🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình di truyền và chọn giống thủy sản Ebooks Nhóm Zalo Ịrs. PHẠM THANH LIÊM G THÚY YÊN - E H DI TRUYEN VA CHỌN GIỐNG THUYSẢN W NHÀ XUẤT BÁN NÔNG NGHIỆP TS. PHẠM THANH LIÊM, TS. DƯƠNG THỦY YÊN VÀ TS. BÙI MINH TÂM Giáo trình DI TRUỲÊN VÀ CHỌN GIỐNG THỦY SẢN ■ NHÀ XUẤT BẢN NÔNG NGHIỆP 1 MỤC LỤC Trang Lời giới th iệu ............................................................................................... vii CHƯƠNG 1. CÁC KHÁI NIỆM c ơ BẢN VỀ DI TRUYỀN HỌC.... 1 1. Gen và nhiễm sắc th ể ................................................................................. 1 1.1 Gen ...........................................................................................................1 1.2 Nhiễm sắc thể.......................................................................................... 2 1.2.1. Sổ lượng cùa N S T ..............................................................................2 1.22. Hình thái và phân loại NST................................................................3 2. Pi truyền M endel.......................................................................................4 3. Gián phân....................................................................................................7 4. Oiảm phân...................................................................................................7 5. Sự xác định giới tính................................................................................11 5.1 Cơ chế xác định giới tính ở c á ............................................................11 5.2 Cơ chế xác định giới tính ở giáp xác.................................................13 CHJ'ONG II. DI TRUYỀN CÁC TÍNH TRẠNG CHẤT LƯỢNG... 15 1. Oen nằm trên 1 nhiễm sắc thể thường..................................................15 1.1 Gen thể hiện tính trội hoàn toàn..........................................................15 1.2. Trội không hoàn toàn........................................................................... 17 1.3.Cộng gộp (additive action).................................................................. 19 2. ri truyền 2 tính trạng..............................................................................20 3. Fai hoặc nhiều gen trên NST thường...................................................21 3.1 Không có tương tác át c h ế .................................................................. 21 3.1.1. Tương tác bồ trợ................................................................................ 21 3.12. Cộng hợp............................................................................................ 22 3.2.Tương tác át chế.................................................................................... 23 3.2.1. Tương tác át chế trộ i........................................................................ 24 3.22. Tương tác át chế lặn......................................................................... 26 3.23. Ảnh hưởng tích lũy của hai gen..................................................... 27 3.24. Tương tác 2 gen trội......................................................................... 28 3.25. Tương tác 2 gen lặn.......................................................................... 28 3.25. Tương tác trội và lặn........................................................................ 29 4. ri truyền liên kết với giới tính.............................................................. 30 4. l .Gen liên kết với NST giới tính Y (Y-linked gen)...........................30 4.2.Gen liên kết với NST X ....................................................................31 4.3.Kiểu hình giới hạn bời giới tính.........................................................33 5. (en đa alen................................................................................................33 6. Niiều tính trạng (Pleiotropy)................................................................ 34 7. Nức ngoại hiện (penetrance) và độ biểu hiện (expressivity)........... 36 8. liên kết gen.............................................................................................. 37 111 CHƯƠNG III. DI TRUYỀN HỌC QỤẦN TH Ê....................................39 1. Những khái niệm cơ bản về di truyền quần th ể ..................................39 1.1. Quần thể và di truyền quần th ể .......................................................... 39 1.2. Tần số alen, tần số kiểu gen và ti lệ đồng hợp/dị hợp của quần th ể .................................................................................................. 39 1.3. Định luật H ardy- Weinberg............................................................. 40 2. Phương pháp xác định tần số alen và tần số kiểu gen........................ 41 2.1. Gen trên NST thường........................................................................... 41 2.1.1. Trội không hoàn toàn hoặc cộng gộp............................................. 41 2.1.2. Trội hoàn toàn................................................................................... 44 2.1.3. Hai hoặc nhiều gen qui định các tính trạng riêng b iệt................45 2.1.4. Gen át chế........................................................................................... 47 2.2. Gen liên kết với giới tính..................................................................... 48 2.2.1. Gen liên kết với NST Y ...................................................................48 2.2.2. Gen liên kết với X ............. .............................................................. 49 2.3. Xác định tần số alen và tần số kiểu gen dựa trên marker di truyền.........................................................................................................52 3. Sự thay đổi tần số alen trong quần th ể................................................. 54 3.1. Đột biến (mutation)..............................................................................54 3.2. Di nhập gen (migration)...................................................................... 54 3.3. Lạc dòng di truyền (genetic drift) .....................................................55 3.4. Chọn lọc tự nhiên................................................................................. 56 CHƯƠNG IV. DI TRUYỀN CÁC TÍNH TRẠNG SỐ LƯỢNG.......59 1. Đặc trưng của tính trạng số lượng.........................................................59 2. Sự biến động của các tính trạng số lượng............................................60 3. Biến động của di truyền cộng gộp và sự chọn lọ c ............................. 62 3.1. Hệ số di truyền (heritability)...............................................................63 3.2. Chọn lọc.............................. ................................................................. 69 3.2.1. Không chọn lọc (no selection)........................................................70 3.2.2. Chọn lọc trực tiếp.............................................................................. 71 3.2.3. Chỉ số chọn lọc (selection index)................................................... 72 4. Biến động của di truyền tính trội Vd.................................................... 74 5. Biến động môi trường VE ...................................................................... 74 5.1. Tăng trưởng đột ngột (shooting)........................................................75 5.2. Ảnh hưởng phóng đại (magnification effects).................................75 5.3. Ảnh hưởng của thời gian sinh sản kéo dài.......................................76 5.4. Ảnh hường của con mẹ (maternal effects).......................................76 5.4.1. Tuổi và kích thước con mẹ............................................................. .77 5.4.2. Kích thước trứng............................................................................... 77 5.5. Chăm sóc đa chiều (Multiple nursing)..............................................78 5.6. Thả nuôi quần thể (communal stocking)......................................... .78 6. Biến động của sự tương tác giữa kiểu ẹen và môi trường................ 79 CHƯƠNG V. CÁC PHƯƠNG PHÁP CAI THIỆN DI TRỰYỀN CÁ............... ...........................................................................82 1. Thuần hóa và di nhập giống (domestication & introduction).........82 1.1. Thuần hóa............................................................................................... 82 1.1.1. Khái niệm............................................................................................82 1.1.2. Kết quả của thuần hóa....................................................................... 83 1.1.3. Ý nghĩa của CỊuá trình thuần h ó a .....................................................84 1.1.4. Những vấn đề cần lưu ý trước khi thuần hóa:...............................86 1.1.5. Các bước của tiến trình thuần hóa...................................................87 1.1.6. Các phương thức áp dụng trong quá trình thuần hóa...................87 1.1.7. Những trở ngại của quá trinh thuân hóa một đôi tượng thủy sản .......................................................................................................... 