KHẢ NĂNG KẾT HỢP & TƯƠNG TÂC GEN
4-1. NGUYÍN TẮC CHUNG
Có hai đặc điểm chủ yếu của giả thuyết đa yếu tố (multiple factor):
- Câc yếu tố điều khiển (governing) hay câc gen được di truyền theo kiểu Mendel. - Câc yếu tố có ảnh hưởng đối với tính trạng năo đó, trong điều kiện quan sât giống nhau so với yếu tố khâc, chúng ta có sự bổ sung cho nhau, vă tạo thănh mối quan hệ có tính chất biến dị không di truyền, hoặc lă trong một biến dị tổng thể, trong đó sự không liín tục (discontinuities) trở nín khó phđn biệt trong sự phđn bố kiểu hình.
Thật lă phức tạp khi đề ra lý thuyết về hệ thống đa gen (polygenic) hoặc đa yếu tố (multifactorial). Câc gen cấu trúc sẽ có những ảnh hưởng không giống nhau vă chúng được sao chĩp bởi câc yếu tố không di truyền (non-heritable agencies), những câ thể không dễ dăng được nhận diện trong câc hệ thống như vậy. Bởi vì câc gen đó không tuđn thủ theo nguyín tắc Mendel, chúng ta lăm thế năo để tin chắc rằng: nó thực sự có trín nhiễm sắc thể vă điều khiển sự di truyền như Mendel phât hiện.
Mặt khâc còn ảnh hưởng của sự lai đảo (reciprocal).
Giả sử câc tính trạng được điều khiển bởi đa gen - tính trạng có tính biến thiín liín tục (continuously variable), nó không thường xuyín như trong trường hợp tính trạng có tính biến thiín không liín tục (discontinuously variable). Do đó cả hai bố mẹ thường tham gia một câch cđn đối văo kíểu gen của con lai về phương diện di truyền do nhđn (nuclear heredity) vă một câch không cđn đối về phương diện di truyền với kiểu câch khâc (như tế băo chất).
Tính chất của gen có nguồn gốc ở nhđn (nuclear - borne genes) được biểu hiện bởi sự phđn ly vă sự liín kết.
Quan sât ở con lai cận giao (inbred), câc dòng thực sự được lai rồi, cả hai bố mẹ vă F1
sẽ cho thấy sự biến dị giống như câc yếu tố không di truyền. Nhưng sự phđn ly có tính di truyền kiểu nhđn sẽ xảy ra ở F2 vă câc biến dị di truyền sẽ gắn thím văo trín những yếu tố không di truyền ấy.
Do đó F2 trở nín biến động so với bố mẹ vă F1. Tần số phđn bố của F2 sẽ rộng hơn vă phần trăm tần suất của trung bình sẽ nhỏ hơn, phđn bố hình chuông sẽ dẹp hơn (flatter). Theo Mendel, câc gen ở mỗi locus lă đồng hợp tử trong một nửa quần thể F2. Sự phđn ly tiếp tục xảy ra ở F3, sẽ chỉ có một nửa cặp gen (gene pairs) thể hiện giâ trị trung bình. Biến thiín trung bình của F3 sẽ phản ânh mối quan hệ của nó với F2. Mặt khâc, nó cũng nói lín quan hệ giữa bố mẹ với F1, nhưng F3 sẽ khâc hẳn đối với những thế hệ trước nó. Phương sai có xu hướng đạt đến giâ trị cực điểm (extreme), tuy nhiín, trong văi trường hợp hầu hết đó lă những giâ trị trung bình.
Trong cùng một thời gian, câc gen đồng hợp tử của F2 sẽ tạo ra những khâc biệt giữa câc phenotypes trung bình trong F3. Những giâ trị trung bình năy sẽ tương quan với câc phenotypes của bố mẹ, vă F2. Ngay cả câc dòng bố mẹ cũng không thực sự lai với nhau một câch hoăn toăn, thì F2 vẫn cho thấy có sự biến dị lớn hơn F1 vă bố mẹ.
