Người ta phân biệt biến dị làm 2 loại:
- Biến dị không di truyền (biến dị phenotip/ thường biến). - Biến dị di truyền (biến dị genotip):
Phenotip là toàn bộ các tính chất sinh lý và hình thái của mỗi cá thể. Nó là biểu hiện bên ngoài của genotip trong những điều kiện ngoại cảnh cụ thể.
Genotip là tập hợp của tất cả các gen có trong tế bào, nó xác định toàn bộ các tính chất của cơ thể. Ở nnững điều kiện ngoại cảnh khác nhau, các tính chất đó có những biểu hiện khác nhau. Nhưng genotip duy trì sự cố định tương đối của các tính chất trong bất cứ điều kiện nào, chính nhờ vậy mà ta có thể phân biệt các loài vi sinh vật với nhau.
1. Biến dị phenotip (Thường biến):
Thường biến là những biến đổi về phenotip của vi sinh vật mà nguyên nhân không phải do những biến đổi trong bộ máy di truyền của tế bào gây ra. Thường biến xuất hiện dưới tác động của các nhân tố ngoại cảnh và thường quan sát thấy khi vi sinh vật sinh trưởng và sinh sản trong những môi trường khác nhau. Những biến đổi này xuất hiện chậm và bị mất đi khi nhân tố gây ra chúng ngừng tác động.
Ví dụ:
- Azotomonas tạo thành khuẩn lạc lớn, nhầy khi môi trường có saccharoza.
- Khi cho thêm penixilin vào môi trường nuôi cấy thì tế bào vi khuẩn sẽ dài ra.
- Khi cho vào môi trường 0,1% pepton thì sau 48 giờ xuất hiện 100% bào tử ở vi khuẩn, còn nếu cho vào 2% thì chỉ
quan sát thấy những dạng dinh dưỡng.
2. Biến dị genotip:
a. Đột biến:
* Khái niệm: đột biến là sự biến đổi sai lệch một cách ngẫu nhiên hay cảm ứng phân tử axit nucleic của nhân, đã dẫn đến biến đổi genotip của tế bào vi sinh vật.
* Các loại đột biến:
- Đột biến tự phát (hay đột biến ngẫu nhiên): là đột biến tự nó phát sinh, thường xảy ra với tần số thấp.
- Đột biến cảm ứng ( hay đột biến gây tạo) là đột biến xuất hiện do các tác nhân gây đột biến. Có nhiều tác nhân gây đột biến và mỗi tác nhân khác nhau có thể tác động lên tế bào vi sinh vật theo những con đường khác nhau. Người ta chia tác nhân đột biến thành 2 loại:
+ Tác nhân hoá học bao gồm các axit vô cơ, phenol, phomandehit, pH
môi trường, các chất đồng đẳng của purin, pirimidin...
+ Tác nhân vật lý bao gồm các tia cực tím hay các tia bức xạ ion hoá (tia X, γ, α, β...), nhiệt độ...
b. Sự trao đổi di truyền ở vi khuẩn:
Ở tế bào nhân thật khi thụ tinh các bộ gen đơn bội kết hợp với nhau tạo thành một hợp tử lưỡng bội. Qua vài lần phân chia hợp tử diễn ra sự tái tổ hợp giữa 2 bộ gen và sự giảm phân thành bộ gen đơn bội (giao tử).
Tuy nhiên tái tổ hợp ở tế bào nhân nguyên thuỷ có nhiều điểm khác: vi khuẩn luôn là đơn bội. Hợp tử của chúng không phải là sản phẩm kết hợp của các tế bào. Thường chỉ một phần ADN từ tế bào cho được truyền sang tế bào nhận, do đó xuất hiện hợp tử từng phần (hợp tử không toàn vẹn). Sau khi ADN được chuyển, trong tế bào nhận sẽ diễn ra tái tổ hợp: ADN của tế bào nhận và đoạn ADN của tế bào cho ghép đôi và trao đổi đoạn tạo ra thể tái tổ hợp. Khi phân chia nhân và phân bào tiếp theo sẽ xuất hiện các tế bào chỉ chứa nhiễm sắc thể đã tái tổ hợp. Như vậy, lượng thông tin trong tế bào nhận không tăng lên. Nó vẫn như cũ nhưng chất lượng thông tin thì bị thay đổi, bởi vì đoạn ADN của tế bào cho đã trao đổi với ADN của tế bào nhận. Tuỳ theo cách vận chuyển ADN, người ta phân biệt 3 kiểu truyền tính trạng ở vi khuẩn, đó là biến nạp, tiếp hợp và tải nạp. Hay nói cách khác, có 3 con đường cơ bản truyền nguyên liệu di truyền đã được biết đến ở vi khuẩn, đó là biến nạp, tiếp hợp và tải nạp.