88 1.2. Di nhập g iố n g .....................................................................................89 1.2.1. Một số khái niệm .............................................................................. 89 1.2.2. Mục đích của di nhập giống.............................................................90 1.2.3. Tác động của cá nhập nội.................................................................90 1.2.4. Hiện trạng các loài cá tôm nhập nội ở Việt Nam......................... 92 2. Đánh giá dòng (strain evaluation)......................................................... 95 3. Chọn lọc (Selection).................................................................................97 3.1. Các phương pháp chọn lọc.................................................................. 97 3.1.1. Chọn lọc cá thể (Mass selection)....................................................97 3.1.2. Chọn lọc quần thể (Family selection)............................................ 97 3.2. Một số kết quả đạt được bằng phương pháp chọn lọ c ................100 3.3. Tác dụng kéo theo (correlated responses) và chọn lọc gián tiếp (indirect selection).......................................................................................101 4. Các phương pháp la i..............................................................................102 4.1 Giao phối cận huyết (inbreeding)................................................... 102 4.1.1. Mục đích cùa giao phối cận huyết................................................102 4.1.2. Những ảnh hưởng tiêu cực của giao phôi cận h u y êt.................103 4.2. Lai chéo cùng loài (intraspecific crossbreeding).........................103 4.3. Lai xa khác loài (interspecific hybridization)................................ 104 5. Sinh sản đơn tính nhân tạo và đa bội th ể ...........................................110 5.1. Sinh sản đơn tính cái nhân tạo (Gynogenesis) hay mẫu sinh nhân tạo..................................................................................................................110 5.2. Sinh sản đơn tính đực nhân tạo hay phụ sinh nhân tạo (Androgenesis)...........................................................................................113 5.3. Đa bội thể (Polyploidy)......................................................................114 6. Chuyển giới tính cá (Sex-reversal).....................................................116 6.1. Phương pháp dùng hormon chuyển giới tín h ..............................116 6.1.2. Cơ sở khoa học..................................................................................116 V 6.1.2. Phương pháp thực h iệ n ................................................................... 117 6.2. Chuyển đổi giới tính bàng phương pháp lai xa khác lo ài...........118 6.2.1. Cơ sở khoa học..................................................................................118 6.2.2. Một số công thức lai cho tỉ lệ cá đực cao ở cá rô phi...............118 6.2.3. Ưu và nhược điểm của phương pháp lai x a .................................119 6.2.4. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp lai xa thay đổi giới tính cá ở Việt Nam............................................................... .......................................119 6.3. Sản xuất cá siêu đực bằng phương pháp kết hợp sử dụng hormone và lai tạo........................................................................................................ 120 6.3.1. Cơ sở khoa học..................................................................................120 6.3.2. Phương pháp sản xuất cá rô phi siêu đực..................................... 120 6.3.3. Ưu và nhược điểm cùa phương pháp sản xuất cá siêu đực .... 122 CHƯƠNG VI. CONG NGHỆ DI TRUYEN TRONG THỦY SẢN 126 1. Phản ứng chuỗi (Polymerase chain reaction, PCR )..........................126 1.1. Nguyên tắc chung của P C R ...............................................................126 1.2. Chu kỳ nhiệt trong phản ứng PC R ....................................................128 1.3. Nồng độ các chất trong phản ứng PCR............................................128 1.3.1. Nồng độ enzyme Taq polym erase................................................ 128 1.3.2. Nồng độ Deoxynucleoside triphosphate (dNTP) ...................... 129 1.3.3. Nồng độ ion Mg2+ ........................................................................... 129 1.3.4. Nồng độ DNA khuôn mẫu .............................................................130 1.3.5. Nồng độ m ồ i..................................................................................... 130 1.3.6. Dung dịch đệm (buffer).................................................................. 130 1.3.7. Chất ổn định hoạt tính enzyme ..................................................... 131 2. Một số kỹ thuật sinh học phân từ ứng dụng trong thủy sản.............131 2.1. ứ ng dụng của kỹ thuật A llozym e.................................................... 132 2.2. Kỹ thuật phân tích đa hình khuếch đại ngẫu nhiên RAPD (Random Amplified Polymorphic DNA)............................. .................. 132 2.3. Kỹ thuật phân tích đa hình chiều dài các đoạn phân căt giới hạn - RFLP (Retrict Fragment Length Polymorphism)..................................133 2.4. Kỹ thuật phân tích đa hình độ dài các đoạn khuếch đại - AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphism) ......................................134 2.5. Kỹ thuật phân tích trình tự g en ......................................................... 135 2.6. Kỹ thuật phân tích microsatellite......................................................137 vi LỜI GIỚI THIỆU t 'X i truyền học là khoa học nghiên cứu về tính di Ê ầ truyền và biến dị cùa sinh vật, tìm hiểu qui luật Ể s tương đồng và sự khác nhau giữa các cá thể có quan hệ họ hàng. Trài qua hơn một thế kỷ hình thành và phát triển, khoa học di truyền đã đạt nhiều thành tựu và tiến bộ vượt bậc. Các nhà khoa học đã dựa vào lý luận di truyền cơ bàn và qui luật dí truyền đặc hữu của từng đoi tượng, đế xây dựng các chương trình chọn giống tạo ra các giống vật nuôi phục vụ cho mục đích mong muốn của con người. Mãi cho đến trước năm 1970, có rất ít các công trình nghiên cứu ve di truyền cá, nhưng trong vài thập niên gần đây, lĩnh vực này đã phát triển rất mạnh. Nhiều tính trạng cùa các loài cá nuôi đã được cài thiện như tốc độ sinh trưởng, hệ so chuyển hóa thức ăn, khả năng kháng bệnh, khả năng thích ứng với điều kiện môi trường nước xấu, hình dạng cơ thể, ti lệ và chất lượng thịt... Các chương trình chọn giong đã được ứng dụng trong thủy sàn bao gom thuần hóa - di nhập giống, chọn lọc, các kỹ thuật lai tạo, điều khiển giới tính, đa bội thể và các kỹ thuật di truyền nham nâng cao chắt lượng các loài thủy sản nuôi. Trong thực tế, nghiên cứu di truyền trên các loài cá nuôi ít được quan tâm hom các khía cạnh dinh dưỡng, quản lý sức khỏe và chất lượng nước. Nhiều người nuôi cá cho rằng, di truyền chi là lĩnh vục dành chu các nhà khoa học, nhưng hụ lại quan tâm nhicu đôn sự suy giảm chất lượng con giong một vấn để có liên quan đến di truyền. Vì vậy, giáo trình này được biên soạn với mục đích giúp cho sinh viên thủy sản, những nhà quàn lý trại giong tương lai, (i) nhận thức được di truyền là cơ sớ khoa học của việc chọn giống, một việc làm thường xuyên cùa người quàn lý trại giống; (ii) thay rõ di truyền không phải là một lĩnh vực khó hiểu và chi dành riêng cho những nhà di truyền học; và (iii) hiểu rõ chất lượng giống thủy sàn phụ thuộc nhiều vào các chương trình sinh sản và làm thế nào quản lý được chât lượng cá nuôi. Với mục đích trên, các khái niệm cơ bản về di truyền cô điên, di truyền quần thể, di truyền số lượng đến di truyền phân tử được trình bày ngắn gọn, cô đọng; song song đó là các minh họa, thi dụ được trích dẫn trực tiếp từ các két quả nghiên cứu, phát hiện trên cá và động vật thủy sàn khác. Giáo trình này không chi là tài liệu học tập dành riêng cho sinh viên đại học các ngành Nuôi trồng thủy sản và Bệnh học thủy sản mà cỏn là tài liệu tham khảo cần thiết cho sinh viên và học viên Cao học các ngành học khác có liên quan đến nuôi và quản lý nguồn lợi