KHẢ NĂNG KẾT HỢP & TƯƠNG TÁC GEN 4-1. NGUYÊN TẮC CHUNG
Có hai đặc điểm chủ yếu của giả thuyết đa yếu tố (multiple factor):
- Các yếu tố điều khiển (governing) hay các gen được di truyền theo kiểu Mendel. - Các yếu tố có ảnh hưởng đối với tính trạng nào đó, trong điều kiện quan sát giống nhau so với yếu tố khác, chúng ta có sự bổ sung cho nhau, và tạo thành mối quan hệ có tính chất biến dị không di truyền, hoặc là trong một biến dị tổng thể, trong đó sự không liên tục (discontinuities) trở nên khó phân biệt trong sự phân bố kiểu hình.
Thật là phức tạp khi đề ra lý thuyết về hệ thống đa gen (polygenic) hoặc đa yếu tố (multifactorial). Các gen cấu trúc sẽ có những ảnh hưởng không giống nhau và chúng được sao chép bởi các yếu tố không di truyền (non-heritable agencies), những cá thể không dễ dàng được nhận diện trong các hệ thống như vậy. Bởi vì các gen đó không tuân thủ theo nguyên tắc Mendel, chúng ta làm thế nào để tin chắc rằng: nó thực sự có trên nhiễm sắc thể và điều khiển sự di truyền như Mendel phát hiện.
Mặt khác còn ảnh hưởng của sự lai đảo (reciprocal).
Giả sử các tính trạng được điều khiển bởi đa gen - tính trạng có tính biến thiên liên tục (continuously variable), nó không thường xuyên như trong trường hợp tính trạng có tính biến thiên không liên tục (discontinuously variable). Do đó cả hai bố mẹ thường tham gia một cách cân đối vào kíểu gen của con lai về phương diện di truyền do nhân (nuclear heredity) và một cách không cân đối về phương diện di truyền với kiểu cách khác (như tế bào chất).
Tính chất của gen có nguồn gốc ở nhân (nuclear - borne genes) được biểu hiện bởi sự phân ly và sự liên kết.
Quan sát ở con lai cận giao (inbred), các dòng thực sự được lai rồi, cả hai bố mẹ và F1
sẽ cho thấy sự biến dị giống như các yếu tố không di truyền. Nhưng sự phân ly có tính di truyền kiểu nhân sẽ xảy ra ở F2 và các biến dị di truyền sẽ gắn thêm vào trên những yếu tố không di truyền ấy.
Do đó F2 trở nên biến động so với bố mẹ và F1. Tần số phân bố của F2 sẽ rộng hơn và phần trăm tần suất của trung bình sẽ nhỏ hơn, phân bố hình chuông sẽ dẹp hơn (flatter). Theo Mendel, các gen ở mỗi locus là đồng hợp tử trong một nửa quần thể F2. Sự phân ly tiếp tục xảy ra ở F3, sẽ chỉ có một nửa cặp gen (gene pairs) thể hiện giá trị trung bình. Biến thiên trung bình của F3 sẽ phản ánh mối quan hệ của nó với F2. Mặt khác, nó cũng nói lên quan hệ giữa bố mẹ với F1, nhưng F3 sẽ khác hẳn đối với những thế hệ trước nó. Phương sai có xu hướng đạt đến giá trị cực điểm (extreme), tuy nhiên, trong vài trường hợp hầu hết đó là những giá trị trung bình.
Trong cùng một thời gian, các gen đồng hợp tử của F2 sẽ tạo ra những khác biệt giữa các phenotypes trung bình trong F3. Những giá trị trung bình này sẽ tương quan với các phenotypes của bố mẹ, và F2. Ngay cả các dòng bố mẹ cũng không thực sự lai với nhau một cách hoàn toàn, thì F2 vẫn cho thấy có sự biến dị lớn hơn F1 và bố mẹ.
Vì vậy, trắc nghiệm sự phân ly nhằm mục đích phân biệt sự biến dị tương đối của các thế hệ khác nhau khi lai tạo. Người ta có đủ cơ sở để nói rằng một thử nghiệm cần thiết với một số lượng rất lớn đã và đang được thực hiện trên cơ sở di truyền do nhân tế bào.
