Đặc điểm của di truyền liên kết gen và xác định tần số trao đổi chéo

VÀ THIẾT LẬP BẢN ĐỒ DI TRUYỀN

Mục đích giúp người học trình bày được các kiến thức về sự phân ly nhiễm sắc thể và sự liên kết gen trong quá trình hình thành giao tử. Giải thích được cơ sở tế bào học và phân biệt cáctrường hợp liênkết gen, một số phương pháp xác định tần số trao đổi chéo và thiết lập bản đồ di truyền. Xác định được tần số xuất hiện kiểu gen, kiểu hình (quan tâm) tái tổ hợp ở quần thể phân lytrường hợp các gen di truyên liên kết.

6.1. ĐẶC ĐIỂM CỦA DI TRUYỀN LIÊN KẾT GEN VÀ XÁC ĐỊNH TẦN SỐ TRAO ĐỔI CHÉO TRAO ĐỔI CHÉO

Nhƣ đã trình bày ở phần trƣớc, quy luật phân ly độc lập của Mendel xảy ra khi các gen nằm trên các cặp nhiễm sắc thể khác nhau và đƣợc lý giải bằng sự phân ly ngẫu nhiên của các nhiễm sắc thể trong giảm phân. Tuy nhiên, dựa vào các kết quả nghiên

cứu trên ruồi dấm (Drosophila melanogaster) năm 1910 Thomas Hunt Morgan đã nhận ra rằng, có nhiều gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể. Nhậnđịnh này đã sớm bổ sung

và làm sáng tỏcho các nguyên lý di truyền Mendel, đồng thời đặt nền tảng vững chắc cho sựphát triển của di truyền học trong suốt nửa đầu thếkỷ XX. Trong bài này, chúng ta sẽtìm hiểu về thuyết di truyền nhiễm sắc thểgồm các vấn đềcơ bản nhƣ sự di truyền của các tính trạng liên quan với giới tính, các kiểu di truyền liên kết của hai hay nhiều gen nằm trên cùng một nhiễm sắc thể, cũng nhƣ một sốphƣơng pháp cơ bảnđểthiết lập bản đồdi truyền ởcác sinh vật.

6.1.1. Đặc điểm của di truyền liên kết gen

Trong cơ thể sinh vật có số lƣợng gen rất lớn, chúng nằm trên số lƣợng nhiễm sắc thể hạn chế. Vì vậy, mỗi nhiễm sắc thể đƣợc chứa nhiều gen, tạo thành một nhóm gọi là

nhóm gen liên kết. Nhóm gen liên kết có xu hƣớng cùng di chuyển với nhau trong quá

trình hình thành giao tử. Số nhóm liên kết gen tốiđa bằng số cặp nhiễmsắcthể. Khi hai

hay nhiều gen nằm trên một nhiễm sắc thể, chúng sẽ cùng di truyền với nhau gọi là sự di truyền liên kết. Các gen có thể liên kết với nhau trên nhiễm sắc thể thƣờng hay nhiễm sắc thể giới tính.

Sự di truyền độc lập của các gen quy định các tính trạng đƣợc đánh giá thông qua kết quả của phép lai phân tích, hoặc kết quả ở quần thể phân ly F2. Còn trƣờng hợp các gen liên kết thì sự di truyền của chúng nhƣ thế nào? Có đặc điểm gì khác biệt so với trƣờng hợp phân ly độc lập? Dựa vào đâu để phân biệt chúng? Để hiểu rõ hơn nội dung sẽ cùng so sánh, phân biệt ba trƣờng hợp dƣới đây và phân tích thế hệ lai dựa vào kết quả của phép lai phân tích; kết quả ở quần thể phân ly F2.

Bảng 6.1. So sánh trƣờng hợp phân ly độc lập và liên kết gen

Phân ly độc lập Liên kết hoàn toàn Liên kết không hoàn toàn

P. AABB x aabb F1. AaBb GF1: (AB = ab = aB = ab) F2. 9 (A– B–) 3 (A– bb) 3 (aaB– ) 1 (aabb –chiếm tỷ lệ 1/16) Fb: 1AaBb: 1Aabb: 1aaBb: 1 (aabb –chiếm tỷ lệ 1/4) P. AB/AB x ab/ab F1. AB/ab GF1 : (AB = ab) F2.KG: 1 AB/AB: 2 AB/ab: 1 aa//bb KH: 3 (AB/ –) : 1 (aa/bb) Fb: 1AB/ab : 1ab/ab