thủy sản. Ngoài ra, đây cũng là tài liệu tham khảo cho các nhà nghiên cứu, nhà quàn lý giống và nguồn lợi thủy sản. Giảo trình biên soạn lần đầu chắc không tránh khỏi những thiếu sót, các tác giả rất mong nhận được sự góp ý cùa sinh viên và các độc giả để giáo trình được cải tiến, hoàn thiện hom. NHÓM BIÊN SOẠN CHƯƠNG 1 CÁC KHÁI NIỆM C ơ BẢN VÈ DI TRUYỀN HỌC 1. Gen và nhiễm sắc thể 1.1. Gen Gen là đơn vị cơ sở cùa bộ máy di truyền, nằm trên nhiễm sắc thể và mang thông tin di truyền mã hóa cho một sản phẩm nhất định. Gen có thể được mã hóa để tạo ra ARN được sử dụng trực tiếp hoặc cho tổng hợp các enzyme, các protein cấu trúc hay các mạch polypeptide để gắn lại tạo ra protein có hoạt tính sinh học. Locus là chi vị trí của gen trên nhiễm sắc thể nhung thông thường, hai khái niệm này được dùng có ý nghĩa như nhau. Lưỡi liềm dầy Sao chối Trăng đầy Hình 1.1: Các dạng đốm trên đuôi của cá kiếm (Xiphophorus maculatus) do gen p điều khiển (P+ alen lặn, các alen còn lại là đồng trội); (theo Gordon, 1956, trích từ Tave, 1993) Gen là một đoạn nhò của phân tử DNA (deoxyribonucleotic acid), hoàn chinh bởi sự sắp xếp thẳng hàng theo một cấu trúc đặc tnmg. Gen có thể biểu hiện thành 1 hay nhiều kiểu, mồi kiểu của một gen đặc trưng gọi là một alen. Trong cá thể lưỡng bội (2n), mỗi gen có 1 tối đa hai alen (AA, Aa, aa) do các alen nằm ở các vị tri tương ứng trên cặp nhiễm sác thể tương đồng (trừ trường hợp gen nằm trên NST giới tính). Nhưng tronẹ một quần thể, mỗi gen có thể có nhiều alen. Do hiện tượng đột biến, ngoài các alen trội, lặn, gen còn có thể có các alen trung gian làm thành một dãy nhiều alen nằm trong cùng một locus của một cặp nhiễm sắc thể tương đồng nhưng ở các cá thể khác nhau. Gen chi với 1 alen gọi là gen đơn hỉnh hay gen đồng hợp (monomorphic), gen với 2 hay nhiều alen gọi là gen đa hình hay gen dị hợp (polymorphic). Thí dụ gen p điều khiển kiểu đốm trên đuôi của cá kiếm có 9 alen (Hình 1.1). Các alen khác nhau do có sự sai khác nhỏ trong trật tự sắp xếp của các cặp bazơ. Sự khác biệt này tạo ra những tín hiệu hóa học khác nhau và tạo nên những biến đổi của từng kiểu hình riêng biệt. Trong chọn giống thủy sản, những khác biệt về kiểu hình và cơ chế di truyền điều khiển các kiểu hình đó phải được hiểu rõ trước khi thực hiện các chương trình sinh sản để cải thiện những sản phẩm tạo ra. 1.2. Nhiễm sắc thể Nhiễm sắc thể NST (chromosome) ở tế bào động vật thùy sản cũng như các tế bào nhân chuẩn khác, gồm DNA và protein. Trong các tế bào sinh dưỡng, NST tòn tại thành từng cặp, gọi là cặp NST tương đồng, trong đó một chiếc có nguồn gốc từ cá thể bố và một từ mẹ, mỗi chiếc mang cùng một số gen, phân bố theo cùng thứ tự. Trong tế bào sinh dục, mỗi cặp NST tương đồng chỉ còn lại một chiếc, do đó số lượng NST trong tế bào sinh dục là đơn bội (n). 1.2.1. Số lượng của NST Số lượng NST trong cùng một loài thì ổn định nhưng khônẹ mang tính đặc trưng cho loài vì có nhiều loài khác nhau nhưng so lượng NST lại giống nhau (Bảng 1.1). Tính đặc trưng chi thể hiện ờ hình dạng, kích thước và cấu trúc NST nghĩa là khác nhau về chất lượng vật chất di truyền. Thông thường, NST biểu hiện thành từng cặp và những sinh vật mang NST dạng này được gọi thể lưỡng bội (2N). Ngoài ra, ở cá còn có các trường hợp ngoại lệ. Cá có bộ NST 4N gọi là cá tứ bội thể, ở nhiều loài cá, đáng chú ý là ở các loài cá hồi (salmonids) đã tiến hóa thông qua các cá thể tứ bội. Ở cá chép có những cá thể tứ bội thể tự nhiên và có những tập tính không khác so với cá thể lưỡng bội. Cá tam bội thể (3N) thường rất hiếm trong các quần thể cá tự nhiên, thường chúng được tạo ra bời những kỹ thuật sinh học nhân tạo (tác động lên gen hay lên NST). Những người nuôi cá có thể tạo ra các dòng cá với các dạng đa bội thể khác nhau nhờ 2 vào các kỹ thuật sinh học tác động 'lên trứng hoặc tinh trùng cùa cá (đơn bội N, tam bội 3N, tứ bội 4N). Bảng 1.1: Số lượng nhiễm sắc thể (lưỡng bội 2N) của một số loài cá Nguồn Fish Base (-www.fishbase.org) Loài cá Số lượng NST (2N) Rô phi Oreochromis niìoticus 40-44 Cá lóc Channa striata 40 Cá rô đồng Anabas testudineus 46-48 Cá chó Bắc Mỹ Esox lucius 50 Cá tuế Pimephales prometas 50 Cá hồi hồng Oncorhynchus gorbuscha 52-54 Cá tra Pangasianodon hypophlhalmus 60 Cá trê vàng ciarías macrocephalus 54 Cá trê ưắng Ấn Độ ciarías balrachus 50-52 Cá trê Phi ciarías gariepinus 56 Cá chép Cyprinus carpió 100 Cá vàng Carassius auratus 100 1.2.2. Hình thái và phân loại NST NST có thể nhìn thấy rõ nhất vào kỳ giữa của quá trình nguyên phân. Mỗi NST chứa một tâm động, là bộ phận giúp NST đính vào các sợi dây vô sắc trong hoạt động phân bào. Tùy vào vị trí cùa tâm động, người ta xếp NST vào các kiểu khác nhau (Hình 1.2): NST tâm cân: hai cánh (vai) NST bằng nhau NST tâm lệch: hai cánh không bằng nhau (p < q) NST tâm mút: tâm động nằm ở gần cuối cánh. Trên NST có thể xuất hiện các eo thắt thứ cấp. Nếu eo thắt thứ cấp đù sâu và dài thì bộ phận do eo thắt đó tách biệt ra và được gọi là thể kèm hay vệ tinh về chức năng, NST gồm hai loại: - NST thường (autosome): chi phối các tính trạng thường, về hình thái chúng tương tự nhau ở cá thể đực và cá thê cái. Loại này thường chiếm số lượng lớn. 3 - NST giới tính (sex chromosome): chi phối giới tính và một số tính trạng di truyền liên kết với giới tính. NST giới tính khác biệt nhau về hình thái giữa cá thể đực và cá thể cái, thường chi có 1 cặp NST giới tính. NST giới tính rất khó xác định trên cá, Sola và ctv (1981) khi khảo sát kiểu nhân đã nhận thấy rằng chi khoảng 3,6% (29 loài) loài cá đã xác định được NST giới tính trên 810 loài cá xương Hình 1.2: Vị trí tâm động và các kiểu nhiễm sắc thể. (A) tâm mút; (B) tâm lệch và (C) tâm cân 2. Di truyền Mendel Xét về lịch sử, năm 1900 được xem là năm khai sinh cùa Di truyền học khi E. Tschermak, E. K. Correns và H. de Vries phát hiện ra các định luật về di truyền. Thật bất ngờ là các nhà khoa học này nhận thấy các định luật này đã được G. Mendel phát hiện ra từ năm 186Ố. Họ chi là nguời phát hiộn lại các định luật của Mendel. Mendel đã sừ dụng loài đậu Hà Lan (Pisum sativum) cho các nghiên cứu của mình, có lẽ là do đặc tính dễ trồng, có nhiều tính trạng phân biệt rõ ràng, là cây hàng năm, tự thụ phấn nghiêm ngặt nên dễ tạo các dòng thuần. Ông đã chọn ra 7 cặp tính trạng chất lượng có biểu hiện rõ ràng là: Hạt tròn hoặc hạt nhăn - Nhân hạt vàng hoặc nhân hạt xanh lục Vò hạt xám hoặc vỏ hạt ừắng Quả đầy hoặc quả có ngấn - Hoa và quả ờ trục thân hoặc ở đinh thân 4 - Thân cao (200 cm) hoặc thân thấp (20-30 cm) - Quả xanh lục hoặc quả vàng Mendel đã thực hiện một cách tài tình việc chọn 7 cặp tính trạng chất lirợng có biểu hiện rõ ràng. Sau này khi Morgan chứng minh sự liên kết gen, người ta đã nghi ngờ tính khách quan của các số liệu của Mencel bởi vì các qui luật di truyền Mendel chỉ đúng khi 7 cặp tính trạng nằm trên 7 NST khác nhau. Tuy nhiên hiện nay người ta đã biết rõ là 7 cặp tính trạng cùa Mendel chỉ năm trên 4 cặp NST của đậu. Các gen xíc định tính trạng màu nhân hạt và vỏ hạt, hình dạng quả và vị trí hoa C1Ỉ thuộc vào 2 nhóm liên kêt gen, nhưng chúng năm cách xa nhau đến n5i kết quà thu được dường như chúng không liên kết với nhau. Mendel đã cho các cây thí nghiệm tự thụ phấn qua nhiều thế hệ để được dòng thuần chủng (khi các thế hệ con không có những đặc điểm khác so với các kiểu hình tiêu chuẩn đã được đặt ra). Khi cho tiến hình lai chéo giữa 2 cặp kiểu hình khác nhau, các cây lai chi biểu hiện nột dạng kiểu hỉnh, ông gọi đó là tính trạng trội. Các cây lai từ nhữn' dòng thuần chùng thì đồng nhất về kiểu hỉnh và kiểu gen. Tính trạng không được thể hiện ở thế hệ F| hoặc là bị biến mất hoặc là tồn tại trong con lai dưới một dạng ẩn? Để làm sáng tỏ điều này, Vlendel tiến hành cho các cây lai F1 tự thụ phấn và nhận thấy rằng :hế hệ F2 biểu hiện những tính trạng của cả cây bố mẹ mà ở thế hệ F) không có. Mendel phát hiện ra những tính trạng không biêu hiện ở thế hệ Fi không bị biến mất, những tính trạng trội đã che phủ chúng và ôrg gọi đó là nhũng tính trạng lặn. Ông cho rằng chính các yếu tố di tnyền chịu trách nhiệm cho sự xuất hiện cùa các tính trạng. Đặc biệt sự xuất hiện cùa các tính trạng lặn ở thế hệ thứ 2 đã giúp Mendel dễ dìng nhận thấy các tính trạng không trộn lẫn như các quan niệm trước đó. Tronạ các thí nghiệm lai, Mendel đã đánh giá khách quan và tính oán số lượng chính xác, ông đã quan sát tất cả các hạt và con lai xuất ìiện không bỏ sót cá thể nào. Ông cũng thông kê sô lượng và tính tỉ lệ ừng loại. Kết quả lai đơn tính của Mendel được thê hiện ở Bảng 1.2. ""rong các thí nghiệm lai đơn tính, Mendel đã xác định được ti lệ của tnh trạng trội so với tính trạng lặn là 3:1. Ông cũng là người đã đặt rền móng cho việc sử dụng các chữ cái viết