VI. MỞ RỘNG CỦA DI TRUYỀN HỌC MENDEL
111Ở người, bệnh PKU xảy ra ở các cá thể đồng hợp về alen lặn,
Ở người, bệnh PKU xảy ra ở các cá thể đồng hợp về alen lặn,
những người mà bệnh này thiếu hẳn enzyme cần thiết cho sự chuyển hoá bình thường của axit amin phenylalamine thành sản phẩm sinh hoá kế tiếp, đồng thời nó còn làm cho những người mắc bệnh này có một số biến đổi khác như: chỉ số IQ thấp hơn, đầu bé hơn, tóc hơi nhạt màu hơn…Bệnh hồng cầu hình liềm có kiểu gen đồng hợp về alen đột biến lặn HbSHbS chỉ tạo ra các phân tử hemoglobin bất thường khiến cho tất cả các tế bào hồng cầu có dạng hình liềm, kích thước bé, màu đỏ nhạt. Các tế bào hình liềm nhanh chóng bị cơ thể phá huỷ và gây ra sự thiếu máu và suy yếu cơ thể nói chung. Ngoài ra do nó không thể di chuyển thong suốt trong mạch máu nên có xu hướng tích tụ và gây ngẽn mạch máu, dẫn đến người bệnh thường bị sốt định kỳ, đau đớn và tổn thương các cơ quan bộ phận khác như não, lách, tim, thận…
Ví dụ: Thí nghiệm của W.Bateson và R.C.Punnett về sự di truyền hình dạng mào ở gà. Khi lai giữa các giống gà thuần chủng mào hình hoa hồng với mào đơn (còn gọi mào hình lá) thu được F1 toàn gà mào hoa hồng, sau khi tạp giao F1 thì ở F2 có tỷ lệ phân ly 3hoa hồng: 1 đơn. Tương tự khi lai giữa các giống gà thuần chủng mào hình hạt đậu với mào đơn, F1 gồm tất cả mào hạt đậu và F2 phân ly 3mào hạt đậu: 1 mào đơn. Nhưng khi lai giữa hai giống gà thuần chủng mào hoa hồng và mào hạt đậu, thì ở F1 lại thu được tất cả có mào hình quả óc chó (hay hạt bồ đào) và tỷ lệ phân ly ở F2 xấp xỉ 9 hình quả Óc chó: 3 hình hoa hống : 3 hình hạt đầu : 1 mào đơn.
Giải thích: Các kết quả trong hai thí nghiệm đầu cho thấy các dạng mào hoa hồng và hạt đậu là trội so với mào đơn. Kết quả sau cùng cho thấy F2 có 16 kiểu tổ hợp với tỷ lệ ngang nhau trong khi F1 đồng nhất kiểu gen (vì bố mẹ thuần chủng); điều đó chứng tỏ F1 đã cho 4 loại giao tử với tỷ lệ tương đương, nghĩa là dị hợp tử về hai cặp gen phân ly độc lập. Suy ra tính trạng này do hai gen khác nhau chi phối, tuân theo qui luật tương tác gen. Mặt khác, kiểu hình mới biểu hiện ở F1 và khoảng 9/16 ở F2 phải là kết quả của sự tương tác giữa các gen trội không alen theo kiểu bổ trợ.
Qui ước: R-P-: Mào quả óc chó (bổ trợ các gen trội R và P) R-pp: Mào hoa hồng (biểu hiện của gen trội R) rrP-: mào hạt đậu (biểu hiện của gen trội P rrpp: mào đơn (khuyết cả hai gen trội; kiểu dại) Phép lai:
Ptc Mào hoa hồng (RRpp) x Mào hạt đậu (rrPP)
F1 Mào quả óc chó (RrPp)
F1xF1 RrPp x RrPp = (Rr x Rr)(Pp x Pp)
F2 (3R-:1rr)(3P-:1pp) = 9R-P-:3R-pp:3rrP-:1rrpp = 9 óc chó : 3 hoa hồng : 3 hạt đậu : 1 đơn
VI.3.1.2. Tương tác bổ trợ với tỷ lệ 9:7
Ví dụ: Thí nghiệm của Bateson và Punnett về sự di truyền màu sắc hoa ở cây đậu ngọt (Lathyrus odoratus). Từ phép lai giữa hai giống hoa trắng thuần chủng khác nhau, họ thu được F1 toàn hoa màu đỏ tía. Khi cho các cây F1 tự thụ phấn ở F2 nhận được 382 hoa đỏ tía và 269 hoa trắng. Rõ ràng kết quả này gần với tỷ lệ 9:7
Giải thích: Kiểu hình đỏ tía là kết quả của sự tương tác bổ trợ giữa hai gen trội không alen phân ly độc lập
Dựa trên cơ sở sinh hoá, sự hình thành màu hoa là kết quả của sự tổng hợp một hợp chất gọi là anthocyanin, thông qua một chuỗi các khâu chuyển hoá được xúc tác bởi các enzyme vốn là sản phẩm của các gen. Nếu bất kỳ khâu nào trong quá trình tổng hợp bị gián đoạn do vắng mặt của 1 enzyme thì sự hình thành màu sắc không xảy ra. Sơ đồ tổng quát như sau:
VI.3.1.3. Tương tác bổ trợ với tỷ lệ 9:6:1
Ví dụ: Sự di truyền hình dạng quả bí ngô. Khi lai hai giống bí ngô thuần chủng quả tròn khác nguồn gốc, ở F1 xuất hiện toàn dạng quả dẹt và ở F2 có sự phân ly xấp xỉ 9 dẹt : 6 tròn :1 dài.
