình: R - Quan hệ hai thích ứng: Hai thích ứng có mối quan hệ ảnh hưởng qua lại với + Nếu thích ứng F cao – biến dị thường biến đáp ứng thay đổi môi trườngdẫn tới biến dị di truyền – làm giảm R ngược lại - Phải phân biệt: + Sự thích ứng tính thích ứng + Sự thích nghi tính thích nghi Đặc điểm thích ứng phát triển cá thể thích ứng phát triển quần thể a Đặc điểm thích ứng phát triển cá thể - Thích ứng sinh lý khả giữ ổn định mức tối ưu phản ứng trao đổi chất có biến đổi môi trường - Thích ứng hình thái giải phẫu biểu kiến trúc tương quan để đáp ứng lại biến đổi môi trường - Khi nghiên cứu phản ứng thích ứng Những giai đoạn khủng hoảng thích ứng phát triển cá thể thực vật - Phát triển cá thể thực vật trải qua giai đoạn nhau, loài giống loài có phản ứng khác với yếu tố môi trường - Mỗi dạng thích ứng đặc trưng giai đoạn khủng hoảng tức giai đoạn phát triển cá thể mẫn cảm với tác động bất lợi môi trường, giai đoạn khả chống chịu so với giai đoạn khác, hệ thống điều hoà thích ứng mức tối ưu bị suy giảm như: quang hợp, quang hô hấp, vận chuyển nước, vận chuyển vật chất, khó điều khiển mức tối ưu có bất lợi xảy Ví dụ thực vật giai đoạn khủng hoảng lớn nở hoa hay từ phát triển sinh dưỡng – sinh thực, giai đoạn - Nhhư thực tiễn phải nghiên cứu hai mặt: nghiên cứu chống chịu tốt giai đoạn khủng hoảng, hai tránh trùng khớp giai đoạn khủng hoảng tác động bất lợi ngoại cảnh Đặc điểm tiến cận chất di truyền biểu thíchứng trồng - Kiểm soát di truyền tính trạng thích ứng phức tạp 1, hay nhiều gen có tương tác khác Khi nghiên cứu tiếp cận ta cần phân lập cấu phần, phản ứng chhỉ thị để đánh giá thích ứng - Tích chất hợp quan hệ qua lại hệ thống thích ứng - Các kiểu dị hợp tử hay kiểu lai F1 thường có khả chống chịu tốt giống thuần, hiệu ưu lai - Các kiểu dại, kiểu đa bội dại thường có khả thích ứng cao Chương Thích ứng phát triển cá thể thích ứng quần thể trồng I Cơ sở di truyền đặc điểm thích ứng trồng tới tác động bất lợi điều kiện ngoại cảnh Tác động nhiệt độ bất lợi - Nhiệt độ bất lợi: + Nhệt độ cao: chịu nhiệt độ cao + Nóng: chịu nóng + Nhiệt độ thấp: chịu lanh, chịu giá rét -> Giới hạn chịu nhiệt độ loài phạm vi định Vì chia nhóm sinh vật : ưa nóng, ưa ẩm, ưa lạnh, ưa mát - Khi có điều kiện bất lợi ảnh hưởng đến hoạt động sống cường độ quang hợp, hoa, đậu quả, khả hấp thu chất khả dẫn chuyền - Đặc điểm chịu nóng + Ở điều kiện nóng chịu dựng tốt thể chúng có dạng protein bền với nhiệt độ cao + Bảo toàn hoạt tính hoocmon enzim hô hấp xitokinin, βgalactoxidase + Một số loài phát triển trình phát triển chuyển nước từ đất lên nhờ cường độ thoát nước cao + Cây chịu nóng có protein choáng nhiệt tổng hợp mạnh so với mẫn cảm + Đặc điểm chịu nóng thường liên quan đến đặc điểm chịu hạn - Đặc điểm chịu lạnh + Chậm sinh trưởng, chậm hình thành quan sinh sản (hoa), giảm xitokinin rễ, giảm hấp thu ion ỏơ nước – héo + Nhiệt độ lạnh giảm cường độ tổng hợp số chất, thay đổi hoạt tính nhiều enzim, tăng độ keo TB - Đặc điểm di truyền tính chịu nhiệt dộ cao thấp + Khi đánh giá vấn đề gặp nhiều khó khăn Đánh giá hai góc độ: tính chống chịu chung phát đặc điểm cụ thể + Ví dụ: lúa mì: Gen kiểm tra tính chịu rét nằm nhiều NST khác nhau, đưa thể lai F1 F2 điều kiện bình thường chống rét thể trội, điều kiện rét thể siêu trội Tác động bất lợi chế độ nước a Một số chế liên quan đến chịu hạn Sinh