Vì vậy, trắc nghiệm sự phđn ly nhằm mục đích phđn biệt sự biến dị tương đối của câc thế hệ khâc nhau khi lai tạo. Người ta có đủ cơ sở để nói rằng một thử nghiệm cần thiết với một số lượng rất lớn đê vă đang được thực hiện trín cơ sở di truyền do nhđn tế băo.
Câc trắc nghiệm sự liín kết gen, lă đặc điểm thứ hai của gen ở trong nhđn tế băo, cũng cần được thực hiện. Chúng ta có thể khâm phâ liín kết của những gen có tính số lượng (polygenes) với câc gen của yếu tố chính (major effect), phương phâp Mendel vẫn có thể được âp dụng. Mặt khâc, chúng ta có thể tìm thấy liín kết giữa câc polygenes với nhau.
Trường hợp thứ nhất xảy ra khi Sax (1923) đê lai một dòng của Phaseolus vulgaris để khâm phâ liín kết giữa câc polygenes vă một gen chủ lực. Hạt đậu năy có mău được lai với dòng khâc có hạt trắng vă nhỏ. Kích thước hạt được xem như tính trạng biến thiín liín tục, nhưng sắc tố do một gen đơn khâc điều khiển. Quần thể F2 có tỉ lệ phđn ly 3mău : 1 trắng. Người ta thấy cđy F2 có mău được xâc định bao gồm đồng hợp tử vă dị hợp tử. Khi phđn tích câc cđy đậu từ ba nhóm của cđy F2 lă PP, Pp, vă pp [P viết tắt từ chữ pigment = có sắc tố vă p lă không sắc tố]. Giâ trị trung bình của trọng lượng hạt được ghi nhận như sau:
Trọng lượng hạt đậu (cg) ở F2 (Sax 1923)
Số cđy Cấu trúc mău sắc Trọng lượng hạt trung bình
45 PP 30.7 ± 0.6
80 Pp 28.3 ± 0.3
41 Pp 26.4 ± 0.5
Sai số chuẩn cho thấy hiệu số giữa trọng lượng hạt có ý nghĩa. Trong bố mẹ, P được kết hợp dạng hạt to vă p với dạng hạt nhỏ. Thật vậy trọng lượng trung bình hình như tỉ lệ với alen P có mặt trong cấu trúc.
Dĩ nhiín điều nầy không hẳn lă bằng chứng duy nhất để chỉ sự liín kết giữa gen với đa gen điều khiển trọng lượng hạt, vă với gen chủ lực điều khiển sắc tố hạt. Ảnh hưởng trín cũng có thể do một ảnh hưởng phụ có tính đa tính trạng (pleiotropic) của gen P. Luận điểm nầy được chứng minh trong những thí nghiệm khâc nhau. Thuật ngữ “pleiotropy” nhằm diễn đạt một gen có thể điều khiển nhiều tính trạng khâc nhau.
Chúng ta không thể ghi nhận đa gen vă không thể đếm nó như từng câ thể. Chúng ta phải xâc định chúng thănh từng nhóm với một đoạn nhiễm thể năo đó hơn lă xem xĩt từng gen riíng biệt.
Câc phđn tử khâc nhau trong hệ thống đa gen được phđn ra bằng quan hệ liín kết của nó (linkage relation). Đồng thời ảnh hưởng của những gen khâc nhau phải được bổ sung như nhau. Mọi nhiễm thể đều có vai trò riíng biệt của nó trín từng đoạn. Đoạn dăi hơn hay ngắn hơn sẽ tạo ra những khâc biệt.
Câc gen biến dị số lượng vă câc đơn gen của di truyền Mendel được xâc định trín cơ sở: biến dị liín tục vă biến dị không liín tục, theo thứ tự.
Xĩt về hoạt động của gen tính trội vă tương tâc không alen được khẳng định rất sớm như lă hoạt động của câc đơn gen (Bateson 1909). Đồng thời câc phđn tích đầu tiín về biến thiín số lượng cho thấy câc gen trong biến thiín nầy đóng vai trò: tính trội hoăn toăn (partial dominance). Tương tâc không len (non-allelic interaction) được níu lín thănh khâi niệm chung trong hệ thống đa gen. Cả hai khâi niệm dominance vă non-allelic interaction đều lă những đặc điểm bình thường của di truyền số lượng, ngay cả khi chúng lă đơn gen (tuy có khâc đi một chút). Đối với đơn gen tính trội vă sự tương tâc được sử dụng với ý nghĩa trọn vẹn của nó trong khi đối với đa gen nó thường xuất hiện với ý nghĩa không hoăn toăn (partial) (Mather 1979).