Giải thích: Do sự tương tác bổ trợ giữa các gen trội và các gen lặn.
Qui ước: D-F-: quả dẹt (do tương tác bổ trợ giữa D và F) D-ff và ddF-: Quả tròn (chỉ có một gen trội D, F) ddff: Quả dài (do khuyết đồng thời cả hai gen trội)
Phép lai:
Ptc Quả tròn 1 (DDff) x Quả tròn 2(ddFF)
F1 Quả dẹt (DdFf)
F1 x F1 DdFf x Ddff = (Dd x Dd)(Ff x Ff)
F2 (3D-:1dd)(3F-:1ff) = 9D-F- : (3D-ff + 3ddF-) : 1 ddff = 9 quả dẹt : 6 quả tròn : 1 quả dài
VI.3.2. Tương tác át chế (epistasis)
Qui ước: A-R-: hoa đỏ tía (do tác động bổ trợ giữa các gen trội A và R)
A-rr, aaR-, aarr: hoa trắng (do không có mặt cả hai gen trội)
Phép lai:
Ptc Hoa trắng 1 (AA) x Hoa trắng 2 (aarr)
F1 Hoa đỏ tía (AaRr)
F1 x F1 AaRr x AaRr = (Aa x Aa)(Rr x Rr)
F2 (3A- :1aa)(3R- :1rr)=9A-R- : (3A-rr+3 aaR- + 1aarr) = 9 đỏ tía : 7 trắng
Kiểu gen có chứa A Kiểu gen có chứa R
Enzyme (A) Enzyme (R)
Chất tiền thân Sản phẩm trung gian Anthocyanin
Đây là hiện tượng một gen này kìm hãm sự biểu hiện của một gen khác không alen với nó. Gen át chế có thể là trội hoặc lặn.
VI.3.2.1. Át chế do gen lặn với tỷ lệ 9:3:4
Ví dụ: Sự di truyền màu sắc lông ở chuột. Khi lai giữa hai dòng thuần chủng lông nâu và bạch tạng. Ở F1 xuất hiện toàn chuột lông đen; khi cho chuột F1 tạp giao với nhau, ở F2 có sự phân ly với tỷ lệ 9 đen : 3 nâu : 4 bạch tạng.
Giải thích: Để giải thích kết quả này, ta qui ước B-C-: đen; bbC- : nâu; B-cc và bbcc: bạch tạng. Từ đó ta thấy alen c khi ở trạng thái đồng hợp (cc) kìm hãm sự biểu hiện của B- và bb khiến cho các B-cc và bbcc không có sắc tố. Đối với kiểu hình còn lại có thể giải thích theo một trong hai cách sau:
+ Alen C là đột biến trội nên mất khả năng át chế và bản thân nó không tạo màu; alen trội B qui định màu đen là trội so với alen b-màu nâu khi nó ở trạng thái đồng hợp; kết quả là B-C- có kiểu hình lông đen và bbC- cho kiểu hình lông nâu. Như thế ở đây không xảy ra sự tương tác bổ trợ giữa các gen trội B và C.
+ Alen C – màu nâu và gen B – gen tạo màu, trong khi bb không có khả năng đó. Do đó khi gen trội C (không có khả năng át chế) đứng riêng sẽ cho màu nâu; còn đứng chung với gen trội B sẽ cho hiệu quả bổ trợ trội với kiểu hình màu đen. Cách giải thích này chỉ hợp lý trên hình thức khi cho răng alen trội C qui định màu nâu.