Các trắc nghiệm sự liên kết gen, là đặc điểm thứ hai của gen ở trong nhân tế bào, cũng cần được thực hiện. Chúng ta có thể khám phá liên kết của những gen có tính số lượng (polygenes) với các gen của yếu tố chính (major effect), phương pháp Mendel vẫn có thể được áp dụng. Mặt khác, chúng ta có thể tìm thấy liên kết giữa các polygenes với nhau.
Trường hợp thứ nhất xảy ra khi Sax (1923) đã lai một dòng của Phaseolus vulgaris để khám phá liên kết giữa các polygenes và một gen chủ lực. Hạt đậu này có màu được lai với dòng khác có hạt trắng và nhỏ. Kích thước hạt được xem như tính trạng biến thiên liên tục, nhưng sắc tố do một gen đơn khác điều khiển. Quần thể F2 có tỉ lệ phân ly 3màu : 1 trắng. Người ta thấy cây F2 có màu được xác định bao gồm đồng hợp tử và dị hợp tử. Khi phân tích các cây đậu từ ba nhóm của cây F2 là PP, Pp, và pp [P viết tắt từ chữ pigment = có sắc tố và p là không sắc tố]. Giá trị trung bình của trọng lượng hạt được ghi nhận như sau:
Trọng lượng hạt đậu (cg) ở F2 (Sax 1923)
Số cây Cấu trúc màu 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 và p với dạng hạt nhỏ. Thật vậy trọng lượng trung bình hình như tỉ lệ với alen P có mặt trong cấu trúc.
Dĩ nhiên điều nầy không hẳn là bằng chứng duy nhất để chỉ sự liên kết giữa gen với đa gen điều khiển trọng lượng hạt, và với gen chủ lực điều khiển sắc tố hạt. Ảnh hưởng trên 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 khác nhau. Thuật ngữ “pleiotropy” nhằm diễn đạt một gen có thể điều khiển nhiều tính trạng khác nhau.
Chúng ta không thể ghi nhận đa gen và không thể đếm nó như từng cá thể. Chúng ta phải xác định chúng thành từng nhóm với một đoạn nhiễm thể nào đó hơn là xem xét từng gen riêng biệt.
Các phân tử khác nhau trong hệ thống đa gen được phân ra bằng quan hệ liên kết của nó (linkage relation). Đồng thời ảnh hưởng của những gen khác nhau phải được bổ sung như nhau. Mọi nhiễm thể đều có vai trò riêng biệt của nó trên từng đoạn. Đoạn dài hơn hay ngắn hơn sẽ tạo ra những khác biệt.
Các gen biến dị số lượng và các đơn gen của di truyền Mendel được xác định trên cơ sở: biến dị liên tục và biến dị không liên tục, theo thứ tự.
Xét về hoạt động của gen tính trội và tương tác không alen được khẳng định rất sớm như là hoạt động của các đơn gen (Bateson 1909). Đồng thời các phân tích đầu tiên về biến thiên số lượng cho thấy các gen trong biến thiên nầy đóng vai trò: tính trội hoàn toàn (partial dominance). Tương tác không len (non-allelic interaction) được nêu lên thành khái niệm chung trong hệ thống đa gen. Cả hai khái niệm dominance và non-allelic interaction đều là những đặc điểm bình thường của di truyền số lượng, ngay cả khi chúng là đơn gen (tuy có khác đi một chút). Đối với đơn gen tính trội và sự tương tác được sử dụng với ý nghĩa trọn vẹn của nó trong khi đối với đa gen nó thường xuất hiện với ý nghĩa không hoàn toàn (partial) (Mather 1979).
Pleiotropy (đa tính trạng) của đơn gen là 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 vào sự biến dị đa gen để điều khiển một tính trạng nào đó, đồng thời nó cũng đóng vai trò như một đơn gen, gây một ảnh hưởng khác thuộc về di truyền chất lượng. Lúc ấy nó không được xem như thành phần của hệ thống “có tính chất đa gen” xét về hoạt động tổng quát của nó. Lúc bấy giờ người ta yêu cầu chọn lọc nó như một đơn gen. Hệ thống đa gen tạo ra nguồn biến dị cóì tính điều chỉnh trên cơ sở di truyền. Đó là một hệ thống của sự thay đổi tính thích nghi một cách linh hoạt và chuyên tính. Nó còn là các gen mà các nhà chọn giống khéo léo sử dụng để có các mô hình cải tiến
4-2. PHÉP THỬ CHI BÌNH PHƯƠNG TRONG TRƯỜNG HỢP ĐƠN GEN
Muốn kiểm định con lai phân ly ở F2 theo một tỉ lệ ước đoán, chúng ta phải sử dụng phép thử Chi bình phương (χ2).