Liên kết hoàn toàn không thu được tổ hợp gen mới

P. AB/AB x ab/ab F1. AB/ab GF1: (AB=ab) ≠ (aB = ab) F2≠ 9:3:3:1

Fb ≠ 1:1:1:1

Thu được kiểu gen mới, F2 với tỷ lệ khác quy luật Mendel (9:3:3:1)

* Trường hợp phân ly độc lập: Kiểu dị hợp tử F1 theo hai cặp gen độc lập (AaBb)

tạo ra bốn kiểu giao tử với tỷ lệ tƣơng đƣơng (trong đó hai giao tử giống thế hệ xuất phát AB, ab và hai dạng giao tử tái tổ hợp Ab, aB có tỷ lệ bằng nhau). Có thể thấy rõở

phép lai phân tích:

Fb: AaBb x aabb → 1 AaBb : 1 Aabb : 1 aaBb : 1 aabb (ở đây kiểu hình đồng hợp lặn chiếm tỷ lệ 1/4). Khi đó, ở quần thể phân ly F2có tỷ lệ phân ly kiểu hình là 9

(A–B) : 3 (A–bb) : 3 (aaB–) : 1 (aabb). Trong đó, hai kiểu tái tổ hợp (khác thế hệ xuất

phát) là (A–bb), (aaB–) chiếm tỷ lệ lớn (6/16), kiểu hình đồng hợp lặn chiếm tỷ lệ nhỏ nhất 1/16.

* Trường hợp liên kết hoàn toàn. Khi các gen nằm gần nhau trên cùng một nhiễm

sắc thể (khoảng cách các gen nhỏ)thì lực liên kết giữa các gen lớn chúng đƣợc di truyền nhƣ một đơn vị, tạo nên một sự liến kết hoàn toàn (không xảy ra sự trao đổi chéo). Do

vậy, trong giảm phân, theo sự phân ly của đôi nhiễm sắc thể tƣơng đồng, F1tạo ra hai dạng giao tử có tỷ lệ ngang nhau là AB và ab.

Ở F2 có sự phân ly về kiểu gen là: 1𝐴𝐵

𝐴𝐵: 2𝐴𝐵

𝑎𝑏: 1𝑎𝑏

𝑎𝑏, phân ly kiểu hình 3 (AB/–): 1 (ab/ab). Hai kiểu hình giống thế hệ xuất phát phân ly theo 3:1 (giống nhƣ trƣờng hợp phân ly của một cặp tính trạng).

Ở thế hệ lai phân tích Fb kết quả chỉ cho hai kiểu hình với tỷ lệ 1 AB/ab: 1ab/ab (cũng giống nhƣ trƣờng hợp phân ly của một cặp tính trạng).

Nhƣ vậy, trƣờng hợp các gen liên kết hoàn toàn ở đời phân ly không thu được các

kiểu tái tổ hợpkhác với thế hệ xuất phát.

* Trường hợp liên kết không hoàn toàn. Khi các gen nằm xa nhau trên cùng một

nhiễm sắc thể (khoảng cách các gen lớn) thì lực liên kếtgiữa các gen nhỏ, giữa các gen trên đôi nhiễm sắc thể tƣơng đồng có thể xảy ra trao đổi chéo, điều đó cho thấy, sự thực đã xảy ra hiện tƣợng liên kết không hoàn toàn.

Kết quả, kiểu dị hợp tử F1 theo hai gen (AB/ab) tạo ra 4 loại giao tử, ngoài hai

kiểu giao tử giống thế hệ xuất phát (kiểu liên kết) thu đƣợc các kiểu giao tử mới (tái tổ hợp–trao đổi chéo). Tuy nhiên, khác với trƣờng hợp phân ly độc lập, tỷ lệ của các loại

giao tử trong trƣờng này không tƣơng đƣơng nhau. Ở đây, tần số các kiểu tái tổ hợp (trao đổi chéo)luôn nhỏ hơn tần số các kiểu liên kết (nhỏ hơn 50%). Từ đó, bốn kiểu hình ở quần thể F2 có tỷ lệ hoàn toàn sai khác với trƣờng hợp các gen di truyền độc lập (khác với tỷ lệ 9:3:3:1). Kết quả ở thế hệ lai phân tích Fb cũng cho bốn kiểu hình giống trƣờng hợp phân ly độc lập, tuy nhiên tỷ lệ phân ly khác với 1:1:1:1.