Định nghĩa: Biến nạp là sự biến đổi genotip của vi khuẩn dưới ảnh hưởng của ADN nhận được từ vi khuẩn cho ADN dưới thể dung dịch do một vi khuẩn thể cho giải phóng ra, được truyền đi không có sự can thiệp của một nhân tố cấu trúc nhiễm sắc thể hoặc epixom, hoặc của phage vi khuẩn vectơ. Như thế một nòi vi khuẩn bị biến đổi về mặt di truyền do tiếp thu ADN của vi khuẩn thuộc nòi khác.
Thí nghiệm của Grifith:
Hiện tượng biến nạp được Griffith phát hiện năm 1928 trên vi khuẩn gây bệnh viêm phổi Diplococcus pneumoniae.
- Ở dạng bình thường, khi phát triển trên môi trường thạch tạo ra khuẩn lạc nhẵn bóng, gọi là khuẩn lạc dạng S do có lớp vỏ nhầy. Đây là dạng gây bệnh.
- Khi bị đột biến, mất khả năng tạo vỏ nhầy nên chúng có khuẩn lạc nhăn nheo, gọi là khuẩn lạc dạng R. Dạng này không gây bệnh.
Nếu đem dịch huyền phù vi khuẩn dạng S đã bị giết chết bằng nhiệt độ, hoặc dạng R còn sống tiêm cho chuột thì chuột không bị bệnh. Nhưng nếu đem trộn dạng S đã bị giết chết bằng nhiệt độ và dạng R còn sống tiêm cho chuột thì chuột sẽ bị chết. Từ máu của những con chuột bị chết, ông đã tách ra được những vi khuẩn dạng S điển hình. Điều này nhứng tỏ các vi khuẩn dạng S đã chết đã truyền khả năng tạo vỏ nhầy cho các tế bào dạng R còn sống và làm cho chúng trở thành các tế bào dạng S.
Từ đó tác giả kết luận rằng: có một chất nào đó trong dung dịch huyền phù của vi khuẩn có vỏ nhầy đã chết chuyển sang tế bào vi khuẩn không có vỏ nhầy đang sống và làm cho nó có khả năng tạo nên vỏ nhầy. Vật chất đó gọi là nhân tố biến nạp.
Bản chất của nhân tố biến nạp: cho đến năm 1944, bản chất của nhân tố biến nạp mới được Avery Macleot và Maccathy khám phá ra, đó chính là ADN. Khi biến nạp mới được Avery Macleot và Maccathy khám phá ra, đó chính là ADN. Khi đun nóng dịch nuôi cấy tế bào vi khuẩn dạng S, các tế bào này bị phá huỷ và giải phóng ra môi trường những phân tử ADN. Những phân tử này khi tiếp xúc với các tế bào sống dạng R đã trực tiếp thấm vào nó và truyền cho nó khả năng tạo vỏ nhầy.
Điều kiện xảy ra biến nạp:
- Các vi khuẩn nhận chỉ nhận ADN biến nạp khi thành tế bào có sự thay đổi dưới tác động của những điều kiện nuôi cấy nhất định (pH, nhiệt độ, sự khuấy lắc...).
- Chỉ những đoạn ADN có phân tử lượng từ 105 – 107 mới được truyền đi trong biến nạp. Hơn nữa mỗi đoạn ADN biến nạp tương ứng với khoảng 1/200 – 1/500 hệ gen của tế bào cho.
- Thành phần môi trường cũng ảnh hưởng đến tần số biến nạp. Ví dụ: anbumin làm tăng tần số biến nạp, trong khi cazein lại làm giảm tần số biến nạp.
- Nhiệt độ thích hợp cho sự biến nạp là 29 – 32oC.
- Các tế bào nhận có thể nhận bất kỳ đoạn ADN biến nạp nào nhưng nó sẽ
Hiện tượng biến nạp phổ biến rộng rãi ở nhiều giống khác nhau như:
Diplococcus, Hemophilus, Staphylococcus, Agrobacterium, Rhizobium, Bacillus, Xanthomonas.