hoa (A) hay viết thườig (a) để qui định cho các nhân tố di truyền (tính trạng trội hoặc lặn), v ề sau Mendel tiến hành lai với 2 cặp tính trạng và nhiêu cặp tính rạng hơn và đã phát hiện được qui luật di truyền độc lập. 5 Đầu thế kỷ thứ 20, sự truyền thụ các tính trạng di truyền được phát biểu thành 3 qui luật di truyền Mendel như sau: - Qui luật đồng nhất của thế hệ con lai thứ nhất hay qui luật tính trội; - Qui luật phân ly (phân tính); - Qui luật phân ly độc lập của các cặp tính trạng. Bảng 1.2: Các kết quà lai đơn tính cùa Mendel Kiểu hình của tổ hợp lai Hạt tròn X Hạt Tính trạng trội ỞF1 Sự phân ly kiểu hình ở các cá thể F2 Tính trạng trội Tính trạng lặn Số lượng cá thể F2 nhăn Hat tròn 5.474 (74,74) 1.850 (25,26) 7.324 Hạt vàng X Hạt lục Hạt vàng 6.022 (75,06) 2.001 (24,29) 8.023 Vỏ xám X Vỏ trắng Vỏ xám 705 (75,98) 224 (24,21) 929 Quả đây X Quả ngấn Quả đầy 882 (74,68) 299 (25,32) 1.181 Quả lục X Quả vàng Quả lục 428 (73,79) 152 (26,21) 580 Hoa ờ thân X Hoa ở đinh Hoa ở thân 651 (75,87) 207 (24,13) 858 Thân cao X Thân lùn Thân cao 787 (73,96) 277 (26,04) 1.064 Tổng cộng 14.949 (74,90) 5.010(25,10) 19.959 Tuy nhiên Qui luật thứ 1 và thứ hai theo cách phát biểu cũ thiếu chính xác vì: phái có các điều kiện như thuần chủng và trội hoàn toàn; chi đúng một phần cho di truyền tương đương và trội không hoàn toàn; không dùng cho phân ly giao tử và sinh vật đơn bội. Do đó mà sau này các nhà di truyền học phát biểu thành 2 qui luật (Phạm Thành Hổ, 2000). - Qui luật thứ nhất: qui luật phân ly hay qui luât giao tử thuần khiết. Trong cơ thể các gen tồn tại theo từng đôi, khi tạo thành giao từ từng đôi gen phân ly nhau và mỗi gen đi vào một giao tử. Sau khi 2 giao tử kết hợp với nhau các gen tương ứng lại hợp thành từng đôi trong hợp tử. Phân ly ở đây được hiểu là các alen của gen tách nhau ra khi tạo thành giao tử. Cách phát biểu này phản ánh đúng cơ chế phân 6 bào khi tạo thành giao tử, nó đúng cho mọi trường hợp mà không nhất thiết phải thuần chủng và cho cả cá thể đơn bội. - Qui luật thứ hai: qui luật phân ly độc lập và tổ hựp tự do Các gen của từng cặp trong phân bào giảm nhiễm phân ly nhau một cách độc lập với các thành viên cùa những cặp gen khác và chúng tập hợp lại trong các giao từ một cách ngẫu nhiên. 3. Gián phân Gián phân (hay còn gọi là phân bào nguyên phân, hoặc phân bào nguyên nhiễm) là quá trình tế bào phân chia thành 2 tế bào có bộ nhiễm sắc thể, tế bào chất và các bào quan giống hệt nhau. Quá trình này xảy ra ở tế bào sinh dưỡng của sinh vật nhân chuẩn. Cá cũng như các động vật khác trải qua chu kỳ phân chia giống nhau, gồm kỳ trung gian (interphase) và kỳ phân chia nhân và tế bào chất với những giai đoạn quan trọng như sau: Kỳ trung gian (interphase): kỳ này chiếm thời gian nhiều nhất (>90%) trong chu kỳ gián phân. Te bào trải qua 3 giai đoạn: (i) GI-tế bào sinh trường và thực hiện các quá trình trao đổi chất, các bào quan phân chia; (ii) S-DNA nhân đôi và nhiễm sắc thể nhân đôi; (iii) G2- tế bào sinh trưởng và chuẩn bị phân cắt Kỳ trước (Prophase): NST xoắn, ngắn và dày hơn. Cuối kỳ trước, NST có hình dạng và kích thước đặc trưng. Mỗi NST nhân đôi có 2 nhiễm sắc tử mang thông tin di truỵền giống hệt nhau và nối với nhau ờ tâm động. Thoi vô sắc được hỉnh thành. Kỳ giữa (Metaphase): NST tập trung ở mặt phẳng xích đạo, tàm động của mỗi NST tách ra, mỗi nhièm sác từ trờ thành NST riêng biệt. - Kỳ sau (Anaphase): Sợi thoi vô sắc ngắn lại kéo theo 2 nhiễm sắc tử về hai cực của tế bào, tế bào chất phân chia. Kỳ cuối (Telophase): NST tháo xoắn, thoi phân bào biến mất, hai nhân mới có đặc điểm như kỳ trung gian. 4. Giảm phân Giảm phân là một quá trình phân bào chuyên biệt trong đó số lượng NST giảm đi một nửa, nhung đủ bộ N, xảy ra ở tế bào sinh dục. Khi giao từ đực và cái hợp nhất trong quá trình thụ tinh thì số lượng NST 2N được phục hồi. 7 Trong nhân của mỗi tế bào đều chứa bộ NST hoàn chỉnh và điều này tồn tại trong các tế bào sinh dục sơ cấp đây là một điểm rất quan trọng về mặt di truyền vì trứng và tinh trùng (mang những gen để tạo nên một thế hệ mới) được sản xuất từ những tế bào sinh dục sơ cấp. Để tạo nên giao tử, tế bào sinh dục sơ cấp trải qua một quá trình phân bào chuyên biệt được gọi là quá trình giảm phân. Điểm khác biệt của quá trình giảm phân so với nguyên phân là kết quả của giảm phân tạo ra các giao tử đom bội (N) nó chi chứa một NST từ các cặp NST; trái lại nguyên phân tạo thành 2 tế bào con với mỗi tế bào chứa bộ NST hoàn chỉnh 2N của các cặp nhiễm sắc thể. Sơ đồ quá trình giảm phân được thể hiện ở Hình 1.3. Nhiều tiến trinh quan trọng xảy ra trong suốt quá trinh giảm phân, tuy nhiên có 3 tiến trình quan trọng nhất: 1. Tiến trình quan trọng thứ nhất xảy ra trong suốt kỳ đầu của quá trình giảm phân. Trong giai đoạn này, mỗi NST tự nhân đôi và hình thành nên các cặp NST tương đồng (hình thành nên thể tứ bội). Các NST mang thể tứ bội bắt đầu kéo dài ra và xoắn lại với nhau. Đặc trưng của giai đoạn này là một hay nhiều đơn vị của thể tứ bội bị đứt đoạn và một đoạn từ NST tương đồng khác sẽ được nối vào. Khi quá trình này xảy ra, những chất liệu di truyên sẽ được chuyên từ một NST này sang một NST khác. Tiến trình này được gọi là quá trình trao đổi chéo (crossing over). Trao đổi chéo là một khía cạnh rất quan trọng của di truyền quần thể vì nó có sự sắp xếp lại vị trí của các gen và tạo nên những tổ hợp mới tronạ các giao tử. Trao đổi chéo làm gia tăng đáng kể kiểu gen và biến động kiểu hình trong quần thể. 2. Tiến trình quan trọng thứ hai là sự phân chia giảm nhiễm với việc giảm số lượng từ bộ NST đầy đủ ở dạng lưỡng bội 2N thành dạng đưn bội N. Trong qua trình pliâu chia, tál cả các NST bắt thành từng cặp riêng biệt và NST trong mỗi cặp sẽ phân chia cho 2 tinh bào thứ cấp hoặc cho noãn bào thứ cấp và thể cực thứ nhất. Sự phân chia giảm nhiễm không tách riêng biệt một nửa bộ NST vừa mới được nhân đôi (chú ý là mỗi NST đang ờ dạng 1 cặp), nó chi phân chia các NST tương đồng trong từng cặp. Cách bắt cặp của các cặp NST (từ bố và mẹ) thì hoàn toàn ngẫu nhiên và chúng được phân chia độc lập với tất cả các cặp NST khác. Sự phân chia ngẫu nhiên của các NST từ bố và từ mẹ của mỗi cặp có ý nghĩa rất quan trọng vì nó làm gia tăng đáng kể sự đa dạng của giao tử và kiểu gen từ đó làm gia tăng sự đa dạng về kiểu hình. 8 Do quá trình phân chia giảm nhiễm, số lượng NST hoàn chinh ờ thể lưỡng bội 2N giảm xuống thành thể đơn bội N, tinh bào thứ cấp và noãn bào thứ cấp sẽ có bộ NST đơn bội. Đây là một tiến trình rất quan trọng và rất cần thiết trong di truyền giúp cho sự tạo thành cá thể lưỡng bội sau khi thụ tinh. Nếu quá trình giảm phân không xảy ra, số lượng NST sẽ nhân lên gấp đôi ở mỗi thế hệ sau. Nhiẻm sắc thề tự nhăn đôi Phận bào g,ảm nhiễm I: Noă^ bàosơcấ phân ly dộc lập giữa các cặp . NST, hình thành 2 tế bào 1 -ỵ^ị đơn bội mới Y- ^ — I-----Phần nhiễm sắc M \ • . / thể trao đối chéo V w w Trích bởi Devlin và Nagahama, 2002) Loài cá Cơ chế Tác giả Ictalurus punctatus XY Davis và ctv., (1990) Oncorhynchus mykiss XY Thorgaard (1977) Tilapia nilotica XY Jalabert và ctv. (1974) Tilapia mossambica XY Chen, F. Y., (1969) Tilapia aurea wz Gueưero (1975) Tilapia hornorum wz Chen, F. Y., (1969) Xiphophorus maculatus WXY Gordon (1946) Sternoptyx diaphana XO Chen, T. R.,(1969) Trichogaster lalius ZO Rishi (1976) Megupsilon aporus X,X|X2X2/X1X2Y Uyeno và Miller (1971) Stephanolepis cirrhifer X,X,X2X2/XiX2Y Murofushi và ctv., (1980) Gobionellus shufeldti X,XiX2X2/X1X2Y Pezold (1984) Apareiodon affinis zz/zw,w2 Filho và ctv., (1980) Hoplias sp. XY,Y 2/XX Bertollo vàctv., (1983) Xiphophorus helleri NST thường Kosswig (1964) Danio rerio NST thường Streisinger và ctv., (1981)* Cơ chế thứ 7 và 8 là cơ chế xác định giới tính với sự hiện diện của 1 nhiễm sắc thể giới tính: cơ chế x o và ZO (O thể hiện không cộ nhiễm sắc thể). Trong cơ chế xo, cá thể cái là XX trong khi cá thể 12 đực là XO. Trong cơ chế ZO, cá thể đực là z z và cá thể cái là ZO. Do chỉ có một nhiễm sắc thể giới tính nên lượng nhiễm sắc thể không cố định trong cùng một loài khi giới tính được xác định bàng 1 trong 2 cơ chế trên. Giới tính của cá thể chỉ có một nhiễm sắc thể (đực x o hoặc cái ZO) có ít hơn 1 nhiễm sắc thể so với giới tính kia trong cùng loài. Một cơ chế khác là giới tính không được điều khiển bàng nhiễm sắc thể giới tính mà được điều khiển bằng nhiễm sắc thể thường. Vài loài cá không có nhiễm sắc thể giới tính, các loài này giới tính được xác định bởi số lượng gen đực hoặc gen cái nằm trên nhiễm sắc thể thường. Mặc dù sự xác định giới tính chù yếu được điều khiển bằng các yếu tố di truyền, các nhân tố môi trường như nhiệt độ, chu kỳ sáng, nồng độ muối và mật độ quần thể có thể ảnh hường đến sự xác định giới tính ở cá. Khả năng điều khiển sự xác định giới tính thông qua tác nhân trung gian là các yêu tô môi trường đã được ứng dụng rât nhiêu trong nghề nuôi cá. Việc sử dụng hormone để tạo ra quần thể đơn tính cho nuôi thịt là một trong những hoạt động của lĩnh vực này. 5.2. Cơ chế xác định giới tính ở giáp xác So với cá, nghiên cứu về cơ chế xác định giới tính ở giáp xác còn rất ít. K.