vật có hai chế cân : tránh hạn chịu hạn - Tránh hạn: + Bộ rễ ăn sâu, tốc độ vươn nhánh lấy nước + Hiệu làm việc hệ thống thoát nước khí khổng hay hệ thống lông + Biến dạng cấu trúc lá: quăn nhỏ lại để tránh thoát nước + Tăng số lượng ống dẫn nước + Rút ngắn chu kỳ sống để tránh hạn - Chịu hạn: quy định trình + Cơ chế điều khiển áp suất thẩm thấu + Cây phải xuất trình làm giảm nước (tích luỹ nước) phận tăng cường (bộ phận non) Trong trình trồng có chế phát triển hợp chất hoà tan để có độ giữ nước cao tế bào -> tăng độ ngậm nước hạn chế dòng chảy nước từ tế bào - tế bào + Những huấn luyện chịu hạn từ giai đoạn nhỏ xảy hạn điều khiểm áp suất thẩm thấu tốt + Khi úng đất bị tích tụ nhiều ion gây độc cho thiếu oxi trầm trọng – làm giảm khả hút vận chuyển chất b Bản chất di truyền tính chịu hạn - Chịu hạn góc độ tổng quát phức tạpdo nhiều gen kiểm soát tấê phải vào khía cạnh như: + Khả giữ nước cao 1,2, gen kiểm soát + Hàm lượng axit abxixic tăng liên quan đến khả chịu hạn tính chất gen kiểm soát + Ví dụ: biểu hoạt động khí khổng tốt, đóng điểu kiện hạn thể trội F1 + Hàm lượng axit clolin tăng – liên quan đến khả chịu hạn - Thường tính tránh hạn nghiên cứu dễ chịu hạn kiểm soát di truyền - Khi nghiên cứu tính chịu hạn trồng gặp nhiều khó khăn chịu tác động yếu tố khác nhiệt độ - Các gen tham gia vào chế tránh chịu hạn chúng tạo nên khối đồng liên kết (khối gen liên kết) Tác động bất lợi ánh sáng a Ở sinh vật có ưa sáng, ưa bóng ưa ánh sáng trung bình - Ánh sáng có vai trò quan trọng giai đoạn đầu, cần thiết giai đoạn tăng trưởng cây, không đủ sáng yếu chậm phát triển hoa Nếu ánh sáng gay gắt vào giai đoạn phát triển mạnh chịu ảnh hưởng lớn bị héo - Ánh sáng yếu nhạt, giảm clorophin, mềm lớp bảo vệ, vỏ yến, vươn dài lóng b Bản chất di truyền tính thích ứng ánh sáng bất lợi - Phản ứng quang chu kỳ có kiểm soát di truyền , đa dạng Ví dụ: quan hệ ngày dài trung tính thuốc gen kiểm soát đối tượng khác gen kiểm soát, lúa hay nhiều gen kiểm soát - Ánh sáng bất lợi liên quan đến biến đổi cường độ quang hợp Một số tác động bất lợi khác Ví dụ: mặn, phèn II Cơ sở di truyền tính chống chịu trồng tới tác động bệnh hại Các khái niệm phân loại - Cơ chế kháng bệnh: liên quan tới nhu kỳ sinh trưởng tránh lúc bệnh phát triển mạnh Cấu trúc giải phẫu hình thái tránh nhiễm bệnh hệ thống lông, hệ thống vỏ dày - Cơ chế miễn dịch: Cây không bị nhiễm bệnh hoàn toàn không tương hợp sinh lý ký sinh ký chủ - Cơ chế kháng hay chống bệnh: có khả chống lại tác động bệnh dẫn tới mức độ biểu kháng khác quần thể - Cơ chế chịu bệnh: bị nhiễm bệnh biểu bệnh nhẹ điều kiện nặng điều kiện khác - Mẫm cảm: mức độ khác cảu điều kiện vấn đề chế kháng bệnh chia hai nhóm kháng kháng thẳng kháng ngang: + Kháng thẳng hay kháng dọc đặc thù phản ứng có tính chất phân hoá với chủng dạng bệnh dẫn tới không nhiễm chủng Cơ chế ngăn cản không cho lan truyền bệnh nhanh sau hình thành vết bệng nhỏ (siêu mẫn cảm) Dạng kháng gen, đơn gen hay kiểm soát + Kháng ngang (kháng không đặc thù, kháng đồng ruộng, kháng chung) Cây trồng phản ứng phân hoá tới chủng mà có tranh kháng chung tới tất chủng loài bệnh Biểu kháng phải đánh giá thống kê biến động từ nhẹ - nặng Đặc điểm biểu dạng kháng liên quan đến yếu tố khác, điều kiện canh tác phận khác + Cơ chế phối hợp hay quan hệ hai dạng kháng thể hiện: kháng thẳng liên quan