Ở các loài sinh sản vô tính, cơ chế duy trì tính đặc trƣng của loài chính là cơ chế nguyên phân. Còn các loài sinh sản hữu tính, cơ chế chủ yếu để duy trì tính đặc trƣng của loài chính là quátrình giảm phân và thụ tinh. Quá trình giảm phântạo ra các giao tử có số lƣợng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa (n) so với tế bàosinh dƣỡng bình thƣờng (2n). Quá trình thụ tinh kết hợp hai giao tử đơn bội (n) để tạo thành hợp tử với bộ nhiễm sắc thểđặc trƣng của loài – 2n.
Quá trình giảm phân xảy ra ở tế bào sinh dục, đƣợcStrasburger mô tả năm 1884. Ở động vật, giảm phân xảy ra ở các tế bào noãn sơ cấp ở tuyến sinh dục cái và tinh bào sơ cấp ở tuyến sinh dục đực. Ở thực vật, giảm phân xảy ra trong các tế bào mẹ đại bào tử ở nhụy và tế bào mẹ tiểu bào tử ở nhị của hoa. Quá trình này xảy ra trƣớc lúc nở hoa trong túi phấn và bầu noãn. Giảm phân có nhiều điểm khác biệt với phân bào nguyên phân, bao gồm các hiện tƣợng: Sự bắt cặp của các nhiễm sắc thể tƣơng đồng, sự trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tƣơng đồng và sự giảm một nửa bộ nhiễm sắc thể ở tế bào con.
Nhƣ vậy, giảm phân là quá trình phân chia chuyên biệt của tế bào, xảy ra ở các tế bào sinh dục, trong đó số lƣợng nhiễm sắc thể giảm đi một nửa. Giảmphân trải qua hai lần phân chia liên tiếp nhau, gọi là giảm phân I và II (lần phân chia thứ nhất làm giảm số lƣợng nhiễm sắc thể đi một nửa, lần phân chia thứ hai giống nhƣ nguyên phân, số lƣợng nhiễm sắc thể giữ nguyên không đổi). Kết quả là từ một tế bào mẹ lƣỡng bội (2n) hình thành nên bốn tế bào con đơn bội (n). Có ba dạng giảm phân:
a. Giảm phân hợp tử(hay giảm phân khởi đầu)
Giảm phân hợp tửxảy rangay sau khi kết hợp giao tử cùng với lần phân chia đầu tiên của hợp tử.Nó đặc trƣng cho những cơ thể mà trong quá trình xen kẽ thế hệ, thì pha đơn bội là chủ yếu, còn pha lƣỡng bội chỉ gắn liền với thời kỳ tồn tại ngắn ngủi của hợp
tử (tảo, nấm, nguyên sinh động vật). Khi hai tế bàođơn bội kết hợp với nhau (n × n) tạo thành hợp tử (2n), hợp tử này tiến hành phân chia giảm phân tạo sản phẩm đơn bội (n) gọi là các bào tử, chúng có thể đƣợc nhân lên, các bào tử từ đó phát triển thành các cá thể đơn bội.
b. Giảm phân bào tử (hay giảm phân kiểu trung gian)
Kiểu giảm phân này xảy ra trong các tế bào mẹ của tiểu bào tử hoặc đại bào tử trong quá trình hình thành bào tử ở đa số giới thực vật. Kết quảcủa giảm phân tạo ra các bào tửđơn bội, chúng trải qua mộtgiai đoạn phát triển nữa mới hình thành nên các giao tử có khả năng thụ tinh để hình thành thế hệ lƣỡng bội mới.
c. Giảm phân giao tử (giảm phân giới hạn)
Đặc trƣng cho thế giới động vật, một số nguyên sinh động vật và tảo nâu. Giảm phân giao tử xảy ra trong quá trình hình thành giao tử. Sản phẩm của dạng giảm phân này là các giao tử, có thể thụ tinh đƣợc ngayđểtái tạo thế hệ lƣỡng bội mới mà không phải qua giai đoạn phát triển nào nữa.