ểt quả nghiên cứu ban đầu cho thấy cơ chế xác định giới tính phổ biến ở giáp xác là cơ chế XY, tiếp theo là w z (như tôm càng xanh). Một số ít loài có cơ chế XO (như cua biển Ovalipes punctatus), hoặc X1X2-Y (tôm hùm Cervimunida princeps) (Niiyama, 1959). Bên cạnh yếu tố di truyền quyết định giới tính, các ỵếu tố môi trường như nhiệt độ, ánh sáng... cũng có ảnh hường đến kiểu hình giới tính ở giáp xác. Tuy nghiên cứu về cơ chế định giới tính ở giáp xác còn hạn chế nhưng cơ chế biệt hóa giới tính ờ giáp xác đã được nghiên cứu nhiều, chù yẻu trên các loài giáp xác thuộc Bộ Decapoda như tôm càng xanh. Ớ cá và động vật có xương sống, tuyến sinh dục đực vừa sản sinh ra tế bào sinh dục vừa sản sinh kích dục tố. Nhưng ở giáp xác, hai chức năng này được tách riêng do 2 cơ quan đảm nhận, tuyến sinh dục đực và tuyến androgen. Tuyến androgen tiết kích tố điều khiển quá trình hình thành đặc điểm sinh dục sơ cấp và thứ cấp. Nagamine và ctv. (1980) đã dùng phương pháp tiểu phẩu cấy tuyến androgen vào con cái tôm càng xanh và thu được kết quả là 81% con cái có dấu hiệu chuyên sang ệiới tính đực. Trong đó, có một số con cái trưởng thành không có buông trứng, một số khác phát triển đặc điểm sinh dục sơ cấp và thứ cấp của con đực. Một nghiên cứu khác cho thấy, tôm càng xanh đực chưa thành thục khi đã bị cắt tuyến androgen sẽ chuyển thành con cái. Những 13 nghiên này là cơ sở để tạo ra quần thể tôm đơn tính đực và đã thành công ở Israel và một số nước khác (Sagi et al., 1997). Câu hỏi ôn tập 1. Trình bày những khái niệm: gen, alen và locus. 2. Trình bày 2 qui luật di truyền cơ bản của Mendel và cho thí dụ minh họa. 3. Nêu những điểm cơ bản cùa gián phân và giảm phân. Phân biệt những điêm giống và khác nhau của hai quá trình này. 4. Ở cá có những cơ chế xác định giới tính nào? Cơ chế nào là phổ biến? Cho thí dụ. 5. Phân biệt cơ chế biệt hóa giới tính giữa cá và giáp xác. Tài liệu tham khảo 1. Devlin, R. H. and Y. Nagahama, 2002. Sex determination and sex differentiation in fish: an overview of genetic, physiological, and environmental influences. Aquaculture, 208: 191 -3 6 4 . 2. Nagamine, c ., Knight, A. w ., Maggenti, A. & Paxman, G. 1980. Masculinization of female Macrobrachium rosenbergii (de Man) (Decapoda, Palaemonidae) by androgenic gland implantation. General and Comparative Endocrinology, 41 (Suppl. 4): 442-457. 3. Niiyama, H., 1959. An XX-Y Sex-mechanism in the male of a Decapod crustacea Cervimunida princeps Benedict. Bull. Fac. Fish., Hokkaido Univ., 10(2): 106-112. 4. Phạm Thành Hổ, 2000. Di truyền học. Nhà xuất bàn Giáo dục, 613p 5. Sagi, A., E. Snir, and I. Khalaila. 1997. Sexual differentiation in decapod crustaceans: role of the androgenic gland. Invertebrate Reproduction and Development, 31: 55 -61. 6. Sola, L., S. Cataudella and E. Capanna, 1981. New developments in vertebrate cytotaxonomy, III. Karyology of bony fishes: A review. Genetica, 54: 285-328 7. Tave, D., 1993. Genetics for fish hatchery managers. 2nd Edition, Van Nostrand Reinhold, New York, 415p. 14 CHƯƠNG II DI TRUYÈN CÁC TÍNH TRẠNG CHÁT LƯỢNG 1. Gen nằm trên 1 nhiễm sắc thể thường /. /. Gen thế hiện tính trội hoàn toàn Hiện tượng trội hoàn toàn xảy ra khi một alen thể hiện đặc tính trội hơn so với các alen khác. Alen biểu hiện tính trội được gọi là alen trội (dominant allele), những alen khác được gọi là alen lặn (recessive allele). Khi kiểu hoạt động cùa gen là trội hoàn toàn chỉ có 2 kiểu hình biểu hiện, bởi vi alen trội trong kiểu gen dị hợp từ ngăn cản sự biểu hiện kiểu hình của alen lặn. Như vậy, có 3 tổ hợp kiểu gen nhưng chỉ có 2 kiểu hỉnh. Một số kiểu hình trên cá được điều khiển bởi gen nằm trên NST thường, trội hoàn toàn thể hiện trong Bảng 2.1. Sự di truyền tính trạng bạch tạng ở cá nheo Mỹ là một minh chứng cho kiểu hoạt động của gen trội hoàn toàn. Tính trạng bạch tạng được điều khiển bởi một gen lặn nằm trên NST thường: gen a. Ký hiệu + dành cho alen trội qui định sác tố bình thường (+ thường được sử dụng như ký hiệu cho alen qui định kiểu hình phổ biến hay kiểu hình tự nhiên) và a là ký hiệu cho alen lặn qui định kiểu hình bạch tạng. Kiểu gen Kiểu hình ++ +a aa săc tô bỉnh thường sắc tố bình thường bạch tạng Khi cho cá thế có sắc tố bỉnh thường có kiêu gen ++ sinh sản với cá bạch tạng có kiểu gen aa, tính trạng thể hiện ở thế hệ con F1 sê là: săc tô bình thường (++) bạch tạng (aa) ( r«ỵ thế hệ con tất cả có sấc tố bình thường Cho sinh sản giữa 2 cá thể mang kiểu gen dị hợp tử là cách giải mã kiểu hoạt động của gen. Do cả bố và mẹ dị hợp tử, chúng tạo ra thế hệ con bao gồm tất cả các tổ hợp kiểu gen và kiểu hình có khả năng 15 tạo thành. Ti lệ kiểu gen và kiểu hình của thế hệ con có thể dễ dàng xác định bằng cách sừ dụng hình vuông Punnett. Như vậy, khi cho 2 cá thể có sắc tố bình thường mang kiểu gen dị hợp +a sinh sản với nhau, kết quả biểu hiện tính trạng trong hình vuông Punnett sẽ là: Giao từ của cá đực + a + ++ +a Giao tử của săc tô bình thường săc tô bình thường cá cái a +a aa săc tô bình thường bạch tạng Ti lệ kiểu gen: 1 ++ : 2 +a : 1 aa Ti lệ kiểu hình: 3 sắc tố bình thường: 1 bạch tạng Bảng 2.1: Kiêu hình được điều khiển bởi 1 gen trội hoàn toàn nam trên NST thường quan sát được trên một số loài cá (trích bởi Tave, 1993) I.oai ca Alen trội Ca nheo My Alen lăn Kiểu hình trội Kiểu hình lặn Ictalurus punctatus+ a sắc tố bình thường bạch tạng B b sắc tố bình thường xanh (blue) Ca chep Cyprinis carpio Ca hoi van Oncorhynchus mykiss Ca ro Phi Oreochromis niloticus Ca vang Carassius auratus Ca bay mau G g sắc tố bình thường vàng Gr gr sắc tố bình thường xám D dvạch vàng nhạt ở vi lưng, đầu vàng. sắc tố bình thường A a sắc tố bình thường bạch tạng B b sắc tố bình thường xanh ánh kim Bl bl săc tô bình thường vàng hoe Er- Er+ sắc tố bình thường mật đường R r đỏ sắc tố bình thường B b sắc tố bình thường hồng + m bình thường hội chứng đuôi dị hình B b đỏ cam xanh D d mắt bình thường mắt lồi ++ne vẩy bình thường vây trăng ánh như xà cừ Poecilia reticulata Sn Sc xương sông bình thường 16 lưng võng xuông (iordosis) Medaka Oryzias ìatipes B b xám vàng hoe G g xám vàng + +' đỏ cam bạch tạng F /xương sông bình thường đốt sống dính liền xương sông cong vẹo (scoliosis) Cá hòa lan Xiphophorus w wxương sông bình thường sp.St st có chấm không chấm At at đôm săc tô săp Cá kiếm Xiphophorus montezumae Cá hông nhung thành hànạ không có đốm Cam cam đôm săc tô hợp thành tùng cụm không có đốm Hyphessobrycon eques s s có đốm không đốm Cichlasoma nigroflasciatum p p xám hồng Cá kiêm Xiphophorus hellerii Mo mo có những quâng sắc tố không đốm Cá hoàng đê Brevibora dorsiocellata A a xanh dương trắng bạc 1.2. Trội không hoàn toàn Trong trường hợp này, hoạt động của alen trội không hoàn toàn lấn át sự biểu hiện kiểu hình của alen lặn trong kiểu gen dị hợp tử. Như vậy, hoạt động cùa gen trội không hoàn toàn tạo thành 3 kiểu tổ hợp gen và 3 kiểu hình khác biệt. Một số kiểu hình được điều khiển bởi gen trội không hoàn toàn nằm trên NST thường như thể hiện trong Báng 2.2. Gen G cùa cá rô phi Oreochromis mossambicus là một thí dụ về hoạt động của gen trội không hoàn toàn. Gen G điều khiển số lượng các điểm sắc tố đen và vàng, các điểm sắc tố này sẽ ảnh hưởng đến màu thân cá rô Phi. Do alen G trội không hoàn toàn nên kiểu gen dị hợp tử tạo thành một kiểu hình gần giống kiểu hình của alen G hơn là kiểu hình cùa alen g, nhưng phân biệt rõ với 2 kiểu hình tạo bởi kiểu gen đồng hợp Kiểu gen Kiểu hình GG đen (sắc tố bình thường) Gg màu đồng gg vàng 17 Bảng 2.2: Kiểu hình được điều khiển bởi 1 gen trội không hoàn toàn nằm trên NST thường phát hiện trên một số loài cá (trích bởi Tave, 1993) Loài Cá chép Alen trội Alen lăn Kiểu hình trội Kiểu hình dị họp tử Kiểu hình lặn Cyprinus carpio L / chết màu nhạt sắc tố bình thường Rô phi xanh 0. aurea s + chết vi lưng dợn sóng Rô phi đen 0. mossambicus G gđen (bình vi lưng bình thường thường) màu đồng vàng Carassius auratus T' t vẩy trong vẩy in hoa vây bình Cá vàng thường Cá thia thia Betta splendens V V màu xanh thép xanh màu lục Cá Hăc bô lũy Poecilia latipinna M m Đen (hắc tố) da lốm đốm không đốm Poecilia reticulata P1 p t chết đôt sông Cá bảy màu hình thoi đôt sông bình thuờng Pterophyllum Lf + Vi rất dài Vi dài (TB) Vi bình Cá thân tiên thường Cá Hăc bô lũy Poecilia sp.Sm sm+ màu sôcôla màu khói màu bạc Tỉ lệ kiểu gen và kiểu hình