Cần lƣu ý, kiểu dị hợp tử theo hai gen liên kết có hai trạng thái sắp xếp các gen trên đôi nhiễm sắc thể tƣơng đồng đó là trạng thái kết và trạng thái đẩy. Có thể phân biệt hai trạng thái này một cách dễ dạng nhƣ sau:

– Trạng thái kết (cis): Cách sắp xếp các alen trong đó hai alen trội nằm trên một nhiễm sắc thể và hai alen lặn trên chiếc kia (nói cách khác các alen trội nằm cùng phía nhau: AB/ab).

–Trạng thái đẩy (trans): Cách sắp xếp các alen trong đó hai alen trội nằm trên hai nhiễm sắc thể tƣơng đồng khác nhau, sao cho trong thể dị hợp kép chúng ở các ví trí

chéo nhau (Nói cách khác các alen trội nằm khác phía nhau: Ab/aB).

Trạng thái kết Trạng thái đẩy

P: 𝐴𝐵

𝐴𝐵 𝑥 𝑎𝑏

𝑎𝑏 → F1 𝐴𝐵 𝑎𝑏

Các giao tử F1

AB, ab –giao tửliên kết

Ab, aB –giao tửtái tổ hợp(trao đổi chéo)

P: 𝐴𝑏

𝐴𝑏 𝑥 𝑎𝐵

𝑎𝐵 → F1 𝐴𝑏 𝑎𝐵

Các giao tử F1

Ab, aB –giao tửliên kết

AB, ab –giao tửtái tổ hợp(trao đổi chéo) Qua trình bày ở trên cho thấy, để xác định phƣơng thức di truyền của tính trạng là di truyền độc lập hay di truyền liên kết, thƣờngsử dụng hai phép thử, đó là kết quả ở phép lai phân tích và sự phân ly ở quần thể F2.

Ví dụ 1. Lai phân tích kiểu dị hợp tửvề hai cặp gen (giả định là AB/ab × ab/ab),

thu đƣợc kết quả sau (để tiện trình bày từ đây về sau, kiểu hình chỉ viết theo một gen trội, lặn):

Tiêu chí Số lượng Tổng số

Kiểu hình Fb AB Ab aB ab

Số liệu thực nghiệm 222 35 38 205 500 Ho: Giả thiết các gen di truyền

phân ly độc lập (1:1:1:1) 125 125 125 125 500 Kết quả thực nghiệm sai khác rất rõ với giả thiết di truyền phân ly độc lập, chứng tỏ các gen A, B di truyền liên kết. Hai kiểu liên kết AB, ab có tần số lớn (85,4%),

hai kiểu tái tổ hợp Ab, aB có tần số nhỏ hơn nhiều (14,6%).

Ví dụ 2.Kết quả phân ly F2 (AB/ab × AB/ab) cho kết quả số liệunhƣ sau:

Tiêu chí Số lượng Tổng số

Kiểu hình F2 AB Ab aB ab

Số liệu thực nghiệm 197 39 34 30 300

Ho: Giả thiết các gen di truyền

Kiểm định theo tiêu chuẩnkhi bình phƣơng (χ2) tƣơng ứng cho thấy, kết quả thực nghiệm không tƣơng ứng với tỷ lệ trông chờ 9:3:3:1, nhƣ vậy các gen trên di truyền liên kết không hoàn toàn.

6.1.2. Xác định tần số trao đổi chéo

Sựtrao đổi chéo là một quá trình trao đổi giữa các nhiễm sắc thểtrong giảm phân (kết hợp với sựhình thành giao tử một cách bình thƣờng) cho ra các tổ hợp tính trạng mới. Tỷ lệ của các tổ hợp tính trạngđƣợc hình thành là bao nhiêu phụ thuộc vào tần số trao đổi chéo. Tần số trao đổi chéo(ký hiệu là rf) phản ánh mức độ liên kết của chúng trong một nhóm gen liên kết. Khoảng cách giữa các gen càng lớn thì xác suất xảy ra trao đổi chéo càng cao, tức là tần số trao đổi chéo càng lớn và ngƣợc lại. Tần số trao đổi chéo luôn nhỏ hơn hoặc bằng (≤) 50%, bởi vì tái tổ hợp là sự kiện hiếm gặp. Hầu hết các nhiễm sắc thể không trao đổi chéo, do đó tỷ lệ mỗi loại giao tử mang gen hình thành do trao đổi chéo không vƣợt quá 25%.