3.1.2. Diễn biến của phân chia giảm nhiễm
Cũng giống nhƣ nguyên phân, trƣớc giảm phân cũng có mộtkỳ trung gian với các nhiễm sắc thểở dạng sợi mảnh để các gen trên đó thực hiện các hoạt động chức năng của mình. Trong đó có hoạt động tự nhân đôi của gen làm cơ sở cho sự tự nhân đôi của các nhiễm sắc thể thành hai cromatit dính nhau ở tâm động và tạo thành nhiễm sắc thể kép (ở pha S), trung thể cũng tự nhân đôi. Sau kỳ trung gian là hai lần phân chia liên tiếp, mỗi lần phân chia đều trải qua bốn kỳnhƣ sau: Kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối (Hình 3.1).
3.1.2.1. Giảm phân I
a. Kỳ đầu I (Prophase I)
Kỳ đầu I chiếm thời gian tƣơng đối dài và có nhiều diễn biến phức tạp. Dựa vào sự biến đổi về hình thái và hoạt động của các nhiễm sắc thể đã phân ra 5 giai đoạn (Hình 3.2).
Hình 3.2. Sơ đồ các phatrong kỳ đầu giảm phân I
Giai đoạn sợi mảnh (Leptoten). Nhiễm sắc thể ở nhân tế bào chuyển sang trạng thái co xoắn, hình thành các sợi nhiễm sắc thểrất mảnh, dài, phân bố khắp nhân, nhiều chỗ kết tụ lại nhƣ những búi, sợi. Nhiễm sắc thểở dạng sợi kép, song nó chỉ thể hiện rõ dần theo mức độ co xoắn.
Giai đoạn hợp sợi (Zygoten). Các nhiễm sắc thểtƣơng đồngtìm đến nhau vàtiếp hợp với nhau mộtcách chính xác theo từng vùng tƣơng ứng. Sự tiếp hợp diễn ra bắt đầu từ đầu mút của nhiễm sắc thểrồi kéo theo suốt chiều dài của nó.
Giai đoạn sợi thô (Pachiten).Các đôi nhiễm sắc thể tƣơng đồng hoàn thành tiếp hợp hoàn toàn với nhau theo suốt chiều dài nhiễm sắc thể, tạo thành mộtthể có độ lớn tăng, nhìn rõ dƣới kính hiển vi. Một bộ gồm hai nhiễm sắc thểkép tiếp hợp với nhau tạo thành một thể gồm bốn sợi, gọi là tứ thể (một cặp lƣỡng trị (divalent) hoặc bốn
cromatit), chúng có thể bắt chéo và trao đổi đoạn tạo hoán vị trên các gen.
Giai đoạn sợi đôi (Diploten):Sau khi hoàn thành tiếp hợp, hai nhiễm sắc thểcủa mỗi cặp tƣơng đồng đẩy nhau ra. Đồng thời tiếp tục co xoắn, tạo thành mộtthể tách đôi, nhìn rõ dƣới kính hiển vi. Lúc này xuất hiện một số điểm dính giữa 2 nhiễm sắc thể, gọi
là các chiasma (hình chéo). Vị trí hình thành các chiasma này có thể liên quan đến sự trao đổi đoạn giữa hai nhiễm sắc thểtƣơng đồng.
Giai đoạn kết thúc sợi đôi (Diakines). Các nhiễm sắc thểvẫn đi theo cặp, chúng có mức co xoắn lớn, đạt kích thƣớc ngắn nhấtvà lớn nhất. Trung tử tách nhau ra và tiến về hai cực tế bào, giữa chúng hình thành thoi vô sắc. Màng nhân và nhân con tiêu biến.
b. Kỳ giữa I (Metaphase I):
Các cặp nhiễm sắc thể tƣơng đồng (kép) tập trung và xếp thành 2 hàng trên mặt phẳng xích đạo của tế bào. Hai nhiễm sắc thểcủa một cặp tƣơngđồng gắn với cùng một sợi của thoi vô sắc trênmặtphẳngxích đạocủa tế bào.
c. Kỳ sau I (Anaphase I):
Mỗi nhiễm sắc thểkép trong cặp NST kép tƣơng đồng di chuyển (phân ly) độc lập với nhau theo thoi tơ vô sắc về mỗicực của tế bào.Do vậy ở mỗi cực của tế bào sẽ có n nhiễm sắc thể ở trạng thái kép.
d. Kỳ cuối I (Telophase I):
Các sợi nhiễm sắc thể tụ lại ở hai cực tế bào và chúng thực hiện chu kỳ duỗi xoắn. Màng nhân va nhân con đƣợc tái tạo, nhân chuyển về trạng thái tĩnh kỳ. Song song với quá trình trên, ở giữa tế bào hình thành vách ngăn để phân tách thành hai tế bào con (mang n nhiễm sắc thể kép).