khi cho sinh sản giữa cá có màu đen, màu đồng hay màu vàng dễ dàng xác định được bằng hình vuông Punnett và được trình bày trong Bảng 2.3. Thí dụ khi cho sinh sản 2 cá thể rô Phi có màu đồng kểt quả sê là: thân màu đồng (Gg) thân màu đồng (Gg) Giao tử của cá đực G g G Giao từ của GG thân màu đen Gg thân màu đồng cá cái g Gg thân màu đồng Tỉ lệ kiểu gen: 1 GG : 2 Gg : 1 gg Tỉ lệ kiểu hình: 1 đen: 2 đồng: 1 vàng 18 88 thân màu vàng Bang 2.3: Ti lệ kiếu gen và kiểu hình ở thế hệ con khi cho sinh sản giữa cá màu đen, đồng hay vàng (Tave, 1993) Tỉ lệ trên thế hệ con Sinh sản Kiểu gen Kiểu hình đen (GG) X đen (GG) tất cả là GG đều có màu đen đen (GG) X đồng (G#) \ GG A Gg 1 đen : 1 đồng đen (GG) X vàng to ) tất cà là Gg đều là màu đồng đồng (Gg) X đồng (Gg) \ GG : 2 Gg :\ gg 1 đen : 2 đồng : 1 vàng đồng (Gg) X vàng (gg) 1 Gz : 1 1 đồng : 1 vàng vàng (gg) X vàng (gg) tất cả là g g đều là màu vàng 1.3. Cộng gộp (additive action) Trong trường hợp gen cộng hợp, không có alen nào là trội mà cả 2 alen có vai trò tương đương trong việc hỉnh thành kiểu hình của thế hệ con. Kiểu hình dị hợp tử mang tính chất trung gian giữa 2 kiểu hình đồng hợp tử của bố và mẹ. Chỉ có một cách để xác định hoạt động của gen là cộng gộp hay trội không hoàn toàn là kiểu hình dị hợp tử mang tính trung gian hay giống một trong 2 kiểu hình đồng hợp tử của bố mẹ nhiều hơn. Tuy nhiên, rất khó để xác định vì đây là những kiểu hình định tính và không thể đo lường được. Cả 2 trường hợp cộng gộp và trội không hoàn toàn đều được quản lý và khai thác với cùng kỹ thuật sinh sản trong các trại giống. Hoạt động cùa gen G (Wright, 1972; trích bởi Tave, 1993) xác định tính trạng màu sắc của cá hồi vân Oncorhynchus mykiss là một thí dụ. Gen G tạo thành 3 kiểu hình là cá hồi màu vàng (golden), màu vàng vái các vi và đuôi màn kem hay vàng nhạt (palomino) và sác tố bình thường Kiểu gen_______________Kiều hình_____________ G 'G ’ màu vàng (golden) G ’G màu vàng với các vi và đuôi vàng nhạt GG sắc tố bình thường Cũng giống sự biểu hiện kiểu hình cùa trội không hoàn toàn, hoạt động cùa gen cộng gộp cũng tạo thành 3 kiểu gen với 3 kiểu hình khác nhau. Ti lệ kiểu hình về màu sắc thân khi cho sinh sản 2 cá thể màu vàng với các vi và đuôi vàng nhạt cũng sẽ là 1:2:1 như thể hiện trong hinh vuông Punnett dưới đây. 19 vàng với các vi, đuôi vàng sáng X vàng với các vi, đuôi vàng sáng (G ’G) (G ’G) Giao tà của cá đực G ’ G Giao tử cùa ( I cá cái G ' G ’G ’ G ’G màu vàng vàng với các vi, đuôi sáng G G ’G GG vàng với các vi, đuôi sáng săc tô bình thường Ti lệ kiểu gen: 1 G ’G ’ : 2 G ’G : 1 GG Ti lệ kiểu hình: 1 vàng: 2 vàng với các vi, đuôi màu sáng: 1 bình thường 2. Di truyền 2 tính trạng Khi các gen qui định tính trạng nằm trên NST thường và di truyền độc lập thì tính trạng cũng được di truyền độc lập. Vì vậy, có thể xác định được kiểu hình của thế hệ con khi mỗi gen điều khiển một kiểu hình khác nhau, kiểu hình có thể được xác định riêng hoặc kết hợp. Trong trường hợp 2 tính trạng được điều khiển bởi 2 gen trội hoàn toàn và di truyền độc lập, thì ti lệ kiểu hình khi cho sinh sản 2 cá thể dị hợp tử (Fi) ở thế hệ F2 sẽ là 9:3:3:1. Một thí dụ về sự di truyền 2 tính trạng quan sát được trên cá bảy màu (Poecilia reticulata). Ở cá bảy màu, alen G (Goodrich và ctv., 1944; trích bời Tave, 1993) quyết định tính trạng màu xám và g quyết định tính trạng màu vàng (golden). Tính trạng xương sống cong vẹo cũng được điều khiển bởi gen nằm trên NST thường và là tính trạng trội hoàn toàn. Alen Cu (Rosenthal và Rosenthal, 1950; trích bời Tave, 1993) tạo tính trạng xưcmg sống hình thường và alen cu thì cá có xương sống uốn cong. Có thể dễ dàng xác định ti lệ kiểu hình khi cho sinh sản 2 cá thể dị hợp từ (Fi) với nhau: Ti lệ kiểu hình ở F2 sẽ là: 9 xám, xương sống bình thường: 3 xám, xương sống uốn cong: 3 vàng, xương sống bình thường: và 1 vàng, xương sống uốn cong (như biểu hiện trong hình vuông Punnett dưới đây). 20 Giao tử của cá đực G,Cu G.cti g.Cu g.cu G.Cu GG.CuCu xám, bình thường G.cu GG, Cucu xám, binh thường g.Cu Gg.CuCu xám, bình thường g.cu Gg.Cucu xám, bình thường GG, Cucu xám, bình thường GG.CUCU xám, cong Gg.Cucu xám, bình thường Gg.cucu xám, cong Gg.CuCu xám, bình thường Gg, Cucu xám, bình thường gg.CuCu vàng, bình thường gg.Cucu vàng, bình thường Gg.Cucu xám, bình thường Gg.cucu xám, cong gg.Cucu vàng, bình thường gg.cucu vàng, cong 3. Hai hoặc nhiều gen trên NST thường Trong trường hợp này không phải 1 gen quyết định 1 tính trạng mà kiểu hình được xác định bởi 2 hay nhiều gen. Có 2 trường hợp: không có tương tác át chế và có tương tác át chế. 3.1. Không có tương tác át chế 3.1.1. Tưcmg tác bổ trợ Tương tác bổ trợ xảy ra khi các alen của mỗi gen độc lập tạo thành kiểu hình riêng, nhưng khi các gen xuất hiện đồng thòi, sẽ tạo ra những kiểu hình mới khác nhau. Màu sắc thân của cá thuờng là kết quả tươnệ tác bổ trợ cùa các gen độc lập qui định sự hình thành các tế bào sắc tố. Klẻu Ken_____ Klẻu liìnli StSt.RR màu oliu StSt.Rr màu oliu StSt.rr xám Stst.RR màu oliu Stst.Rr màu oliu Stst.rr xám stst.RR vàng stst.Rr vàng stst.rr trắng 21 Màu sắc thân của cá kiếm Xiphophorus macuỉatus là một minh chứng cho kiểu tương tác bổ trợ. Màu thân xám, vàng (golden) của 2 gen. Gen St quyết định sự hình thành các điểm sắc tố đen và gen R quyết định sự hình thành sắc tổ vàng cam (Kallman và Bumetti, 1983; trích bời Tave, 1993). Sự hiện diện đồng thời của alen trội ở cả 2 locus tạo ra kiểu sắc tố bình thường (màu oliu: xanh lục ánh vàng sẫm). Sự vắng mặt của alen trội ở 1 hoặc cả 2 gen sẽ tạo ra 3 kiểu hình khác nhau là xám, vàng (golden) và trắng (ghost) Kết quả của việc sinh sản 2 cá thể dị hợp tó với sắc tố binh thường (màu oliu) trong hình vuông Punnett bên dưới cho thấy tỉ lệ kiêu hỉnh của F2 là: 9 màu oliu: 3 xám: 3 vàng: 1 trăng. Tỉ lệ này giống với tỉ lệ kiêu hình của di truyền 2 tính trạng, gen phân ly độc lập. Giao tử của cá đực St,R St,r st,R st,r Sí,R StSt.RR màu oliu St,r StSt.Rr màu oliu st,R Stst.RR màu oliu st,r Stst.Rr màu oliu 3.1.2. Cộng hợp StSt.Rr màu oliu StSt.rr xám Stst.Rr màu oliu Stst.rr xám Stst.RR màu oliu Stst.Rr màu oliu stsl.RR vàng stst,Rr vàng Stst.Rr màu oliu Stst.rr xám stst.Rr vàng stst.rr trắng Tương tác cộng hợp với 2 hay nhiều gen thì giống như trường hợp hoạt động cộng hợp của các alen của 1 gen. Tuy nhiên, do có nhièu gen luưng tác, nên nhièu tổ hợp gen được tạo ra và tất nhiên sê có nhiêu kiêu hình mới. Màu săc thân của cá molly là ví dụ cho tương tác cộng hợp. Màu sắc thân của cá biến đổi từ kiểu hình đồng nhất thân xám với mống mắt sáng đến thân lốm đốm đen với mống mắt sậm (Bảng 2.4). Các kiểu hình này được điều khiển bởi gen M và ¿V (Schroder, 1976, trích bởi Tave, 1993). Tính trạng màu sắc ở cá molly được xác định bởi số lượng của alen màu săc. Chi có một cách nhận biết sự khác biệt về kiểu hình của các kiểu gen Mm,Nn, MM.nn và mm,NN (có 2 alen màu sắc) là màu săc thân cá khác nhau ở thời điểm mới sinh, khi cá thành thục rất khó nhận thấy sự khác biệt về kiểu hình của 3 kiểu gen này. 22 Bàng 2.4: sắc tố đen trên nhóm cá molly (trích bởi Tave, 1993) Kiểu Số Kiêu hình (màu săc thân) gen lượng alenPhân loai màu giai đoạn cá bột cá thành thục MM.NN 4 ¡Vb đen; mặt dưới sậm; đen hoàn toàn, mông mông măt sậm màu. măt sậm MM.Nn; 3 IV a đen; mặt dưới màu sáng; đen hoàn toàn, mong Mm.NN Mm,Nn 2 III b mông măt sáng, ít lốm đốm, mống mắt sang măt sậm thân lốm đốm (nhiều), mông măt sáng. MM.nn, mm.NN Mm.nn; mm.Nn 2 HI a 1 II thân xám đồng nhất, không đốm, mong mẳt sang thân xám đồng nhất, không đốm, mong mắt sang thân lốm đốm (nhiều), mong mắt sáng. ít lốm đốm, mong mắt sáng mm,nn 0 I thân xám đồng nhất, không đốm, mong mắt sáng thân xám đồng nhất, không đốm, mong mắt sáng Kiểu gen cùa cá molly có thể được suy đoán từ việc khảo sát kiểu hình bởi vì vài kiểu hình được quyết định bời chỉ 1 kiểu gen. Các kiểu hỉnh khác được điều khiển bởi 1 hay 2 kiểu gen. Tuy nhiên, chỉ có 2 kiểu hình là thuần chủng với kiểu IVb có 4 alen tạo màu và kiểu / không có alen tạo màu nào. Các kiểu còn lại có thể tạo ra hoặc 2 hoặc 4 loại giao tử khác nhau. Thí dụ kiểu MM,Nn tạo ra 2 loại giao tử là M,N và M,n\ trong khi kiêu Mm,Nn tạo thành 4 loại giao tử là M,N\ M,n\ m,N và m,n. Kiểu Illb khi cho sinh sản với nhau sẽ cho ra tất cả các kiểu gen và kiểu hỉnh có thể có. Khi đó: Ti lệ kiéu gen khi đó sẽ là: 1 MM,NN\ 2 MM.Nn: 2 Mm,NN\ 4 Mm,Nn\ 1 MM,nn\ 2 Mm.nn: \mm,NN\ 2 mm,Nn\ 1 mm,nn. - Tỉ lệ kiểu hình là: 1 IVb: 4 IVa: 4 Illb: 2 nia: 4 //: 1 / Tỉ lệ kiểu hình 1:4:6:4:1 ở F2 là ti lệ thường thấy trong trường hợp tương tác gen cộng hợp. Tuy nhiên tì lệ này không phải là tì lệ chuẩn khi mà kiểu hình III được chia ra kiểu Illa và lllb bởi vì chúng có sự khác nhau khi mới sinh. Khi cá thành thục 2 kiểu này rất khó phân biệt và ti lệ kiểu hình trở thành 1:4:6:4:1. 