Các giai đoạn của quá trình biến nạp:
Sự xâm nhập của ADN ngoại lai vào tế bào biến nạp xảy ra vài phút sau khi tiếp xúc. Ngay sau khi xâm nhập vào, ADN trở thành một mạch duy nhất có tính chất trùng hợp cao, mạch kia tan rã thành một thành phần hoà tan trong axit. Sự tách riêng 2 mạch này rất quan trọng, chỉ một mạch được thu hút vào trong vi khuẩn, do đầu mút của nó gặp một phân tử dezoxiribonucleaza. Sự kết đôi đặc hiệu của khúc ngắn ADN đã xâm nhập với một vùng đồng đẳng của hệ gen của vi khuẩn tiếp nhận, tiến hành trên một đoạn kép của nhiễm sắc thể chứ không phải trên một đoạn bổ sung.
Sử dụng biến nạp trong nghiên cứu cấu trúc gen:
Hiện tượng biến nạp là một phương tiện phân tích di truyền. Nó cho phép định vị vị trí bản đồ trên bản đồ di truyền của một nòi vi khuẩn trên những vùng rất nhỏ hoặc của một gen quyết định một tính trạng. Người ta có thể làm vô hiệu bằng đột biến nhiều enzim của vi khuẩn và tái tổ hợp bằng biến nạp. Nó cho phép phân tích những đặc điểm và chức năng của vi khuẩn không thể nghiên cứu bằng sự tiếp hợp được, phát hiện những gen kiểm soát sự hình thành vỏ nhầy, sự đề kháng với kháng sinh, nghiên cứu quá trình nha bào hoá, đặc tính cố định nitơ phân tử trên những vi khuẩn Rhizobium.
Hiện tượng biến nạp có một tầm quan trọng to lớn trong sinh học vì nó cho phép xác định rằng sự tổng hợp protein được đặt dưới sự kiểm soát của ADN. Nó mở đường cho di truyền học hoá học. Nó cho thấy rằng khi có một đột biến thì có một biến đổi ADN.
Nhờ hiện tượng biến nạp mà người ta nghiên cứu về cấu trúc gen và chúng ta biết được rằng: gen chưa phải là đơn vị nhỏ nhất của vật chất di truyền. Trong gen
còn có các locus khác, những locus này đều xác định dấu hiệu mà gen xác định, tuy
nó ở vị trí khác nhau của gen. Từng locus này có thể xảy ra tái tổ hợp trong quá trình biến nạp.
* Tiếp hợp (Conjugation):
Định nghĩa: hiện tượng tiếp hợp là hiện tượng truyền một phần vật chất di truyền theo một chiều từ vi khuẩn cho đến vi khuẩn nhận bằng con đường tiếp xúc trực tiếp giữa 2 tế bào.
Thí nghiệm của Lederberg và Tatum:
Năm 1946 hai tác giả đã tiến hành lai tạo giữa những thể đột biến sinh trưởng của biến chủng E. coli K12.
- Vi khuẩn dòng thứ nhất mang ký hiệu A+B+C-D-, tức là có khả năng tổng hợp axit amin A, B nhưng không có khả năng tổng hợp axit amin C, D.
- Vi khuẩn dòng thứ hai mang ký hiệu A-B-C+D+, tức là không có khả năng tổng hợp axit amin A, B nhưng có khả năng tổng hợp axit amin C, D.
Khi đem 2 dòng đột biến này nuôi cấy trên môi trường tối thiểu (chỉ có khoáng và cacbon) thì sẽ không xuất hiện khuẩn lạc. Nhưng nếu trộn 2 dòng đột biến này với nhau rồi cấy trên môi trường tối thiểu thì lại thấy xuất hiện khuẩn lạc với tần số 10-6. Điều đó chứng tỏ: bằng con đường nào đó, 2 dòng vi khuẩn nói trên đã trao đổi thông tin di truyền với nhau để tạo thành các tế bào tái tổ hợp A+B+C+D+.
Qua nhiều thí nghiệm người ta đã chứng minh được rằng: việc tiếp xúc trực tiếp giữa 2 tế bào là điều kiện thiết yếu để trao đổi vật liệu di truyền.