Phép lai:
Ptc Chuột nâu (bbCC) x Chuột bạch tạng (BBcc)
F1 Tất cả chuột đen (BbCc)
F1 x F1 BbCc x BbCc = (Bb x Bb)(Cc x Cc)
F2 (3B-:1bb)(3C-:1cc) = 9B-C- : 3bbC- : (3B-cc + 1bbcc) = 9 đen : 3 nâu : 4 bạch tạng
F2
VI.3.2.2. Át chế do gen trội với tỷ lệ 12:3:1
Ptc F1
x
Ví dụ: Sự di truyền màu sắc lông ngựa. Khi lai giữa hai giống ngựa thùân chủng lông xám và hung đỏ, ở F1 thu toàn ngựa lông xám. F1 tạp giao thu được ở F2 tỷ lệ kiểu hình xấp xỉ 12 xám : 3 đen : 1 hung đỏ.
Giải thích: Để giải thích kết quả này ta qui ước: A-B- và A-bb: xám; aaB-: đen; aabb: hung đỏ. A-B- và A-bb cho kiểu hình lông xám dù có chứa B và bb vì gen trội A át chế và đồng thời còn có khả năng tạo màu xám, còn alen a không có cả hai khả năng đó.
Sơ đồ lai:
Ptc Ngựa xám (AABB) x Ngựa hung đỏ (aabb)
F1 Toàn ngựa xám (AaBb)
F1 x F1 AaBb x AaBb = (Aa x Aa)(Bb x Bb)
F2 (3A-:1aa)(3B-:1bb) = (9 A-B- + 3A-bb): 3aaB- : 1 aabb = 12 xám : 3 đen : 1 hung đỏ
VI.3.2.3. Át chế do gen trội với tỷ lệ 13:3
Ví dụ: Sự di truyền màu sắc lông ở Gà. Khi lai giữa giống gà thuần chủng Leghorn trắng và gà Wyandotte trắng, ở F1 thu được toàn gà lông trắng. Sau khi cho tạp giao các cá thể F1, ở F2 có tỷ lệ phân ly kiểu hình xấp xỉ 13 lông trắng : 3 lông có màu
Giải thích: để giải thích kết quả này, ta qui ước I-C-, I-cc và iicc: trắng; iiC-: có màu. Theo đó, alen trội C - mang gen sản xuất chất tạo màu (chromogen) là trội so với alen c- không có khả năng tạo màu; alen trội I (inhibitor) át chế và không có khả năng tạo màu, alen i không có khả năng át chế lẫn tạo màu.
Sơ đồ lai:
Ptc Gà Leghorn trắng (IICC) x Gà Wyandotte trắng (iicc)
F1 Toàn gà trắng (IiCc)
F1 x F1 IiCc x IiCc = (Ii x Ii)(Cc x Cc)
F2 (3I-:1ii)(3C-:1cc) = (9 I-C- + 3I-cc + 1 iicc): 3iiC- = 13 trắng : 3 có màu
VI.3.3. Sự di truyền các tính trạng số lượng VI.3.3.1. Tính trạng số lượng (quantitative trait)
Các tính trạng có trị số kiểu hình liên quan đến kích thước, trọng lượng hay hình dạng...được xác định dựa trên thang định lượng được gọi là tính trạng số lượng.
Các tính trạng số lượng có đặc điểm là do nhiều gen quy định, chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện môi trường và có sự phân bố kiểu hình liên tục trong cả quần thể. Tuy nhiên chúng cũng có thể gồm các lớp kiểu hình khác nhau như dãy màu sắc ở hạt lúa mỳ hoặc số dãy hạt trên bắp ngô. Vì vậy, đối với các tính trạng này thường không có mối quan hệ chính xác giữa trị số kiểu hình và một kiểu gen cụ thể. Chẳng hạn, ở người, đó là các tính trạng về chiều cao, chỉ số IQ, trọng lượng ; ở lúa, đó là số hạt trên bông, số bông trên mỗi khóm…Những năm 115
gần đây, nhờ các chỉ thị phân tử (molecular marker) có thể tiến hành lập bản đồ các gen cho các tính trạng đặc biệt như năng suất cây trồng gọi là các QTLs-các locus tính trạng số lượng.
VI.3.3.2. Tương tác cộng gộp (additive)
Tương tác cộng gộp là hiện tượng di truyền đặc trưng của một số tính trạng số lượng hay tính trạng đa gen (polygenic trait), trong đó các gen không alen tác động cùng hướng lên sự biểu hiện của một tính trạng. Mỗi alen của các gen đa phân như thế đóng góp một phần ngang nhau trong sự biểu hiện ra kiểu hình ở một mức độ nhất định. Như vậy, liều lượng các alen tăng dần trong các kiểu gen sẽ tạo ra một dãy biến dị kiểu hình liên tục.