Trước hết chúng ta phải xem xét mẫu số của tỉ lệ phân ly theo công thức 4n (với n là số gen)
n = 1 gen 4n = 4 tỉ lệ phân ly 3:1 hoặc 1:3
n = 2 gen 4n = 16 tỉ lệ phân ly 15:1, 9:7, 13:3, 9:3:3:1 hoặc ngược lại n = 3 gen 4n = 64 tỉ lệ phân ly 63:1, 55:9, v.v....
Sau đó, chúng ta phải kiểm định lại bằng phương pháp lai hồi giao (backcross) với tỉ
lệ kiểm định sẽ là 1:1 (O - E)2
Công thức chung để tính gía trị χ2 là: χ2 = --- E O = giá trị quan sát (observation)
E = giá trị hi vọng (expectation) Xem xét giá trị χ2 với độ tự do (p-1)
Bài tập thực hành
Hãy xem xét tỉ lệ phân ly trong quần thể F2 của cáctổ hợp lai giống lúa kháng bệnh đạo ôn
Phản ứng Lý thuyết Tổ hợp lai Số cây kháng Số cây nhiễm Số cây kháng Số cây nhiễm Tỉ lệ phân ly χ2 p A x N B x N C x N D xN 448 98 452 658 152 1502 348 110
4-3. PHÂN 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 bên ngoài bằng những biểu hiện cụ thể và kiểu gen giải thích cơ sở các lý thuyết về di truyền thông qua kết quả lai phân tích. Mặt khác để giải thích các hiện tượng của di truyền số lượng, người ta phải sử dụng tính đa gen và yếu tố môi trươöng trong phân tích. Từ khái niệm đa gen, ngành thống kê sinh học đã phát triển rất mạnh để giải thích các hiện tượng này. Nhưng chưa có ai khẳng định rằng: tính trạng số lượng hoàn toàn do đa gen. Đa gen có phải là vấn đề then chốt trong chọn giống ? Nó không phải là trò chơi toán học, nhưng nó có ích lợi gì trong chọn giống, nhất là đối với tính
trạng năng suất, phẩm chất nông sản? Đó là những vấn đề của di truyền số lượng mà chúng ta cần phải nghiên cứu rất thận trọng
Một trong những vấn đề quan trọng nhất trong lai tạo là chúng ta phải chọn thật kỹî
vật liệu ban đầu và quyết định môi trường mà chúng ta chọn lọc. Bởi vì sinh vật được tạo ra trên cơ sở kết hợp giữa yếu tố di truyền bên trong và yếu tố di truyền bên ngoài.
Do vậy có một khoảng cách khá xa giữa một tính trạng thể hiện ra bên ngoài và gen của nó ở bên trong. Chúng ta không nên giải thích các tính trạng được thể hiện ra chỉ bằng đa gen tích luỹ trong ý nnghĩa di truyền thuần túy, nhất là đối với sinh vật bậc cao.
Người ta biết rằng có sự thể hiện đồng nhất do khác gen (phenocopy) và có sự thể hiện khác nhau do cùng gen (heteromorphism).
Cách thể hiện của các tính trạng bị ảnh hưởng của môi trường bao gồm: - Môi trươöng bên trong tế bào chính là tế bào chất (cytoplasm)
- Môi trường bên ngoài như nhiệt độ, ánh sáng, nước,...
Rất nhiều trường hợp “heteromorphism” là do sự khác biệt về tế bào chất. Người ta áp dụng biện pháp lai đảo (reciprocal cross) để kiểm tra sự ảnh hưởng của tế bào chất trong sự thể hiện các tính trạng.
Phương pháp lai “full diallel” với mô hình phân tích nổi tiếng của Hayman thường được áp dụng trong nghiên cứu di truyền số lượng.