tới làm giảm hay hạn chế trình khởi đầu gây bệnh Kháng ngang liên quan tới làm chậm, hạn chế trình phát triển lây truyền bệnh Nếu ta thêm hướng đưa gen kháng thẳng hạn chế kháng ngang Bản chất di truyền tính chống chịu bệnh hại trồng a.Thể gây bệnh (ký sinh) -> + Có máy di truyền đơn giảnhơn + Có mức độ biến dị cao + Tính độc gen kháng kiểm soát Ký chủ + Có máy di truyền phức tạp + Tốc độ biến dị đột biến chậm + Tính chống chịu gen kiểm soát Các yếu tố môi trường b Các hệ gen tham gia vào tính kháng trồng - Đơn gen (monogenic) - Đồng gen (olygogenic): gen chủ + tác động tương hỗ trợ gen phụ để tạo lên tính kháng thay đổi độ lớn - Đa gen (nhiều gen khác tham gia vào phản ứng kháng chúng có tương tác đa dạng) - Các gen bào chất (ty thể, lạp thể ) c Biểu đa hiệu phản ứng kháng Ví dụ: phản ứng kháng olygogenic Ví dụ: kháng bệnh thối củ hành gen R kiểm soát có liên quan đến hiệu đa hiệu vảy màu đỏ củ d Lý thuyết gen đối gen – antigen - Ứng với gen gây bệnh thể ký sinh có gen kháng ký chủ Ở chủ yếu giải thích liên quan đến kháng thẳng -Phép ô vuông để kiểm định lý thuyết gen đối gen Theo lý thuyết gen đối gen trồng trình tạo biến dị chậm so với biến dị xảy thể gây bệnh nên khó đáp ứng chống chịu Trong thực hành dạng bệnh nhanh biến đổi chủng áp dụng kháng thẳng hiệu cần sử dụng kháng ngang để tăng cường khả kháng bệnh e Góc độ bệnh học phân tử - Các chế gây bệnh – kháng bệnh Cở sở di truyền – sinh thái hệ thống ký sinh- ký chủ, phản ứng chống chịu hệ thống thích ứng chung vàthích ứng đặc thù trồng - Quan hệ ký sinh – ký chủ thiết lập mối quan hệ tam giác có thêm thành phần thứ ba yếu tố môi trường Ký sinh Ký chủ Môi trường Ký sinh thích ứng tốt, ký chủ thính ứng -> dịch bệnh Ký sinh thích ứng kém, ký chủ thích ứng tốt -> chống chịu -> mối cân tồn không gian Như vùng sống tạo chế đồng tiến hoá ký sinh ký chủ Biến dị protein thể gây bệnh song hành với biến dị gen hay protein trồng từ xuất kiểu gen chống bệnh, xuất gen có phản ứng rõ nét với chủng bệnh gọi kháng thẳng hay kháng đơn gen Còn số lượng gen khác ảnh hưởng chung tới trình gây bệnh đồng thời chúng có liên quan tới phản ứng chống chịu tạo nên hệ thống gen kháng đồng ruộng hay kháng ngang Như biến dị xảy ký sinh đồng thời cũgn phải xảy ký chủ Ở trung tâm hình thành trồng dễ hình thành gen kháng đặc thù Các gen kháng bệnh khác dễ dàng hình thành khối đồng thích ứng, đồng thời gen bệnh dễ dàng tạo khối đồng thích ứng với gen kháng yếu tố bất lợi khác - Nếu ta xem xét kháng bệnh cấu phần hệ thống thích ứng ta có sơ đồ diễn tả sau: Như bệnh coi yếu tố môi trường III Kiểm tra di truyền tần số tái tổ hợp Tổng quát vai trò hệ thống sinh sản kiến tạo biến dị di truyền - Các hệ thống sinh sản khác -> xuất biến dị di truyền phân ly khác - Trong thể sinh vật có yếu tố di truyền + tác dụng môi truyền điều khiển mức độ đa dạng quần thể phân ly Ảnh hưởng kiểu nhân, đột biến gen tới tần số trao đổi chéo - Đặc điểm cấu trúc thân NST có liên quan tới trình trao đổi chéo Ở vùng xung quanh tâm động, vùng dị nhiễm sắc NST trao đổi chéo xảy Càng xa tâm động, trao đổi héo có xu hướng tăng Vùng đầu mút NST xảy trao đổi chéo - Vùng di nhiễm sắc trao đổi chéo biến động mạnh đước tác động môi trường - Đảo đoạn, chuyển đoạn, đoạn làm giảm tần số trao đổi chéo - Đột biến số lượng NST (thể một, thể không) gây giảm tần số trao đổi