Hình 3.3. Sơ đồ quá trình giảm phân
a – Kỳ đầu I; b – Kỳ giữa I; c – Kỳ sau I; d – Kỳ cuối I; e – Kỳ đầu II; f – Kỳ giữa II; g – Kỳ sau II; h – Kỳ cuối II Nguồn: http://www.slideshare.net/kindarspirit/13–meiosis–and–sexual–life–cycles
3.1.2.2. Giảm phân II
Giữa giảm phân I và giảm phân II thƣờng chỉ có một kỳ trung gian ngắn gọi là interkinesis. Trong thời gian này không xảy ra sự tổng hợp ADN, không xảy ra sự tự nhân đôi của nhiễm sắc thể, mỗi tế bào chứa một bộ nhiễm sắc thể đơn bội (n), trong đó mỗi nhiễm sắc thể chứa hai sợi nhiễm sắcchịem (n nhiễm sắc thể kép). Hai tế bào con đƣợc hình thành ở lần phân chia I cùng song hành với nhau và bƣớc vào lần phân chia thứ hai. Diễn biến của lần phân chia nàytƣơng tựnhƣ phân chia nguyên nhiễm.
Hình 3.4. Quá trình giảm phânở hạt phấn non của ngô
1 – Kỳ đầu I; 2 – Kỳ giữa I; 3 – Kỳ sau; 4 – Kỳ cuối; 5 – Kỳ trung gian II; 6 – Kỳ đầu II; 7 – Kỳ giữa II; 8 – Kỳ sau II; 9, 10 – Kỳ cuối II Nguồn: http://biologyforhighschool.net/?p=398
a. Kỳ đầu II (Prophase II)
Kỳ đầu IIthƣờng xảy ra rất nhanh và không rõ nét. Ở kỳ đầu II này trung thể đƣợc nhân đôi và tách nhau tiến về hai cực của tế bào, giữa chúng hình thành thoi vô sắc. Màng nhân và nhân con tiêu biến. Các nhiễm sắc thể kép dính vào các sợi thoi vô sắcở tâm động. Cũng trong kỳ đầu giảm phân II này không xảy ra sự nhân đôi và tiếp hợp trao đổi chéo nhiễm sắc thể.
b. Kì giữa II (Metaphase II):
Các nhiễm sắc thể(n) kép chỉ tập trung thành mộthàng ở mặt phẳng xích đạo của tế bào.
c. Kì sau II (Anaphase II):
Các nhiễm sắc thể kép tách nhau ở tâm động thành 2 nhiễm sắc thể đơn và di chuyểnvề hai cực tế bào nhờ sự co rút của cácsợi tơ ở thoi phân bào.
d. Kỳ cuối II (Telophase II)
Các nhiễm sắc thểđơn (n) tụ lại ở hai cực tế bào, duỗi xoắn, dài ra và trở về dạng sợi mảnh. Mạng nhân và nhân con đƣợc hình thành, thoi vô sắc tiêu biến. Hình thành vách ngăn chia tế bào mẹ thành 2 tế bào con.
Nhƣ vậy, từ một tế bào sinh dục 2n trải qua giảm phân cho ra bốn tế bào sinh dục đơn bội (n). Ở các loài động vật, quá trình phát sinh giao tử đực, 4 tế bào con sẽ biến thành 4 tinh trùng; quá trình phát sinh giao tử cái, 4 tế bào con sẽ biến thành 1 trứng và 3 thể cực (thể định hƣớng). Ở các loài thực vật, sau khi giảm phân các tế bào con phải trải qua một giai đoạn phát triển (một số lần phân bào nguyên nhiễm) để hình thành hạt phấn hoặc túi phôi.