Pleiotropy (đa tính trạng) của đơn gen lă thuật ngữ được dùng để diễn tả hoạt động của đơn gen điều khiển sự biến dị về số lượng. Nó chỉ tạo ra ảnh hưởng đồng thời với qui mô nhỏ (simultaneous small side effects) trong biến dị về số lượng.
Một gen trong khi tham gia văo sự biến dị đa gen để điều khiển một tính trạng năo đó, đồng thời nó cũng đóng vai trò như một đơn gen, gđy một ảnh hưởng khâc thuộc về di truyền chất lượng. Lúc ấy nó không được xem như thănh phần của hệ thống “có tính chất đa gen” xĩt về hoạt động tổng quât của nó. Lúc bấy giờ người ta yíu cầu chọn lọc nó như một đơn gen. Hệ thống đa gen tạo ra nguồn biến dị cóì tính điều chỉnh trín cơ sở di truyền. Đó lă một hệ thống của sự thay đổi tính thích nghi một câch linh hoạt vă chuyín tính. Nó còn lă câc gen mă câc nhă chọn giống khĩo lĩo sử dụng để có câc mô hình cải tiến
4-2. PHĨP THỬ CHI BÌNH PHƯƠNG TRONG TRƯỜNG HỢP ĐƠN GEN
Muốn kiểm định con lai phđn ly ở F2 theo một tỉ lệ ước đoân, chúng ta phải sử dụng phĩp thử Chi bình phương (χ2).
Trước hết chúng ta phải xem xĩt mẫu số của tỉ lệ phđn ly theo công thức 4n (với n lă số gen)
n = 1 gen 4n = 4 tỉ lệ phđn ly 3:1 hoặc 1:3
n = 2 gen 4n = 16 tỉ lệ phđn ly 15:1, 9:7, 13:3, 9:3:3:1 hoặc ngược lại n = 3 gen 4n = 64 tỉ lệ phđn ly 63:1, 55:9, v.v....
Sau đó, chúng ta phải kiểm định lại bằng phương phâp lai hồi giao (backcross) với tỉ lệ kiểm định sẽ lă 1:1 (O - E)2
Công thức chung để tính gía trị χ2 lă: χ2 = --- E O = giâ trị quan sât (observation)
E = giâ trị hi vọng (expectation) Xem xĩt giâ trị χ2 với độ tự do (p-1)
Băi tập thực hănh
Hêy xem xĩt tỉ lệ phđn ly trong quần thể F2 của câctổ hợp lai giống lúa khâng bệnh đạo ôn
Phản ứng Lý thuyết Tổ hợp lai Số cđy khâng Số cđy nhiễm Số cđy khâng Số cđy nhiễm Tỉ lệ phđn ly χ2 p A x N B x N C x N D xN 448 98 452 658 152 1502 348 110
4-3. PHĐN TÍCH DIALLEL TRONG DI TRUYỀN SỐ LƯỢNG
4-3-1. ẢNH HƯỞNG CỦA MÔI TRƯỜNG
Trong lai tạo giống kiểu hình được thể hiện ra bín ngoăi bằng những biểu hiện cụ thể vă kiểu gen giải thích cơ sở câc lý thuyết về di truyền thông qua kết quả lai phđn tích. Mặt khâc để giải thích câc hiện tượng của di truyền số lượng, người ta phải sử dụng tính đa gen vă yếu tố môi trươöng trong phđn tích. Từ khâi niệm đa gen, ngănh thống kí sinh học đê phât triển rất mạnh để giải thích câc hiện tượng năy. Nhưng chưa có ai khẳng định rằng: tính trạng số lượng hoăn toăn do đa gen. Đa gen có phải lă vấn đề then chốt trong chọn giống ? Nó không phải lă trò chơi toân học, nhưng nó có ích lợi gì trong chọn giống, nhất lă đối với tính
trạng năng suất, phẩm chất nông sản? Đó lă những vấn đề của di truyền số lượng mă chúng ta cần phải nghiín cứu rất thận trọng
Một trong những vấn đề quan trọng nhất trong lai tạo lă chúng ta phải chọn thật kỹî vật liệu ban đầu vă quyết định môi trường mă chúng ta chọn lọc. Bởi vì sinh vật được tạo ra trín cơ sở kết hợp giữa yếu tố di truyền bín trong vă yếu tố di truyền bín ngoăi.
