5.2.1. Lai theo một cặp tính trạng
5.2.1.1. Quy luật tính trội và phân ly tính trạng
Lai theo một cặp tính trạng là phép lai trong đó các dạng bố mẹ phân biệt bởi một cặp tính trạng tƣơng phản.
Từ những kết quả các thí nghiệm của Mendelnghiên cứu cho thấy, ở thế hệ F1chỉ có một tính trạng giống với bố mẹ đƣợc biểu hiện, đó là tính trạng trội. Từ đó ông đƣa
ra quy luật tính trội –quy luật 1, hay còn gọi là quy luật về sự biểuhiện đồng nhất của
con lai F1: ―Khi lai giữa các bố mẹ thuần chủng phân biệt bởi một cặp tính trạng tương phản, ở con lai F1chỉbiểuhiện tính trạng trộithuộc về bố hoặc mẹ”.
Sau đó Mendel cho các con lai F1tự thụ phấn thì ở thế hệ F2ông thu đƣợc cả hai kiểu hình của bố mẹ ban đầu với tỷ lệ xấp xỉ 3/4 trội và 1/4 lặn. Nhƣ vậy, tính trạng lặn bị che khuất ở F1đã thể hiện ở quần thể F2, hiện tƣợng này gọi là sự phân ly tính trạng. Từ kết quả trên Mendel đã đƣa ra quy luật phân ly tính trạng – quy luật 2: ―Khi lai
giữa các bố mẹ thuần chủng phân biệt bởi một cặp tính trạng tương phản, ở con lai F2
biểu hiệncả tính trạng trộivà tính trạng lặn với tỷ lệ 3:1‖.
Ví dụ: Đối với tính trạng màu sắc hoa, ký hiệu nhân tố di truyền kiểm tra hoa màu
tím –A, màu trắng –a, từ đó sơ đồ diễn tả sự di truyền trong lai theo một cặp tính trạng đƣợc trình bày nhƣ hình 5.2.
Ở con lai F1 (Aa), mặc dù nhân tố lặn không thể hiện, song nó (a) không bị hòa lẫn vào nhân tố trội (A), tới thế hệ sau tính trạng lặn đƣợc thể hiện ở kiểu phân ly (aa). Rõ ràng con lai F1 có cấu trúc di truyền Aa đã tạo thành giao tử có theo một nhân tố di truyền A và a với tỷ lệ tƣơng đƣơng. Vấn đề này gọi là thuyết giao tử thuầnkhiết. Về sau, nhân tố di truyền kiểm tra tính trạng đƣợc W. Johansen (1909) đề xuất gọi là gen.
Hình 5.2. Sơ đồ lai của thí nghiệm lai theo một cặp tính trạng
Nguồn: http://bio1151.nicerweb.com/Locked/media/ch14/segregation.html
Trong thí nghiệm của Mendel, hạt của từng cây F2 đƣợc theo dõi riêng, đời F3 đã cho thấy rằng1/4 cây của F2sinh ra kiểu hình lặn tất cả đều là các cây lặn thuần chủng; điều đó có nghĩa là tất cả con cái của chúng là lặn. Tuy nhiên, trong số 3/4 các cá thể biểuhiện kiểu hình trội (ví dụ, màu sắc hoa tím), có hai phần tiếp tục phân ly, còn một phần đƣợc ổn định dạng hoa tím. Nhƣ vậy, kiểu hình trội ở F2không đồng nhất về kiểu gen, có hai phần là dị hợp tử (2Aa), một phần là đồng hợp tử (1AA). Trong khi đó, hậu thế của dạng hạt nhăn có sự thể hiện đồng nhất là hạt nhăn, nhƣ thế, kiểu gen lăn thể hiện ở trạng thái đồng hợp tử (aa), toàn bộ chúng có kiểu gen tƣơng ứng với kiểu hình.
Hình 5.3. Sơ đồ phân ly tính trạngmàu sắc hoa ở thế hệ F3
Điều kiện nghiệm đúng quy luật phân ly tính trạng (theo kiểu hình 3 trội : 1 lặn; theo kiểu gen 1AA : 2Aa : 1aa) nhƣ sau:
–Các dạng bố mẹ phải thuần chủng, phân biệtbởi các cặp tính trạng tƣơng phản.
–Tính trạng nghiên cứu trội hoàn toàn (giao tử thuần khiết).