Trong thực nghiệm thƣờng sử dụng phƣơng pháp xác định tần số trao đổi chéo ở cơ thể lƣỡng bội nhƣ: Phƣơng pháp lai phân tích và phƣơng pháp tính dựa vào kết quả phân ly ở F2.

6.1.2.1. Xác định tần số trao đổi chéo dựa vào kết quả phép lai phân tích

Trong lai phân tích tần số trao đổi chéo đƣợc xác định bằng tỷ lệ giữa số cá thể do trao đổi chéo hình thành trên tổng số cá thể thu đƣợc:

a –sốlƣợng các cá thểdo trao đổi chéo hình thành,

n –tổng số cá thểcủa đời con của phép lai phân tích;

rf –tần số trao đổi chéo(thƣờng gọilà tần số hoán vị gen), là một sốhữu tỷthỏa mãn miền giới hạn [0; 0,5] hay [0; 50%], có thểđƣợc biểu diễn bằng số thập phân hoặc phần trăm.

Để cụ thể hơn xét ví dụ tổng quát nhƣ sau:

Cần xác định tần số trao đổi chéo khi tiến hành phép lai phân tích cơthểdị hợp tử theo hai gen liên kết không hoàn toàn, kết quả thu đƣợcnhƣ sau:

Kiểu hìnhở Fb AB Ab aB ab Tổng số Số lƣợng cá thể a1 a2 a3 a4 n

Có thể thấy rằng, kết quả lai phân tích thu đƣợc bốn kiểu hình với số lƣợng cụ thể từng loại. Tuy nhiên vấn đề đặt ra là trong bốn kiểu hình thu đƣợc, kiểu hình nào là do trao đổi chéo hình thành nên? Để làm rõ điều này cần xét tỷ lệ của kiểu hình đồng hợp lặn thu đƣợc ở thế hệ lai phân tích (tức là kiểu hình ab/ab). Kiểu hình đồng hợp lặn ab/ab này chiểm tỷ lệ là a4/n:

– Nếu a4/n < 0,25 (hay 25 %) thì kiểu gen của cơ thể dị hợp tử theo hai cặp gen đem lai phân tích thuộc trạng thái kết(AB/ab), khi đó có AB và ab là hai kiểu liên kết;

Ab và aB là hai kiểu tái tổ hợp. Tần số trao đổi chéo (rf) ở đây là:

rf = 𝐚𝟐+ 𝐚𝟑

𝐧 × 100

– Nếu a4/n > 0,25 (hay 25 %) thì kiểu gen của cơ thể dị hợp tử theo hai cặp gen đem lai phân tích thuộc trạng thái đẩy (Ab/aB), có Ab và aB là hai kiểu liên kết; AB và ab là hai kiểu tái tổ hợp, và tần số trao đổi chéo sẽ là:

rf = 𝐚𝟏+ 𝐚𝟒

𝐧 × 100

Sai số chuẩn của rf đƣợc tính theo ƣớc lƣợng tỷ số:

Srf = 𝑟𝑓(100−𝑟𝑓)

𝑛

Lưu ý: Có thể giải thích tại sao lại so sánh với 0,25 (hay 25 %) rằng: Bảng 6.1 đã khẳng định kiểu hình đồng hợp lặn (aabb) ở thế hệ lai phân tích trong trƣờng hợp phân ly độc lập chiếm tỷ lệ 1/4 tức là 0,25 hay 25% và kiểu hình do trao đổi chéo luôn chiếm tỷ lệ thấp. Do vậy dựa vào tỷ lệ này dễ dàng xác định đƣợc trạng thái kiểu gen của dạng bố mẹ.

6.1.2.2. Xác định tần số trao đổi chéo dựa vào kết quả phân ly F2

Tần số trao đổi chéo có thể đƣợc xác định trực tiếp dựa vào kết quả phân ly ở F2

mà không cần thực hiện phép lai phân tích. Và có thểsử dụng một số phƣơng pháp nhƣ: phƣơng pháp gần đúng tối đa (maximum likelihood), phƣơng pháp nhân và phƣơng

pháp khai căn để xác định tần số trao đổi chéo (Nguyễn Hồng Minh, 1999). Trong các

nghiên cứu về di truyền, ứng dụng cho chọn giống thƣờng sử dụng phƣơng pháp khai

cănđể xác định tầnsố trao đổi chéo.