Do vậy có một khoảng câch khâ xa giữa một tính trạng thể hiện ra bín ngoăi vă gen của nó ở bín trong. Chúng ta không nín giải thích câc tính trạng được thể hiện ra chỉ bằng đa gen tích luỹ trong ý nnghĩa di truyền thuần túy, nhất lă đối với sinh vật bậc cao.
Người ta biết rằng có sự thể hiện đồng nhất do khâc gen (phenocopy) vă có sự thể hiện khâc nhau do cùng gen (heteromorphism).
Câch thể hiện của câc tính trạng bị ảnh hưởng của môi trường bao gồm: - Môi trươöng bín trong tế băo chính lă tế băo chất (cytoplasm)
- Môi trường bín ngoăi như nhiệt độ, ânh sâng, nước,...
Rất nhiều trường hợp “heteromorphism” lă do sự khâc biệt về tế băo chất. Người ta âp dụng biện phâp lai đảo (reciprocal cross) để kiểm tra sự ảnh hưởng của tế băo chất trong sự thể hiện câc tính trạng.
Phương phâp lai “full diallel” với mô hình phđn tích nổi tiếng của Hayman thường được âp dụng trong nghiín cứu di truyền số lượng.
Phĩp thử:
(n - 2) (Var Vr - VarWr)2
t = --- [ --- ] 4 (VarVr x VarWr) - Cov2(Wr.Vr) với độ tự do df = n - 2
Nếu t không có ý nghĩa câc giả thiết của Hayman chấp nhận được, bâc bỏ giả thiết đối nghịch, câc dự đoân trong phđn tích nầy đâng tin cậy.
4-3-2. ANOVA TRONG HAYMAN
Thông số di truyền:
a: ảnh hưởng tính cộng (additive) có ý nghĩa hay không b: ảnh hưởng tính trội (dominance) xuất hiện trín câc loci
b1: có ý nghĩa cho thấy dominance đẳng hướng. Một khi alen chứa tính trội đồng hướng thì sự phđn bố sẽ nghiíng lệch một câch đâng kể về chiều thuận hoặc chiều nghịch. Di truyền tính trạng đó phải cao. Kết quả sẽ ngược lại nếu b1 không có ý nghĩa.
b2: có ý nghĩa cho thấy có sự phđn bố không đối xứng (asymmetrical) của alen [+ve] vă [-ve] trong câc bố mẹ. Kết quả sẽ ngược lại nếu b2 không có ý nghĩa.
b3: có ý nghĩa cho thấy một phần sai lệch tính trội không phải lă thuộc tính của b1 vă b2. Độ sai lệch nầy có thể do tương tâc dominance x dominance. Giâ trị tính trạng đang nghiín cứu ở F1 khâc biệt có ý nghĩa so với giâ trị trung bình của bố mẹ.
c: cho thấy ảnh hưởng của cđy mẹ có đâng kể hay không tùy thuộc văo mức độ ý nghĩa về mặt thống kí của nó.
d: chứng minh sự khâc biệt của lai đảo, hay ảnh hưởng của môi trươöng bín trong (tế băo chất).