–Số lƣợng cá thể phân tích ở thế hệ lai phải đủ lớn.
Ở trƣờng hợp lai theo một cặp tính trạng, sự phân ly về kiểu hình (3:1), kiểu gen (1:2:1)… gọi là những kết quả trông chờ, hay lý thuyết. Sự chênh lệch giữa kết quả thu đƣợc qua thực nghiệm với kết quả lý thuyết có thể ở mức nhỏ, mang tính ngẫu nhiên (có thể bỏ qua), hoặc sự chênh lệch này là lớn, mang tính quy luật, khi ấy cần tìm các nguyên nhân giải thích.Để kiểm chứng sự tƣơng ứng giữa kết quả thực tế thu đƣợc và kết quả lý thuyết trông chờ, giới nghiên cứu thƣờngsử dụng phƣơng pháp kiểm định χ2 – khi bình phƣơng.
5.2.1.2. Lai phân tích
Sự phân ly ở F2 về kiểu hình (3A– : 1aa) và kiểu gen (1AA : 2Aa : 1aa) chỉ có thể thu đƣợc khi kiểu dị hợp tử F1 (Aa) tạo ra hai dạng giao tử với tỷ lệ tƣơng đƣơng (1A : 1a). Để kiểm tra sự phân ly này, đã tiến hành phép lai F1 với bố hoặc mẹ có kiểu gen đồng hợp tử lặn(aa), phép lai này gọi là lai phân tích (Hình 5.4). Nhƣ vậy có thể hiểu: Lai phân tích là phép lai giữa cá thể có kiểu hình trội cần xác định kiểu gen (AA
hoặc Aa) với một cá thể có kiểu hình lặn (aa), mục đích là kiểm tra(xác định)kiểu gen của cá thể có kiểu hình trội.
Hình 5.4. Sơ đồ lai phân tích về tính trạng màu sắc hoa ở đậu Hà Lan
–Nếu cá thể có kiểu hình trội đem lai là thuần chủng (AA), con lai xuất hiện có tỉ lệ 100%kiểu hình trội.
–Nếu cá thể đem lai là dị hợp tử (Aa) sẽ xuất hiện tỉ lệ 1 : 1 (Hai kiểu hình phân ly thu đƣợc ở đời Fb : hoa tím, hoa trắng có tỷ lệ bằng nhau, chứng tỏ kiểu dị hợp tử F1
đã tạo ra hai dạng giao tử với tỷ lệ tƣơng đƣơng). Tỷ lệ 1 : 1 là tỷ lệ đặc trưng của phép lai phân tích.
Nhƣ vậy, phép lai phân tích cho phép xác định được bản chất di truyền của con lai. Thông qua kết quả phân ly về kiểu hình và kiểu gen ở Fb, rút ra được các dạng giao tử và tỷ lệ của chúng được hình thành từ kiểu gen đem phân tích. Phép lai này có nhiều
ứng dụng trong phân tích di truyền.
5.2.1.3. Di truyền trội không hoàn toàn (di truyền trung gian)
Một trƣờng hợp khác với thí nghiệm của Mendel là cơ thể lai F1 mang tính trạng trung gian giữa bố và mẹ (di truyền trung gian hay di truyền trội lặn không hoàn toàn).
Ở trƣờng hợp tính trạng thể hiện trội không hoàn toàn (kí hiệu chữ cái lớn có gạch ở
trên – Ā) kiểu dị hợp tử (Āa) có biểu hiện kiểu hình khác với kiểu đồng hợp tử trội
(ĀĀ). Ở đây, kết quả thu đƣợc sự tƣơng ứng về phân ly kiểu gen và phân ly kiểu hình
(nói cách khác đây là trƣờng hợp tỷ lệ phân ly về kiểu gen tƣơng ứng với tỷ lệ phân ly về kiểu hình).
Ví dụ, ở cây hoa phấn (Mirabilis jalapa) lai giữa dạng hoa đỏ và dạng hoa trắng,
con lai F1có dạng hoa hồng (trung gian). Ở F2thu đƣợc sự phân ly theo 1 đỏ : 2 hồng : 1 trắng (Hình 5.5.).
Trƣờng hợp này có thể giải thích rằng, kiểu đồng hợp tử trội ĀĀ tạo sắc tố màu đỏ, kiểu aa không có sắc tố thể hiện màu trắng, kiểu dị hợp tử Āa không đủ sắc tố màu đỏ nên có màu hồng (trung gian).