Ví dụ: Thí nghiệm của Herman Nilsson-Ehle (1909) về sự di truyền màu sắc hạt lúa mỳ (phôi nhũ). Khi lai giữa các giống lúa mỳ thuần chủng hạt đỏ với hạt trắng, ở F1 thu được toàn dạng trung gian có màu hồng. Tuỳ theo dạng hạt đỏ được sử dụng trong các thí nghiệm mà ở F2 sẽ có các tỷ lệ phân ly giữa hạt có màu với hạt không màu (trắng) là 3:1, 15:1 hay 63:1. Kết quả phân tích cho thấy chúng do 2-3 gen đa phân chi phối. Dưới đây ta xét trường hợp F2 với tỷ lệ 15màu:1không màu (1 đỏ:4 đỏ nhạt:6 hồng: 4 hồng nhạt: 1 trắng)
Giải thích: Do F2 có 16 kiểu tổ hợp với tỷ lệ tương đương trong khi F1 đồng nhất kiểu hình, chứng tỏ F1 cho 4 loại giao tử với tỷ lệ ngang nhau nghiã là dị hợp tử về hai cặp gen phân ly độc lập. Ở đây, F1 biểu hiện trung gian của hai bố mẹ và F2 xuất hiện một dãy biến dị lien tục cùng hướng. Điều đó chứng tỏ tính trạng này tuân theo quy luật tác động cộng gộp hay đa phân tích luỹ.
Qui ước: Vì alen màu đỏ là trội hơn alen màu trắng và mức độ biểu hiện của các hạt có màu ở F2 tuỳ thuộc vào liều lượng các alen màu đỏ có trong kiểu gen, nên người ta thường ký hiệu các gen không alen bằng chỉ số 1, 2,…kèm theo chữ cái in hoa (A) cho alen trội và chữ cái in thường a cho alen lặn, như sau: A1, A2 - đỏ; a1, a2 - trắng. Từ đó xác định được kiểu gen của F1, P và trình bày sơ đồ lai như sau:
Ptc A1A1A2A2(đỏ) x a1a1a2a2 (trắng)
F1 A1a1A2a2 (hồng)
F2
Alen trội 4 3 2 1 0
Kiểu gen 1A1A1A2A2 2A1A1A2a2 2A1a1A2A2 4A1a1A2a2 1A1A1a2a2 1a1a1A2A2 2A1a1a2a2 2a1a1A2a2 1a1a1a2a2 Kiểu hình Đỏ Đỏ nhạt Hồng Hồng nhạt trắng Tỷ lệ KH 1/16 4/16 6/16 4/16 1/16
VI.3.3.3. Ứơc lượng hệ số di truyền (heritability)
Tìm hiểu vấn đề ước lượng di truyền dựa trên hệ số tương quan của một số tính trạng ở các cặp sinh đôi cùng trứng (monozygotic twins) và sinh đôi khác trứng (dizzygotic). Những cặp sinh đôi cùng trứng thì có cùng kiểu gen, do đó, bất kỳ sự sai khác nào đều là do nhân tố môi trường. Để xác định mức độ tương đồng hay giống nhau đó cần phải tính hệ số tương quan r giữa các cá thể về các tính trạng khác nhau. Trị số cao nhất của r là 1, trong đó tất cả các cặp cá thể đều có cùng trị số kiểu hình như nhau. Đối với tính trạng không có sự tương quan giữa các cá thể thì trị số r = 0.
Tiến hành nghiên cứu các hệ số tương quan về 4 tính trạng khác nhau ở các cặp sinh đôi cùng trứng (rM) và sinh đôi khác trứng nhưng đồng giới (rP). Công thức để tính hệ số di truyền như sau:
h2 = 2(rM – rP) Kết quả nghiên cứu như sau:
Tính trạng Hệ số tương quan Hệ số di truyền
rM rP
Số lượng nếp vân tay 0.96 0.47 0.98
Chiều cao 0.90 0.57 0.66
Điểm IQ 0.83 0.66 0.34
Điểm trưởng thành xã hội 0.97 0.89 0.16
Qua kết quả này ta thấy, hầu hết sự biến đổi các chỉ số IQ và trưởng thành xã hội dường như do môi trường, trong khi sự biến đổi số vân tay và chiều cao dường như là do sự di truyền.