1. Thường biến và mức phản ứng
Đối với các tính trạng số lượng nói trên, sự biểu hiện ra kiểu hình của một kiểu gene nào đó rõ ràng là tùy thuộc của các nhân tố môi trường, tức là tùy thuộc tùy thuộc vào độ thâm nhập và độ biểu hiện của kiểu gene đó (như chúng ta sẽ xét dưới đây). Hay nói cách khác, kiểu hình là kết quả
Trong một tình huống lý tưởng, phạm vi tác dụng của môi trường lên một kiểu gene nào đó có thể xác định được bằng cách quan sát kiểu hình của các cá thể giống nhau về mặt di truyền được nuôi dưỡng chăm sóc trong các môi trường khác nhau. Ở người, các cặp sinh đôi cùng trứng
được tách nuôi riêng lúc sơ sinh đã chứng minh cho một tình huồng như
vậy. Tuy nhiên, những chỉ dẫn tốt nhất về các tác dụng của môi trưòng bắt nguồn từ các nghiên cứu ở loài mà có thể nuôi trồng với số lượng lớn trên các môi trường được kiểm soát.
Thí dụ kinh điển cho nghiên cứu như vậy được J.Clausen và các cộng sự tiến hành trong thập niên 1940. Để xác định hiệu quả của môi trường lên các kiểu hình, các nhà nghiên cứu này đã trồng các dòng (clones), tức gồm các cá thể giống nhau về mặt di truyền, cắt theo các vĩđộ khác nhau. Chẳng hạn, họđã thu thập loài thuộc họ hoa hồng là Potentilla glandulosa
từ ba vùng: phạm vi ven bờ biển Thái Bình Dương ở vĩđộ 100 mét; vùng lưng chừng dãy núi Sierras ở vĩđộ 1.400 mét (ngọn Mather); và ởđộ cao 3.040 mét của dãy Sierras (ngọn Timberline). Từ các mẫu này, họ tạo ra
được các dòng bằng cách nhân giống sinh dưỡng và đem trồng ở ba vùng khác nhau đó. Nói khác đi, mỗi kiểu gene thu được từ một trong ba vùng
đó được đưa trồng ở cả ba điều kiện môi trường (ứng với các vĩđộ) khác nhau. Từ thí nghiệm này cho thấy rằng dường như cả hai nhân tố di truyền và môi trường đều quan trọng trong việc xác định sự sinh trưởng của cây. Thí dụ, các kiểu gene vùng ven bờ sinh trưởng tốt ở cả vĩđộ thấp và trung bình nhưng nhưng không thể sống được ở vĩ độ cao. Điều đó chỉ ra tầm quan trọng của các nhân tố di truyền.
Cách thức mà kiểu hình thuộc một kiểu gene nào đó thay đổi theo môi trường của nó được gọi là mức phản ứng (norm of reaction). Các mức phản ứng có thể sai khác rất lớn trong số các kiểu gene đối với các tính trạng liên quan đến tập tính hay hành vi (behaviour). Dù cho đến nay ta không hề xem tập tính hay hành vi như là một kiểu hình, thế nhưng một số
các gene đột biến có ảnh hưởng lên tập tính hay hành vi. Chẳng hạn, các cá thể bị bệnh PKU không được điều trị thì có các chỉ số IQ thấp hơn bình thường; IQ là một tính trạng có thểđo được bằng trắc nghiệm IQ.
Tóm lại, mối quan hệ giữa kiểu gene và kiểu hình là phức tạp, không dễ gì căn cứ vào kiểu hình để xác định kiểu gene. Mức phản ứng trên các môi trường khác nhau là một cách đểđịnh lượng mối quan hệđó.
2. Độ thâm nhập (penetrance) và độ biểu hiện (expressivity)
Đểđánh giá mức độ thể hiện ra kiểu hình của các kiểu gene như thế, năm 1925 Timofeev-Rissovsky đã nêu lên hai khái niệm: độ thâm nhập và
2.1. Độ thâm nhập (penetrance)
Trong các thí dụ đã xét trước đây, như bảy gene xác định bảy tính trạng ởđậu Hà Lan, các kiểu nhóm máu và nhiều bệnh di truyền ở người
đều cho thấy một kiểu tuyệt đối chắc chắn. Tuy nhiên, đối với một số
gene, thì một kiểu gene nào đó có thể hoặc không thể cho thấy một kiểu hình nào đó. Hiện tượng này được gọi là độ thâm nhập (penetrance) của một gene. Mức độ thâm nhập (level of penetrance) này có thể tính bằng tỷ
lệ của các cá thể mang một kiểu gene nào đó bộc lộ ra một kiểu hình cụ
thể. Khi tất cả các cá thể của một kiểu gene cụ thể có cùng kiểu hình như
nhau, thì gene đó cho thấy độ thâm nhập hoàn toàn và mức độ thâm nhập này được coi là bằng 1. Mặt khác, gene được coi là thâm nhập không hòan toàn và mức thâm nhập cụ thể có thể tính được. Chẳng hạn, trong số 160 cá thể thuộc một kiểu gene nào đó có 30 cá thể biểu hiện một kiểu hình bị
bệnh, thì mức độ thâm nhập là 30/160 = 0,1875; nghĩa là gene đó chỉ thể
hiện ra được kiểu hình có 18,75%.