Tiến hành phép lai giữa hai cơ thể thuần chủng theo hai cặp gen (AB/AB × ab/ab)

→ Kết quả thu đƣợc kiểu dị hợp tử F1 theo hai cặp gen. Trong giảm phân phát sinh giao tử kiểu dị hợp tử F1tạo bốn giao tử AB, Ab, aB và ab. Tùy thuộc vào cấu trúc của

F1 thuộc trạng thái đẩy hay trạng thái kết mà hai trong số bốn kiểu giao tử sẽ ứng với các kiểu trao đổi chéo (rf) hay liên kết (1–rf) (bảng 6.2).

Bảng 6.2. Tần số các kiểu giao tử hình thành từ dạng dị hợp tử theo hai gen thuộc trạng thái kết và trạng thái đẩy

Trạng thái F1 Tần số của các kiểu giao tử Tổng số

AB Ab aB ab

Trạng thái kết (AB/ab) ½ (1 – rf) ½ rf ½ rf ½ (1 – rf) 1

Giả sử ở những cá thể dị hợp tử F1các kiểu giao tử đực và giao tử cái đều có tần số nhƣ nhau (bảng 6.2), chúng phối hợp một cách ngẫu nhiên để hình thành các kiểu hợp tử và chúng có sức sống nhƣ nhau để thu đƣợc cơ thể khi quan sát tính trạng. Kết quả F2thu đƣợc bốn kiểu hình với bốn số liệu (a1, a2, a3, a4). Cả bốn số liệu quan sát này có mức độ gần đúng với giả thiết về sự phối hợp của các giao tử nêu trên.

Kiểu hình ở F2: AB Ab aB ab Tổng số Số lƣợng cá thể: a1 a2 a3 a4 n + a2, a3là các kiểu tái tổ hợp khi F1thuộc trạng thái kết.

+ a1, a4là các kiểu tái tổ hợp khi F1thuộc trạng thái đẩy.

–Ở phương pháp gần đúng tối đađã sử dụng tính toán để tìm ra một giá trị chung (R) cùng một lúc thỏa mãn gần đúng tối đa cho cả bốn số liệu quan sát (Ở trạng thái kết

và trạng thái đẩy, giới nghiên cứu đã lập ra phƣơng trình vi phân tƣơng ứng để tính R. Từ R tính ra rf theo công thức rf = 1 – 𝑅 đối với trạng thái kết và rf = 𝑅 đối với trạng thái đẩy).

– Ở phương pháp nhân, việc xác định rf cũng sử dụng số liệu của tất cả các kiểu

hình (bốn kiểu) quan sát đƣợc ở quần thể F2. Ở phƣơng pháp này, cầnthiết lập sẵn các bảng để tra những giá trị khác nhau của rf. Trƣớc tiên ta tính giá trị x theo biểu thức sau:

x = 𝑎2𝑥 𝑎3

𝑎1 𝑥 𝑎4

cho trạng thái kết và x = 𝑎1𝑥 𝑎4

𝑎2 𝑥 𝑎3

cho trạng thái đẩy.

Khi tính đƣợc x, tiến hành tra bảng để tìm giá trị rf tƣơng ứng. Nhiều nghiên cứu cho thấy, đánh giá theo phƣơng pháp gần đúng tối đa và phƣơng pháp nhân thu đƣợc kết quả rất sát nhau.

– Phương pháp khai căn: Chỉ sử dụng kết quả của kiểu đồng hợp tử lặn (ab/ab)

xuất hiện ở quần thể F2, vì thế độ tin cậy có thể hạn chế hơn so với hai phƣơng pháp trên. Tuy nhiên, khi nghiên cứu số lƣợng cá thể khá lớn ở F2, phƣơng pháp này có ứng dụng tốt.

Cũng giống nhƣ trƣờng hợp lai phântích, vấn đề đặt ra là xác định trạng thái kiểu gen của dạng bố mẹ nhƣ thế nào để từ đó có thể thiết lập mối quan hệ giữa các số liệu kiểu hình thu đƣợc ở F2 (a1, a2, a3, a4) và tần số trao đổi chéo rf.

Thực hiện nhƣ sau:

Xét kiểu hình đồng hợp lặn (ab/ab) thu đƣợc ở F2, chiếm tỷ lệ a4/n.

So sánh tỷ lệ này với 1/16 hoặc 0,0625 hay 6,25% (Nhƣ đã trình bày ở bảng 6.1