Hiện tƣợng tính trạng thể hiện trội không hoàn toàn quan sát thấy ở nhiều đối tƣợng sinh vật, ví dụ: Tính trạng màu sắc hoa cây cẩm chƣớng hay màu sắc quả cà tím… (Hình 5.6).
(A)
(B)
Hình 5.6. (A) –Màu sắc hoa cẩm chƣớng (bên trái –đỏ; giữa –hồng; bên phải –trắng) và (B) – màu sắc quả cà tím (bên trái –tím đậm; bên phải –tím nhạt)
5.2.1.4. Di truyền đồng trội
Di truyền đồng trội là đó là trƣờng hợp khi trong kiểu gen của một cơ thể có hai gen trội alen với nhau cùng biểu hiện tính trạng. Các alen nhƣ thế đƣợc gọi là các alen đồng trội. Điển hình là trƣờng hợp di truyền tính trạng nhóm máu AB của hệ nhóm máu ABO và nhóm máu MN của hệ nhóm máu M –N ở ngƣời (Hình 5.7).
Ví dụ 1. Ở ngƣời, trong hệ nhóm máu ABO, các alen IA và IB át chế hoàn toàn
alen IO (i) và giữa chúng có tác động ngang nhau (tức là IA, IB trội tƣơng đƣơng với nhau và trội hơn IO).
Một cặp vợ chồng, trong đó ngƣời vợ có nhóm máu A với kiểu gen IAIO (hoặc
IAi), còn ngƣời chồng có nhóm máu B với kiểu gen là IBIO (hoặc IBi). Khả năng cặp vợ chồng này sinh ra các con có thể có các nhóm máu là: A (IAi); B (IBi); AB (IAIB) và
trội tƣơng đƣơng: IA từ mẹ và IB từ bố. Hiện tƣợng này là gọi là di truyền đồng trội
(Hình 5.7a).
Ví dụ 2. Trong hệ nhóm máu M – N (do một locus thuộc nhiễm sắc thể thƣờng kiểm soát) có hai alen trội tƣơngđƣơng nhau là LM và LN. Nhƣ thế, trong một quần thể sẽcó ba kiểu gen LMLM, LMLN và LNLN, tƣơng ứng với ba kiểu hình hay nhóm máu là
M, MN và N.
Ngƣời vợ có nhóm máu M, kiểu gen là LMLM lấy ngƣời chồng có nhóm máu N, kiểu gen là LNLN. Cặp vợ chồng này sinh ra ngƣời con có nhóm máu MN, kiểu gen là
LMLN. Ngƣời con nhận đồng thời hai alen trội là LMtừ mẹ và LNtừ bố. Hiện tƣợng này gọi là di truyền đồng trội (Hình 5.7b).
(a)
(b)
Hình 5.7. Sơ đồ hiện tƣợng di truyền đồng trội nhóm máu ở ngƣời
(a) –Hệ nhóm máu ABO; (b) –Hệ nhóm máu M–N
Ngoài ra hai ví dụ trên còn quan sát thấy hiện tƣợng di truyền đồng trội trên thực vật nhƣ màu sắc hoa của cây Trà, màu sắc lông của một số động vật nhƣ gà, ngựa, bò…
(Hình 5.8).
(c) (d)
Hình 5.8. Hiện tƣợng di truyền đồng trội ở thực vật và động vật
(a) –màu sắc hoa cây Trà; (b) –màu sắc lông ở gà; (c) màu sắc lông ở ngựa; (d) màu sắc lông ở bò
5.2.2. Lai theo hai hay nhiều cặp tính trạng
Phép lai giữa các dạng bố mẹ khác nhauvề hai cặp tính trạng tƣơng phản gọi là lai hai tính trạng; khác nhau về nhiều cặp tính trạng gọi là lai nhiều cặp tính trạng. Trên cơ sở phân tích các dẫn liệu của thí nghiệm về hai cặp tính trạng Mendel đã đƣa ra quy luật thứ 3 –quy luật phân ly độc lập các tính trạng.