3.2. Tương tác át chế Tương tác át chế xảy ra khi alen tại một locus này kiềm hãm hoặc ức chế sự hoạt động cùa alen tại một locus khác. Khi có tương 23 tác át chế, ti lệ của F2 trong trường hợp hai gen trội qui định 2 tính trạng độc lập là 9:3:3:1 sẽ thay đổi. Nghĩa là từ 4 kiểu hình ờ F2 sẽ giảm xuống còn 2 hoặc 3 kiểu hình tùy thuộc vào kiểu át chế. Màu sắc thân của nhiều loài cá cảnh được điều khiển bời sự tương tác át chế giữa 2 hoặc nhiều gen. Màu sắc thân và vi của cá thia thia xiêm Betta splendens (Bảng 2.5) là 1 ừong những kiểu tương tác át chế. Màu sắc của cá được tạo ra bởi tương tác át chế giữa các gen V, c, B và Ri. Các gen riri, bb và cc làm biến đổi kiểu hình được tạo ra bởi kiểu gen w, Vv và vv. Bảng 2.5: Màu sắc ở thân và vi cùa cá thìa thia Betta splendens (trích bời Tave, 1993) Kiểu gen CC.BB Cc.BB CC.Bb Cc.Bb cc.bb Cc.bb CC.BB cc.Bb cc.bb rirí, vv riri, Vv rirí.vv Thân: nâu đò đến đen; Vi: đỏ sậm đến đen Thân: màu hô phách nhạt đến đỏ nhạt; Vi: đò Thân: hông nhạt đến đỏ; Vi: không màu đến đỏ RiRi.vv Riri, W Thân: xanh lục; Vi: xanh lục (thường là đỏ) Thân: đỏ trên nền xanh lục; Vi: đỏ và lục Thân: hông nhạt đến đỏ với xanh lục; Vi: đỏ và lục đến lục hoàn toàn. Ri Ri, Vv Riri, Vv Thân: xanh dương; Vi: xanh dương (thường là đỏ) Thân: xanh dương phủ lên nền đỏ = tím; Vi: tím Thân: hông nhạt đến đỏ với xanh dương; Vi: đỏ và xanh dương đén xanh dương hoàn toàn RiRi, vv Riri, vv Thân: xanh ánh thép; Vi: xanh ánh thép và thường là đò. Thân: xanh thép phù trên nền đỏ = màu hoa cà; Vi: màu hoa cà Thân: hồng nhạt đến đỏ, phủ trên nền bạc; Vi: đỏ và bạc đến màu bạc hoàn toàn. 3.2.1. Tương tác át chế trội Át chế trội xảy ra khi một alen trội tại một locus Ụocus át chế) tạo ra một kiểu hình riêng bất chấp kiểu gen tại locus thứ hai. Nói cách khác, alen trội ở ìocus át chế ngăn cản gen tại locus thứ 2 hình thành kiểu hình. Gen thứ 2 chỉ thể hiện kiểu hình của nó khi locus át chế là đồng hợp tử lặn. Khi trường hợp này xảy ra, gen thứ 2 có thể tạo thành 2 kiểu hình. Như vậy, trong tương tác át chế trội tỉ lệ kiểu hình sẽ là 12:3:1. 24 Tính trạng bạch tạng ở cá vàng Carassius auratus là một bằng chứng cho tương tác át chế trội. Tính trạng này được điều khiển bởi gen M và s (Yamamoto, 1973; trích bởi Tave, 1993). Gen M là locus át chế. Một alen trội M sẽ tạo ra cá vàng có màu sậm bất chấp kiểu gen ở locus s. Khi gen M là đồng hợp tử lặn (mm), gen s sẽ tạo ra hoặc là cá vàng có màu sáng (s s và Ss) hoặc là bạch tạng (ss). Như vậy, cá bạch tạng chỉ có thể được tạo thành khi cá có kiểu gen đồng hợp tử ờ cả 2 locus (mm.ss). Hình vuông Punnett cho thấy kết quả sinh sản 2 cá thể sậm màu dị hợp úi (Mm,Ss)\ Giao tử cùa cá đực M ,s M,s m ,s m,s M,s MM.SS sậm M,s MM.Ss sậm m ,s M m ,ss sậm m,s Mm,Ss sậm MM.Ss sậm MM,SS sậm Mm.Ss sậm Mm.ss sậm M m .ss sậm Mm.Ss sậm m m ,ss sáng mm.Ss sáng Mm,Ss sậm Mm.ss sậm mm,Ss sáng mm,ss trăng Ti lệ kiểu hình của F2 sê là 12 sậm màu: 3 màu sáng: 1 bạch tạng. Trên các loài cá nuôi, kiểu vẩy của cá chép cũng là một kiểu hình quan trọng được điều khiển bởi tương tác át chế trội. Hiểu được sự di iruyèn tỉnh trạng kiểu vảy cố ý nghía quan irọng, cá chép ít vảy được ưa chuộng ở thị trường châu Âu, trong khi cá có vẩy bình thường được chọn ở cá nước châu Á. Gen s và yV qui định kiểu vẩy của cá (Kirpichnikop, 1981 trích bởi Tave, 1993). Gen s qui định tính trạng nhiểu vẩy và gen N làm thay đổi kiểu vẩy. Gen s là trội so với 5 và xác định kiểu vẩy tự nhiên, trong khi gen s quyết định kiểu vẩy của cá chép kính. Gen N xác định kiểu vẩy xếp thành hàng ở đường bên của cá và kiểu cá không vẩy. Kiểu gen đồng hợp tử N N là gen gây chết, và nn không ảnh hưởng đến kiểu vẩy của cá. Các kiểu gen điều khiển kiểu vẩy cá chép như trong Hình 2.1: 25 CHÉT ^S~SS,NN hoặc S sjm ss,nn hoặc Ss,nn ss ss,nn Chép vẩy NN Hình 2.1: Các kiểu gen qui định kiểu vấy trên cá chép vấy, chép kính, chép trần và chép có vay xếp thành hàng (theo Tave, ì 995) Khi cho lai 2 cá thể chép có vẩy sắp thành hàng Ss.Nn kiểu hình ở thế hệ F2 sẽ là: 4 chết: 6 vẩy sắp thành hàng: 2 chép trần: 3 chép vẩy: 1 chép kính 3.2.2. Tương tác át chế lặn Tương tác át chế lặn xảy ra khi gen át chế tại một locus (locus lặn) ngăn chặn sự thể hiện kiểu hình của một gen khác. Kiểu gen ở locus thứ 2 chi thể hiện kiểu hình khi locus át chế có ít nhất 1 alen trội. Tương tác át chế lặn cho tỉ lệ kiểu hình là 9:3:4. Màu mắt của cá hang mù Mexico Astyanax mexicanus là một thí dụ. Màu mắt đen, nâu và hồng được điều khiển bởi gen ab và bw (Sadoglu và McK.ee, 1969; trích bởi Tave, 1993). Gen ab là locụs át chế trong đó kiểu gen abab tạo ra màu hồng của mắt không kể đến sự hiện diện của kiểu gen bw. Sự hiện diện của một alen ab trội (+) cho 26 phép kiểu gen bw tạo ra kiểu hình mắt đen (++ hay +ồw) hoặc mắt nâu (bwbw). Khi cho lai 2 cá thể dị hợp tử cá cái mắt đen (ab+,bw+) và cá đực mắt đen (ab+,bw+) với nhau sẽ cho ra kiểu hình là 9 mắt đen: 3 mắt nâu: 4 mắt hồng như thể hiện trong hình vuông Punnett dưới đây: Giao tử của cá đực +,+ +,bw ab,+ ab,bw +,+ + +,+ + mắt đen +,bw + +,bw+ mắt đen ab,+ ab+,++ mắt đen ab,bw ab+,bw+ mắt đen + +,+bw mắt đen ++,bwbw mắt nâu ab+,+bw mắt đen ab+,bwbw mắt nâu +ab, + + mắt đen +ab,bw+ mắt đen abab, ++ mắt hồng abab,bw+ mắt hồng +ab,+bw măt đen +ab,bwbw mắt nâu abab, +bw mắt hồng abab, bwbw mắt hồng 3.2.3. Anh hướng tích lũy cùa hai gen Xảy ra khi cả 2 gen cùng tạo ra một kiểu hình. Kiểu hình thứ nhất hỉnh thành khi có alen trội (đồng hợp trội hoặc dị hợp) xuất hiện tại 1 trong 2 locus\ kiêu hình thứ hai có được khi cả 2 locus có ít nhất 1 alen trội, đây là kiểu hình “tích lũy”; và kiểu hình thứ 3 được tạo ra khi cả 2 locus là đồng hợp tử lặn. Kiểu tương tác “tích lũy” này sẽ cho tỉ lệ kiểu hình là 9:6:1. Thí dụ kiểu sọc ngang trên thân cá tứ vân Puntigrus tetrazona. Những sọc ngang trên thân cá được điều khiển bằng các gen A và B (Frankel, 1985 trích bởi Tave, 1993). Kiểu gen lặn aa.bb tạo ra sọc nửa thân, khi có sự hiện diện của gen trội A hoặc B (Aa.bb; AA.bb; aa,BB; aa,Bb) sẽ tạo ra sọc không hoàn chỉnh. Khi gen trội hiện điện ờ cả 2 locus (Aa.Bb; AA.Bb; Aa,BB; AA,BB) sẽ cho ra kiểu sọc hoàn chinh (Hình 2.2). Hình 2.2: Các kiểu sọc nừa thân, sọc không hoàn chinh và sọc hoàn chinh trên thân cá tứ vân Puntigrus tetrazona ctheo Frankel, 1985) 27 Khi cho lai 2 cá thể có kiểu sọc hoàn chinh Aa,Bb sẽ cho ra ti lệ kiểu hình ở F2 là: 9 sọc hoàn chỉnh: 6 sọc không hoàn chỉnh: 1 sọc nửa thân. 3.2.4. Tương tác 2 gen trội Trong trường hợp này sự hiện diện của alen trội ở 2 locus sẽ cho ra kiểu hình giống nhau, nhưng không có ảnh hưởng tích lũy. Chi có một kiểu gen tạo ra kiểu hình khác đó là kiểu gen đồng hợp tử lặn. Tỉ lệ kiểu hình ở F2 do đó sẽ là 15:1. Tính trạng vẩy trong suốt của cá vàng Carassius auratus là một thí dụ về kiểu hình được điều khiển bởi tương tác 2 gen trội. Sự mất sắc tố ở vẩy cá được điều khiển bởi gen D pi và Dp2 (Kajishima, 1977 trích bởi Tave, 1993). Kiểu hình sắc tố bình thường ở vẩy cá chi được tạo thành khi cả 2 locus là đồng hợp từ lặn. Do đó khi cho lai 2 cá thể có vẩy trong suốt dị hợp tử (D pldpl,D p2dp2) sẽ cho ra ti lệ kiểu hình là 15 vẩy trong su ố t: 1 vẩy bình thường. 3.2.5. Tương tác 2 gen lặn Trong kiểu tương tác này, 2 gen lặn ở mỗi locus sẽ tạo ra kiểu hình giống nhau. Chỉ khi có alen trội hiện diện trên cả 2 locus, thì kiểu hình mới sẽ được tạo thành. Ti lệ kiểu hình của tương tác 2 gen lặn lúc này sẽ là 9:7. Màu sắc thịt cá hồi chinook Oncorhynchus tshawytscha là một thí dụ cho kiểu tương tác 2 gen lặn. Màu thịt cá hòi chinook được điều khiển bời gen A và B (Withler, 1986 trích bời Tave, 1993), khi A hoặc B hoặc cả 2 là đồng hợp lặn, thịt cá hồi sẽ có màu trắng. Thịt màu đỏ được tạo thành khi có ít nhất 1 alen trội ở mồi locus. Tất cả các kiểu gen và kiểu hình cỏ khả năng hình lliàiili klii c h o sinh sản 2 cá liồi thịt đỏ, dị hợp tử cả 2 gen như trong hình vuông Punnett dưới đây: Giao từ của cá đực A.B A,b a,B a,b A, B AA,BB thit đỏ A,b AA.Bb thit đỏ a,B Aa.BB thit đỏ a,b Aa,Bb thit đỏ AA.Bb thit đỏ AA,bb thịt trắng Aa.Bb thit đỏ Aa.bb thịt trắng Aa.BB thịt đỏ Aa.Bb thit đò aa.BB thịt trắng aa,Bb thịt trắng Aa.Bb thit đỏ Aa.bb thịt trắng aa.Bb thịt trắng aa.bb thịt trắng Ti lệ kiểu hình là: 9 cá có thịt đỏ : 7 cá có thịt trắng 28 3.2.6. Tương tác trội và lặn Trong trường hợp này kiểu gen trội ở locus thứ nhất (đồng hợp tử trội hoặc dị hợp tử) và kiểu gen lặn ở locus thứ 2 sẽ cho ra cùng một kiểu hình (A-,B-\ A-,bb và aa.bb). Kiểu hình thứ 2 chì xuất hiện khi ở locus thứ nhất là đồng hợp lặn và locus còn lại có ít nhất một alen trội (aa,B-). Kiểu hình của Fa trong kiểu tương tác này