Phép 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 các giả thiết của Hayman chấp nhận được, bác bỏ giả thiết đối nghịch, các dự đoán trong phân tích nầy đáng 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 trên các loci
b1: có ý nghĩa cho thấy dominance đẳng hướng. Một khi alen chứa tính trội đồng hướng thì sự phân bố sẽ nghiêng lệch một cách đáng 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 phân bố không đối xứng (asymmetrical) của alen [+ve] và [-ve] trong các 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 là thuộc tính của b1 và b2. Độ sai lệch nầy có thể do tương tác dominance x dominance. Giá trị tính trạng đang nghiên cứu ở F1 khác biệt có ý nghĩa so với giá trị trung bình của bố mẹ.
c: cho thấy ảnh hưởng của cây mẹ có đáng kể hay không tùy thuộc vào mức độ ý nghĩa về mặt thống kê của nó.
d: chứng minh sự khác biệt của lai đảo, hay ảnh hưởng của môi trươöng bên trong (tế bào chất).
4-3-3. ƯỚC ĐOÁN CÁC THÔNG SỐ DI TRUYỀN :
Các 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 phân bố gen trội, lặn
F = 2Vo Lo - 4WoLo1 - 2 (n - 2) E /n
(WoLo1: trung bình hợp sai giữa bố mẹ và con lai)
F là giá trị ước đoán ảnh hưởng của alen trội và lặn. Nếu F có ý nghĩa và dương: sự hiện diện của alen trội chiếm ưu thế. Nếu F âm sự hiện diện của alen lặn chiếm ưu thế. Tuy nhiên ước đoán 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 là giá trị biểu hiện do ảnh hưởng của tính trội của các gen điều khiển tính trạng. H2 = 4 V1 L1 - 4 WoL1 - 2E
( VoL1: phương sai của giá trị trung bình các nghiệm thức)
H2 là giá trị tính trội biểu hiện biểu hiện sự phân bố theo hướng nào: [+ve] hoặc [-ve]. h2 = 4 (ML1 - MLo)2 - 4 (n - 1) E / n2
(ML1 - MLo)2: hiệu số bình phương giữa bố mẹ và con lai.
h2 là giá trị tính trội được ước đoán bằng tổng sồ đại số trên tất cả các loại có chứa alen dị hợp tử.
Sai số chuẩn
s2 = 1/2 Var (Wr - Vr)
Căn số của sai sồ chuẩn được nhân với một hằng số - tùy thuộc vào số n của bố mẹ diallel sẽ thành giá trị để kết luận mức độ có ý nghĩa của các giá trị ước đoán nói trên.
4-3-4. CÁC TỈ SỐ TRONG PHÂN TÍCH HAYMAN:
(H1/D)1/2: cho thấy mức độ trung bình của tính trội ở trên tất cả các loci. Nếu tỉ số nầy lớn hơn 1, tính siêu trội (over dominance) được ghi nhận
(H1/D)1/2 = 1, tính trội hoàn toàn (complete dominance) (H1/D)1/2 < 1 tính trội từng phần (partial dominance)
H2/4H1: tỉ số nầy ước đoán tần suất phân bố giữa các gen dương tính [+ve] và các gen âm tính [-ve]. Nếu nó gần bằng 0.25, sự phân bố nầy cân bằng trên tất cả loci. Giá trị 0.25 là
giá trị tối đa. Nếu tỉ số nầy nhỏ hơn 0.25 chứng tỏ u = v = 0.5 ở các loci. Nếu nó lớn hơn 0.25, tần suất nầy không cân đối.
KD / KR: tỉ số nầy bằng 1 chứng tỏ alen trội và alen lặn bằng nhau. Nếu nó lớn hơn 1: alen trội chiếm ưu thế hơn, và nếu nó nhỏ hơn 1: alen lặn có ưu thế hơn. Kiểm tra lại giá trị F.
h2 / H2: ước đoán 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 và không cộng tính ngang nhau. < 40%: thấp, hoạt động của gen không cộng tính (non-additive gene action) chiếm ưu thế.
4-3-5. PHÂN TÍCH BIỂU ĐỒ Wr, Vr
Trường hợp không có epistasis và có sự phân ly độc lập của các gen giữa các bố mẹ,Wr là hàm số của biến số Vr theo phương trình tuyến tính. Trong trường hợp có ảnh