5.2.2.1. Quy luật phân ly độc lập các tính trạng
Sau khi chứng minh các tính trạng tƣơng phản nghiên cứu đều di truyền theo một phƣơng thức (trội – lặn), Mendel quan tâm đến việc nghiên cứu sự phân ly đồng thời của hai cặp tính trạng trong cùng một phép lai. Trong thí nghiệm kinh điển của Mendel đã sử dụng các dòng bố mẹ phân biệt nhau đồng thời hai cặp tính trạng: Màu sắc tử diệp vàng (A) và màu sắc tử diệp xanh (a); Dạng hạt trơn (B) và dạng hạt nhăn (b). Bố mẹ là các đồng hợp tử: Vàng, trơn (AABB) và xanh, nhăn (aabb) đƣợc đƣa vào tổ hợp lai, sơ đồ quá trình di truyền trình bày ở hình 5.5.
Kết quả cho thấy, F1 dị hợp tử theo hai cặp gen (AaBb) thể hiện đồng nhất theo hai tính trạng trội hạt vàng, trơn. Ở F2Mendel đã thu đƣợc bốn kiểu hình phân ly với số liệu sau: 315 hạt vàng, trơn : 108 hạt xanh, trơn : 101 hạt vàng, nhăn : 32 hạt xanh, nhăn. Kết quả này tƣơng ứng với tỷ lệ trông chờ (lý thuyết) là 9/16 : 3/16 : 3/16 : 1/16 (xử lý theo phƣơng pháp χ2thu đƣợc χ2
TN= 0,51, sự tƣơng ứng này là tin cậy).
Kết quả về phân ly kiểu hình ở đây cho phép nhận định rằng, trƣờng hợp lai theo hai cặp tính trạng, xảy ra sự phân ly và tổ hợp của các alen đồng thời nhƣ sự phối hợp của hai lai đơn độc lập. Có thể giải thíchnhƣ sau:
– Nếu xét tỷ lệ phân ly của từng tính trạng ở F2, sẽ có: 315 + 101 = 416 vàng và
108 + 32 = 140 xanh, xấp xỉ3 vàng : 1 xanh. Tƣơng tự, về hình dạng hạt, có 315 + 108 = 423 trơn và 101 + 32 = 133 nhăn, xấp xỉ 3 trơn : 1 nhăn. Điều đó chứng tỏ mỗi tính
trạng đều tuân theo quy luật phân ly 3 trội :1 lặn.
– Bằng cách áp dụng quy tắc nhân xác suất của các biến cố độc lập (xem mục
2.3.2c), dễ dàng chứng minh đƣợc rằng sự phân ly của hai tỷ lệ này là hoàn toàn độc lập nhau nhƣ dự đoán ban đầu. Thật vậy, (3 vàng :1 xanh)(3 trơn :1nhăn) = 9 vàng, trơn : 3
vàng, nhăn : 3 xanh, trơn : 1 xanh, nhăn.
Thu đƣợc các kết quả về phân ly F2 nhƣ trên, chứng tỏ F1dị hợp tử theo hai gen
(AaBb) đã tạo ra bốn dạng giao tử: AB, Ab, aB và ab với tỷ lệtƣơng đƣơng (hình 5.5).
Để kiểm tra sự kiện này Mendel đã tiến hành phép lai phân tích. Kết quả thu đƣợc bốn kiểu hình phân ly ở Fb : 55 vàng, tròn : 51 vàng, nhăn, 49 xanh, tròn, 53 xanh, nhăn. Xử lý theo phƣơng pháp χ2cho thấy kết quả này tƣơng ứng với tỷ lệ 1 : 1 : 1 : 1.
Cần lƣu ý rằngtỷ lệ 9:3:3:1 này cũng đƣợc Mendel tìm thấy trong khi lặp lại thí nghiệm với các tính trạng khác. Từ đó ông xây dựng nên quy luật phân ly độc lập các tính trạng hay quy luật 3:“Khi lai hai cơ thể bố mẹ thuần chủng phân biệt bởi hai cặp tính trạng tương phản thì sự di truyền của cặp tính trạng này không phụ thuộc vào sự di truyền của cặp tính trạng kia, kiểu hình ở F2phân ly theo tỷ lệ 9:3:3:1”.
Trong trƣờng hợp này, các alen của từng cặp gen phân ly độc lập, ngẫu nhiên, tạo nên các tổ hợp giao tử khác nhau –hai dạng giống thế hệ xuất phát, hai dạng tổ hợp mới tái tổ hợp. Những khả năng phối hợp khác nhau của các giao tử hình thành quần thể
phân ly F2: tỷ lệ phân ly kiểu hình 9 : 3 : 3 : 1, trong đó hai kiểu giống thế hệ xuất phát (9 vàng, tròn : 1 xanh, nhăn) và hai kiểu tổ hợp mới (3 vàng, nhăn : 3 xanh, tròn), gọi là các kiểu tái tổ hợp.