chéo - Các yếu tố di động genom ảnh hưởng tới trình trao đổi chéo Ảnh hưởng yếu tố giới tính tuổi sinh lý a Ảnh hưởng yếu tố giới tính - Ở nhiều sinh vật, yếu tố giới tính có ảnh hưởng tới tần số trao đổi chéo Ví dụ: ruồi, tằm - Sự sai khác đáng kể tần số trao đổi chéo giao tử đực thấy nhiều đốitượng Ví dụ: Cá đực XY trở thành cá tác động hoocmon, tần số trao đổi chép tăng lần so với tần số đực bình thường - Có sai khác tần số trao đổi chéo giảm phân tế bào mẹ hạt phấn tế bào mẹ đại bào tử thực vật b Ảnh hưởng tuổi sinh lý - Ở cà chua, tần số trao đổi chéo chùm hoa đầu cao (tăng gấp lần) so với chùm hoa Tác động yếu tố ngoại cảnh - Trong điều kiện khó khăn nghèo dinh dưỡng F cho tấnố trao đổi chéo tăng - Yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể tới thay đổi tần số trao đổi chéo - Các tác nhân vật lý, hoá học khác có tác động làm thay đổi tần số trao đổi chéo IV F1 tiềm biến dị, ý nghĩa diều khiển trình tái tổ hợp chọn giống Các yếu tố hạn chế phổ tần số biến dị di truyền quần thể phân ly - Mức độ dị hợp tử gen lai F có liên quan tới mức độ đa dạng kiểu gen quần thể phân ly F2 Các biến dị tái tổ hợp quần thể phân ly thu hai chế: + Sự phân ly gen độc lập + Trao đổi chéo gen liên kết - Mục tiêu chọn giống cần tạo quần thể chọn lọc đa dạng có phổ rộng kiểu biến dị tái tổ hợp tần số chúng tăng, để có hội chọn lọc kiểu hiếm, có giá trị chọn giống - Những chế di truyền gây lên hạn chế việc xuất biến dị di truyền quần thể phân ly từ kiểu dị hợp tử : + Những hạn chế liên quan tới ảnh hưởng làm giảm tần số trao đổi chéo gen NST kiểu nhân + Sự gặp gỡ giao tử không mang tích chất ngẫu nhiên mà có tính chọn lọc, số kiểu giao tử có cạnh tranh -> hạn chế xuất số kiểu tổ hợp + Tác động chọn lọc lên giai đoạn khác vòng sống thể: hợp tử, phôi, non, dẫn tới số kiểu tái tổ hợp, mà chúng mang ý nghĩa cao cho vật liệu chọn giống -> đưa biện pháp khác phục hạn chế nhằm tăng cường trình thực hoá biến di di truyền tiềm F 1, để thu quần thể phân ly có tần số phổ biến dị lớn, đáp ứng cho việc chọn lọc Cảm ứng tần số trao đổi chéo Chọn lọc giao tử chọn lọc hợp tử, phôi V Quan hệ phối hợp tiềm thích ứng phát triển cá thể thích ứng quần thể Quan hệ thường biến đột biến Các khối đồng thích ứng gen - Đó khối liên kết gen chặt, di truyền thể thống nhất, trọn vẹn Những khối liên quan tới NST trọn vẹn, đoạn NST đó, mà đáy hiếm, không xảy trao đổi chéo - Các gen khối tương tác với theo nhiều phương thức, tạo nên giá trị thích ứng tốt tới môi trường sống - Sự ức chế trao đổi chéo khối số nguyên nhân sau: Tồn đảo đoạn hay chuyể n đoạn, vùng không xảy hình thành chiasma, gen liên kết sát - Ở sinh vật tồn nhiều khối đồngthích ứng gen khác Tính chất hai cấu phần hệ thống gen loài, ý nghĩa tiến hoá ... niệm: Hệ số di truyền (khả di truyền) di n tả phần đóng góp sai khác di truyền biến dị kiểu hình chung tính trạng quần thể δ 2g δ 2g H = = δ p δ g + δ 2e b Ước lượng: - Hệ số di truyền biến... x Tiếp cận di truyền – khái niệm hiệu ứng: cộng, trội, tương tác - Tính trạng số lượng tính trạng có nhiều kiểu gen, nhiều kiểu tương tác kiểm soát độ lớn tính trạng - Hiệu ứng di truyền tương... hay TPGMS - Ứng dụng: sử dụng hệ thống hai dòng IV.Bất dục đực tế bào chất (Cytoplasmic male sterility –CMS) Hiện tượng, đặc điểm truyền hệ thống dòng a Khái niệm, nguyên nhân, chế di truyền kiển