4-3-3. ƯỚC ĐOÂN CÂC THÔNG SỐ DI TRUYỀN :
Câc ảnh hưởng của môi trường
SS sai số + SS lần lại lai
E = [ --- ] / số lần lập lại độ tự do (sai số + rep)
chú ý mức độ ý nghĩa đối với từng tính trạng
Ảnh hưởng của tính cộng
D = Vo Lo - E (Vo Lo: phương sai của bố mẹ)
Tần suất phđn bố gen trội, lặn
F = 2Vo Lo - 4WoLo1 - 2 (n - 2) E /n
(WoLo1: trung bình hợp sai giữa bố mẹ vă con lai)
F lă giâ trị ước đoân ảnh hưởng của alen trội vă lặn. Nếu F có ý nghĩa vă dương: sự hiện diện của alen trội chiếm ưu thế. Nếu F đm sự hiện diện của alen lặn chiếm ưu thế. Tuy nhiín ước đoân nầy được chứng minh lại bằng tỉ số KD / KR
Ảnh hưởng của tính trội
H1 = 2 Vo Lo - 4 WoLo1 + 4 V1 L1 - (3n - 2) E / n
( V1L1: trung bình phương sai của con lai)
H1 lă giâ trị biểu hiện do ảnh hưởng của tính trội của câc gen điều khiển tính trạng. H2 = 4 V1 L1 - 4 WoL1 - 2E
( VoL1: phương sai của giâ trị trung bình câc nghiệm thức) H2 lă giâ trị tính trội biểu hiện biểu hiện sự phđn bố theo hướng năo: [+ve] hoặc [-ve]. h2 = 4 (ML1 - MLo)2 - 4 (n - 1) E / n2
(ML1 - MLo)2: hiệu số bình phương giữa bố mẹ vă con lai.
h2 lă giâ trị tính trội được ước đoân bằng tổng sồ đại số trín tất cả câc loại có chứa alen dị hợp tử.
Sai số chuẩn
s2 = 1/2 Var (Wr - Vr)
Căn số của sai sồ chuẩn được nhđn với một hằng số - tùy thuộc văo số n của bố mẹ diallel sẽ thănh giâ trị để kết luận mức độ có ý nghĩa của câc giâ trị ước đoân nói trín.
4-3-4. CÂC TỈ SỐ TRONG PHĐN TÍCH HAYMAN:
(H1/D)1/2: cho thấy mức độ trung bình của tính trội ở trín tất cả câc loci. Nếu tỉ số nầy lớn hơn 1, tính siíu trội (over dominance) được ghi nhận
(H1/D)1/2 = 1, tính trội hoăn toăn (complete dominance) (H1/D)1/2 < 1 tính trội từng phần (partial dominance)
H2/4H1: tỉ số nầy ước đoân tần suất phđn bố giữa câc gen dương tính [+ve] vă câc gen đm tính [-ve]. Nếu nó gần bằng 0.25, sự phđn bố nầy cđn bằng trín tất cả loci. Giâ trị 0.25 lă
giâ trị tối đa. Nếu tỉ số nầy nhỏ hơn 0.25 chứng tỏ u = v = 0.5 ở câc loci. Nếu nó lớn hơn 0.25, tần suất nầy không cđn đối.
KD / KR: tỉ số nầy bằng 1 chứng tỏ alen trội vă alen lặn bằng nhau. Nếu nó lớn hơn 1: alen trội chiếm ưu thế hơn, vă nếu nó nhỏ hơn 1: alen lặn có ưu thế hơn. Kiểm tra lại giâ trị F.
h2 / H2: ước đoân số gen hoặc số nhóm gen điều khiển tính trạng - Hệ số di truyền theo nghĩa hẹp (narrow sense)
1/2 D + 1/2H1 - 1/2H2 - 1/2 F H2 = ---
1/2D + 1/2H1 - 1/4H2 -1/2F + E
> 70%: cao, hoạt động của gen cộng có ưu thế (additive gene action)
40 - 70%: trung bình, hoạt động của gen cộng tính vă không cộng tính ngang nhau. < 40%: thấp, hoạt động của gen không cộng tính (non-additive gene action) chiếm ưu thế.
4-3-5. PHĐN TÍCH BIỂU ĐỒ Wr, Vr
Trường hợp không có epistasis vă có sự phđn ly độc lập của câc gen giữa câc bố mẹ,Wr lă hăm số của biến số Vr theo phương trình tuyến tính. Trong trường hợp có ảnh