Như vậy sự có mặt của độ thâm nhập không hoàn toàn tại một gene có thể khiến cho một kiểu hình tính trạng trội (giả sử kiểu gene là Aa) bị ngắt quãng một thế hệ trong một phả hệ, rồi lại xuất hiện trở lại ở thế hệ tiếp theo. Đó là do allele trội thâm nhập không hoàn toàn. Chẳng hạn, dạng trội của nguyên bào lưới (retinoblastoma), một bệnh gây các u ác tính ở mắt trẻ em, chỉ thâm nhập khoảng 90%.
2.2. Độ biểu hiện (expressivity)
Ngoài ra, một kiểu gen cụ thể nào đó bộc lộ ra kiểu hình kỳ vọng, tức
mức độ biểu hiện (level of expression) hay độ biểu hiện (expressivity), có thể sai khác đi. Chẳng hạn, mặc dù một gene gây ra một bệnh có thể phát hiện được ở hầu hết các cá thể mang một kiểu gene nào đó, nhưng một số
cá thể có thể bịảnh hưởng nặng hơn các cá thể khác.
Bệnh Huntington ở người là một tính trạng cho thấy độ biểu hiện biến thiên sai khác theo độ tuổi phát bệnh. Bệnh này nói chung xảy ra ởđộ tuổi bắt đầu trung nên, với tuổi trung bình bắt đầu phát bệnh là trên 30 tuổi, nhưng đôi khi có thể xảy ra rất sớm ở tuổi chưa lên 10 hoặc ở một người già hơn. Một số người mang kiểu gene bệnh này chết vì những nguyên nhân khác trước khi bệnh biểu hiện, do độ thâm nhập không hoàn toàn cũng nhưđộ biểu hiện biến thiên đối với gene đó gây ra.
2.3. Các nhân tố môi trường và các gene khác 2.3.1. Môi trường và các gene gây chết có điều kiện
Vấn đề đặt ra là cái gì là nguyên nhân của độ thâm nhập không hoàn toàn và độ biểu hiện sai khác? Trong một số trường hợp cụ thể, thường thf
không thể xác định được nguyên nhân, nhưng cả môi trường và các gen khác cũng được coi là có ảnh hưởng lên độ thâm nhập và độ biểu hiện của một gene. Ví dụ, ở ruồi giấm, các allele của một số gene tác động lên sức sống và có thể gây chết ở nhiệt độ tăng cao trên 28oC nhưng lại ảnh hưởng chút ít hoặc không ảnh hởng ở nhiệt độ thấp hơn. Các gene như thế gọi là các gene gây chết có điều kiện (conditional lethals); nói chung chúng cho thấy các hiệu quả gây chết trong các tình huống môi trường cực đoan. Nhiệt độ cũng có thểảnh hưởng mạnh mẽ lên kiểu hình của các thực vật. Chẳng hạn, cây anh thảo có hoa đỏ khi
trồng ở 24oC nhưng lại có hoa trắng khi trồng
ở nhiệt độ trên 32oC. Ở mèo Xiêm (Thái Lan) và thỏ Himalaya, màu sắc bộ lông của chúng tối sẫm hơn ở chân, tai và mũi tại vì thân nhiệt ở các bộ phận xa nhất của cơ thể
này tỏ ra thấp hơn. Nếu nhưđể chúng ở nhiệt
Hình 2.11 Màu lông của mèo Xiêm tối sẫm ở các vùng chân, tai và mũi.
độ ấm áp hơn, thì sự sinh trưởng lớp lông mới tại các điểm này sẽ cho màu sáng nhạt (hình 2.11).
2.3.2. Các gene sửa đổi (modifier or modifying genes)
Nói chung, mức độ biểu hiện của một tính trạng giữa các cá thể có quan hệ họ hàng thường giống nhau hơn là giữa các cá thể không có quan hệ họ hàng, khi cả hai nhóm cá thể đó được nuôi dưỡng chăm sóc trong những môi trường gần giống như nhau. Các gen có ảnh hưởng thứ cấp lên một tính trạng như thế gọi là các gene sửa đổi (modifier genes) và chúng có thể gây ảnh hưởng lên kiểu hình một cách đáng kể. Nói cách khác, các gene sửa đổi là những gene gây biến đổi các gene khác trong khi chúng biểu hiện ra kiểu hình.
Hình 2.12 Thủy tinh thể bình thường (trái) và bệnh đục thủy tinh thể (phải)
do một gen trội gây ra có tác động của gene sửa đổi.
Ở nhiều động vật, allele pha loãng (dilute allele) vốn làm giảm cường