Yếu tố giới tính F: Hiện tượng tiếp hợp có liên quan chặt chẽ đến sự có mặt của một tác nhân “gây nhiễm” gọi là yếu tố giới tính (yếu tố F – Fertility). Yếu tố này được cấu tạo bởi một phân tử ADN có kích thước khoảng 2/100 chiều dài nhiễm sắc thể của vi khuẩn. Những vi khuẩn chứa yếu tố F gọi là vi khuẩn đực hay vi khuẩn F+, còn những vi khuẩn không chứa nhân tố F thì gọi là vi khuẩn cái hay vi khuẩn F-.
Yếu tố F gây ra một lực gọi là lực tiếp hợp, nhờ lực này mà vi khuẩn đực tiếp xúc được với vi khuẩn cái. Trong tất cả các tế bào F+ người ta đã phân lập được một loại tế bào có khả năng truyền hệ gen đi với tần số rất cao, khi lai các tế bào này với tế bào F- sẽ cho các tế bào tái tổ hợp nhiều hơn hàng ngàn lần khi lai F+ với F- thông thường. Người ta gọi các tế bào này là tế bào Hfr (high frequency of recombinants = tần số cao của các thể tái tổ hợp).
Cũng như hiện tượng biến nạp, hiện tượng tiếp hợp không phải là tính chất chung của vi khuẩn. Hiện nay quá trình này được nghiên cứu nhiều ở E. coli, Shigella, Salmonella, Pseudomonas aeruginosa. Điều đặc biệt là không một loài vi khuẩn nào có khả năng biến nạp lại tỏ ra có khả năng tiếp hợp.
* Tải nạp (Transduction):
Định nghĩa: tải nạp là hiện tượng truyền những đoạn thông tin di truyền từ tế bào cho sang tế bào nhận qua khâu trung gian là thực khuẩn thể.
Thí nghiệm của Zinder và Lederberg: hiện tượng này được 2 tác giả phát hiện năm 1952 khi nghiên cứu trên vi khuẩn thương hàn (Salmonella typhimurium).
- Vi khuẩn không bị đột biến ký hiệu 2A có genotip T+ (có khả năng tổng hợp triptophan).
- Vi khuẩn bị đột biến ký hiệu 22A có genotip T- (không có khả năng hợp triptophan).
Đem 2 loại vi khuẩn này nuôi cấy vào 2 nhánh của một ống thuỷ tinh hình chữ U ở giữa được ngăn cách bằng một màng lọc vi khuẩn. Sau một thời gian, đem nòi 22A nuôi cấy trên môi trường thiếu triptophan thì lại thấy xuất hiện khuẩn lạc, điều này chứng tỏ một số tế bào 22A mang đặc điểm của nòi 2A.
Qua nhiều thí nghiệm, các tác giả đã chứng minh được rằng: hiện tượng trên
chỉ xảy ra khi trong môi trường có mặt thực khuẩn thể ôn hoà PLT – 22. Vậy nhân tố tải nạp chính là là thực khuẩn thể ôn hoà. Thực khuẩn thể ôn hoà và vi khuẩn tiếp xúc với nhau, thực khuẩn thể phá vỡ tế bào vi khuẩn rồi đi vào trong tế bào, ở đây nó gắn vào hệ gen của vi khuẩn rồi chui ra và đem đến cho vi khuẩn nhận.
Các kiểu tải nạp:
- Tải nạp chung: - Tải nạp đặc hiệu: - Tải nạp ngừng trệ.
Ứng dụng của quá trình tải nạp:
Tải nạp giúp ích rất nhiều cho việc phân tích bản chất phức tạp của những vùng ADN mà người ta quy ước gọi là gen, tức là những vùng riêng biệt kiểm soát một tính trạng (hay nói đúng hơn kiểm soát việc tạo thành một enzim).
Tải nạp là một phương pháp phân tích di truyền học có 2 ưu điểm lớn:
- Phát hiện được những hiện tượng như tái tổ hợp xảy ra giữa 2 thể dị dưỡng
không giống hệt nhau, thậm chí trong trường hợp tải nạp được thực hiện với tần số thấp.
- Trong tải nạp ngừng trệ có tính trạng giống như trạng thái dị hợp tử ở sinh vật bậc cao, nghĩa là trong cùng một tế bào có thể có những gen giống hệt nhau
mang những biến đổi khác nhau.