5.2.2.2. Lai theo nhiều cặp tính trạng
Xuất phát từ phân tích sự di truyền của một đôi alen trong lai một cặp tính trạng, có thể xây dựng mô hình di truyền của hai và nhiều cặp tính trạng độc lập.
Giả sử bố mẹ tham gia vào tổ hợp lai đƣợc phân biệt đồng thời theo ba cặp tính trạng tƣơng phản độc lập, sẽ có sơ đồ lai:
F1dị hợp tử theo 3 gen tạo tám dạng giao tử với tỷ lệ tƣơng đƣơng:
1ABC : 1ABc : 1Abc : 1AbC : 1aBC : 1aBc : 1 abC : 1abc, số lƣợng các dạng giao tửtƣơng ứng với 23.
Kiểu hình phân ly F2bao gồm 8 kiểu với tỷ lệ 27 : 9 : 9 : 9 : 3 : 3 : 3 : 1, tỷ lệ này ứng với triển khai của (3 : 1)3.
Số lƣợng các kiểu gen ở F2là 27 kiểu (3)3, có tỷ lệ tƣơng ứng với triển khai (1:2:1)3.
Các công thức tổng quát dùng để dự tính trong lai nhiều cặp tính trạng trình bày ở bảng 5.1. Cần lƣu ý rằng, các tính toán này đƣợc thỏa mãn chỉ với điều kiện các cặp gen di truyền độc lập, tức nằm trên các cặp nhiễm sắc thể tƣơng đồng riêng biệt (Nguyễn
Hồng Minh, 1999).
Bảng 5.1. Công thức tổng quát dự tính trong lai theo nhiều cặp tính trạng
Số cặp gen dị hợp Số dạng giao tử ở F1 Số lượng tổ hợp ở F2
Phân ly kiểu gen Phân ly kiểu hình Tỷ lệ dạng đồng hợp tử
lặn ở F2 Số
lượng Tỷ lệ phân ly lượngSố Tỷ lệ phân ly
1 2 4 3 1:2:1 2 3:1 1/4 2 4 16 9 (1:2:1)2 4 9:3:3:1 1/16 3 8 64 27 (1:2:1)3 8 (3:1)3 1/64 – – – – – – – – – – – – – – – – n 2n 4n 3n (1:2:1)n 2n (3:1)n 1/4n
5.2.3. Ứng dụng lý thuyết xác suất trong dự đoán và phân tích di truyền
Đểhiểu rõ hơn các phát hiện của Mendel và các nguyên lý của di truyền học nói chung, cũng nhƣ đểvận dụng các kiến thức này một cách có hiệu quảvào trong học tập,
nghiên cứu và thực tiễn đời sống–sản xuất, cần nắm vững một vài khái niệm và nguyên
lý xác suất cơbản dƣớiđây.
5.2.3.1. Một số khái niệm và tính chất cơ bản của xác suất
Xác suất (probability) đƣợc định nghĩa là số lần xảy ra một biến cố hay sự kiện (event) cụthể chia cho tổng số cơ may mà biến cố đó có thể xảy ra. Nếu ký hiệu xác suất của biến cố A là P(A), m là số lần xuất hiện của A và n là tổng số phép thử hay
toàn bộsốkhả năng có thể có, khi đó: P(A) = m / n; trong đó 0 ≤m ≤n, và n > 0. Nhƣ vậy, 0 ≤P(A) ≤ 1.
Phép thử là việc thực hiện một nhóm các điều kiện xác định, ví dụ một thí nghiệm tung đồng xu hay gieo hột xúc xắc hoặc một phép lai cụthể. Các kết quả khác
nhau có thểcó từphép thửgọi là các biến cố, đƣợc ký hiệu bằng các chữ cái in hoa nhƣ
A, B, C...
Ví dụ: Khi tung một đồng xu, sự kiện xảy ra chỉcó thể là mặt sấp (S) hoặc ngửa
(N) với xác suất tƣơng đƣơng là 0,5. Tƣơng tự, kiểu gen dịhợp Aa có thểtạo ra hai loại