là 13:3. Tóm tắt các kiểu di truyền tính trạng của gen nằm trên NST thường với 2 alen trên 1 locus và không có gen gây chết được trình bày trong Bảng 2.6. Bảng 2.6: Ti lệ kiểu hình cùa Fĩ được tạo ra bởi việc cho lai 2 cá thê FI dị hợp từ. Ti lệ kiểu hình của F2 Kiểu hoạt động của gen 1 gen nằm trên NST thường 3:1 Trội hoàn toàn 1:2:1 Trội không hoàn toàn; cộng gộp; đồng trội 2 gen trên NST thường, mỗi gen qui định 1 kiểu hình khác nhau 9:3:3:1 2 gen: trội hoàn toàn 3:6:3:1:2:1 2 gen: 1 gen trội hoàn toàn; gen kia là cộng hợp, trội không hoàn toàn hoặc đồng trội. 1:2:1:2:4:2:1:2:1 2 gen: bất kỳ sự kết hợp nào với gen hoạt động kiếu cộng hợp, đồng trội hoặc trội không hoàn toàn 2 gen trên NST thường xác định kiểu hình không có tưCo, / >c, P Cc, p°, P ) . Alen p + tạo ra kiểu hình không đốm và là alen lặn so với các alen khác. Các alen khác là alen đồng trội, điều này có nghĩa là các kiểu hình được tạo ra bời các alen này thì luôn luôn biểu hiện và biểu hiện của kiểu gen dị hợp tử luôn là sự kết hợp 2 kiểu hình riêng biệt. Các alen tại locus p, về lý thuyết, có thể tạo thành 37 kiểu hình khác nhau, nhưng nhiều kiểu hình có sự trùng lắp nên số kiểu hình quan sát được là 27 kiểu. Hình 1.1 (Chương I) thể các kiểu hình đốm trên đuôi của cá kiếm tạo thành bởi 9 alen. 6. Nhiều tính trạng (Pleiotropy) Ket quả trong các khảo sát đã nêu dựa trên giả thuyết là gen tạo ra kiểu hình đặc trưng trong một tiến trình riêng biệt và mỗi kiểu gen tạo ra một kiểu hình. Giả thuyết này không phải luôn luôn đúng, một gen đom có thể ảnh hưởng đến nhiều kiểu hình, kiểu hình thì không phải lúc nào cũng được biểu hiện, và sự biểu hiện của kiểu hình không phải lúc nào cũng là một ti lệ không đổi. 34 Bảng 2.8: Anh hưởng của gen qui định kiểu vẩy ở cả chép (theo Tave, 1993) Anh hưởng của gen đa tính trạng BW cá 1 tuôi trong điêu chép vẩy ss,nn; Ss.nn chép kính ss.nn vẩy hàng SS.Nn; Ss.Nn chép trần ss.Nn kiện thuận lợi* 100 93-96 85-88 79-80 BW cá 1 tuỏi trong điêu kiện bất lợi* 100 83-94 42-70 37-72 Khôi lượng cá 2 tuôi* 100 94-96 86-91 83-84 TB sổ lượng tia mềm ở vi lưng 18,8 18,7 16,4 15,4 TB sô lượng tia mêm ở vi hâu môn 4,96 5,0 3,82 3,56 TB sô lượng tia mềm ở vi ngực14,7 14,3 14,3 13,1 TB sô lượng tia mang 88,6 83,5 82,3 83,2 TB sô lượng răng hầu 9,22 9,58 7,63 7,44 Khả năng phục hôi các vi* 100 76 39 19 Hống cầu (1 o6 tế bào/ml) 1,93 1,99 1,76 1,69 Hemoglobin (g/%) 9,02 8,87 8,18 8,28 Thời gian sống trong điều kiện thiếu oxỵ (phút) 210 210 132 132 Phản ứng miễn dịch nhanh nhanh chậm chậm Khả năng kháng bệnh dropsy (xù vẩy) - tăng - giảm Cường độ chuyên hóa chât béo thấp thấp cao rất cao Tỉ lệ sông cá 1 tuôi trong đk thuận lợi* 100 91-98 87-93 80-92 Ti lệ sông cá 1 tuôi trong đk bất lợi* 100 93-95 36-37 28-60 * Tinh thành % theo giá trị kiểu hình cùa cá chép vẩy (chép vẩy được tính là 100%); BW: khối lượng thân; TB: trung bình Gen tác động thông qua tác nhân sinh hóa, và các tác nhân sinh hóa thi có mối liên kết qua lại, do đó gen không phải luôn ảnh hường đến kiểu hình trong một tiến trình riêng lẻ. Sự thay thế bàng một alen khác thì ảnh hường lớn hơn nhiều so với một tác nhân sinh hóa, và ảnh hưởng đến nhiều tác nhân, do đó có thể nhiều kiểu hình bị biến đổi. Kiểu hình thứ 2 bị ảnh hưởng được gọi là ảnh hưởng đa tính 35 trạng. Ảnh hưởng cùa gen đa tính trạng thì yếu và không có ý nghĩa nếu không làm thay đổi các tính trạng kinh tế quan trọng. Tuy nhiên, khi ảnh hưởng của gen đa tính trạng làm tăng hoặc giảm tỉ lệ sống, năng suất, hoặc chất lượng sản phẩm thì nó trở nên có ý nghĩa và chắc chắn quan trọng hơn kiểu hình. Gen đa tính trạng đã được nghiên cứu nhiều trên cá chép. Nhiều gen qui định tính trạng màu sắc của cá chép được xác định là gen đa tính trạng. Thí dụ gen L, D, B, và G. Cá chép màu xanh (bb) và vàng (gg) thì tăng trưởng chậm do ảnh hưởng của gen đa tính trạng. Cá chép vẩy là một tính trạng chất lượng quan trọng khi chúng được nuôi để làm thực phẩm. Ở cá chép kính, chép có vẩy sắp thành hàng và chép trần đã phát hiện được 17 ảnh hưởng của gen đa tính trạng (Bảng 2.8). Alen a tạo ra cá nheo I. punctatus bạch tạng khi ở trạng thái đồng hợp tử aa. Ảnh hưởng đa tính trạng của kiểu gen aa tạo ra trứng có kích thước nhỏ, chất lượng trứng kém, khả năng sống sót và tốc độ tăng trưởng kém hon so với cá có sắc tố bình thường. Hơn nữa, do có màu sắc sáng, cá bạch tạng dễ bị phát hiện bởi các sinh vật ăn thịt khác so với cá có màu sắc binh thường. 7. Mức ngoại hiện (penetrance) và độ biểu hiện (expressivity) Hoạt động của gen sẽ xác định sự biểu hiện của kiểu hình, tuy nhiên điều này có thể thay đổi. Trong nhiều trường hợp gen không thể hiện kiểu hình mong đợi, khi trường hợp này xảy ra thì gen thể hiện sự thay đổi mức ngoại hiện hoặc thay đổi độ biểu hiện. Mức ngoại hiện là phần trăm của các cá thệ thể hiện kiểu hình mong đợi. Neu kiểu hình thể hiện trên tất cá cá thể, mức ngoại hiện là 100%; nếu một nữa các cá thé biêu hiện kiếu hình thì mức ngoại hiện là 50%; nếu không có cá thể nào biểu hiện kiểu hình thì mức ngoại hiện là 0%. Kiểu hình giới hạn bời giới tính là 0% ở con cái hoặc con đực tùy thuộc vào giới tính mà kiểu hình bị giới hạn. Độ biểu hiện là mức độ biến đổi hoặc thay đổi của kiểu hình đã được thể hiện. Có những kiểu hình không thay đổi, những kiểu hình khác thì được biểu hiện khác nhau trên những cá thể khác nhau. Thí dụ alen trội Sc qui định tính trạng đốm trên đuôi của cá kiếm Xiphophorus montezumae. Alen Sc có mức ngoại hiện là 30-88% khi ờ trạng thái đồng hợp tử trội và dị hợp từ. Độ biểu hiện của kiêu hình biến đổi từ những sọc nhỏ dài trên vi đuôi đến những điểm sắc tố (Kallman, 1971 trích bởi Tave, 1993). 36 Gen M qui định tính tính trạng đốm đen trên thân ở cá molly Poecilia ¡atipinna. Alen M là trội không hoàn toàn so với m. Ở nhiệt độ nước 20°c, mức ngoại hiện là 100%. Nhiệt độ nước cao hơn thì mức ngoại hiện nhỏ hơn 100% và ở nhiệt độ 26-28°C mức ngoại hiện gần bằng 0% ở cá thể dị hợp tử. Độ biểu hiện (sắc tố đen) sẽ giảm nhiều ở nhiệt độ cao. Lý do để giải thích cho sự biến đổi này là do ảnh hưởng của các cơ chế hóa sinh trên các giai đoạn phát triển và trên từng cá thể thì khác nhau dẫn đến sai khác trong việc điều khiển sự biểu hiện kiểu hình. Kiều gcn Kiểu hình MM Mm mm Nhiều đốm, hầu hết là đốm đen đốm nhạt màu không đốm Những gen làm thay đổi mức ngoại hiện và độ biểu hiện có thể gây nên những khó khăn trong việc phân tích sự di truyền của kiểu hình do sự phân loại kiểu hình có sai khác và tạo nên sự nhầm lẫn trong tỉ lệ kiểu hình. Điều này cũng gây trở ngại cho các chương trình chọn lọc vì các alen bị loại bỏ đôi khi không biểu hiện kiểu hình. 8. Liên kết gen Khi các gen nằm trên cùng một NST được liên kết, chúng sẽ được di truyền thành từng cặp hoặc thành từng nhóm, điều này cũng có nghĩa là kiểu hình cũng được di truyền thành từng cặp hay từng nhóm. Khi 2 gen liên kết, giao tử không nhận các alen theo kiểu phân ly độc lập, mà các alen được chuyển đến giao tử thành từng cặp hoặc thành từng nhóm alen trong trường hợp có nhiều gen liên kết. Thi dụ, tiên cá bảy màu gcn X ựị và Ả'ti là gcn liẽn két với NST giới tính X. Mặc dù, 2 gen này đều có thể trao đổi chéo với NST Y, nhưng trường hợp phân tích sau đây giả định rằng chúng chỉ nằm trên NST X. Do đây là 2 gen liên kết, nên cá thể cái dị giao tử chỉ cho ra 2 loại giao tò, và loại giao tử đo con cái tạo ra phụ thuộc vào kiểu liên kết của gen. Hai loại giao tử có thể là 1 Xvi^ỈE! ■ 1 XgXo hoặc 1 XviJỉo'- 1X oJCe i Trao đổi chéo có thể xảy ra giữa các NST tương đồng trong giai đoạn sớm của giảm phân, khi trao đổi chéo xảy ra, những nhóm gen liên kết có thể tạo ra các kiểu giao tử với tất cả các kiểu kết hợp có thể có của các alen, nhưng tỉ lệ của các nhóm giao tử này không bằng nhau. Số lượng giao tử được tạo ra bởi trao đổi chéo phụ thuộc vào tần số trao đổi chéo, và tần số này thì phụ thuộc vào sự sắp xếp và khoảng 37 cách giữa các gen trên NST. Những gen gần nhau thì có tàn số trao đổi chéo thấp và ngược lại khi gen có khoảng cách xa thì tần số trao đổi chéo sẽ tăng lên đến trường hợp giống như chúng nằm trên 2 NST khác nhau. Khoảng cách giữa các ẹen và sự sáp xếp của gen trên NST là cơ sở để thành lập thành bản đồ gen dựa trên tẩn số trao đổi gen. Bằng phương pháp này, Winge và Ditlevsen's (1947) đã xác lập được bản đồ gen của NST giới tính trên cá bảy màu (theo Tave, 1993). Câu hỏi ôn tập 1. Thế nào là trội hoàn toàn và không hoàn toàn? Cho thí dụ? 2. Nêu các qui luật di truyền xảy ra khi hai hay nhiều gen nằm trên nhiễm sắc thể thường? Cho thí dụ? 3. Liên kết gen là gì? Sự di truyền của gen liên kết với NST Y và gen liên kết với NST X có điểm khác biệt gì ? 4. Thế nào là gen đa alen ? Cho thí dụ. Tài Liệu tham khảo 1. Phạm Thành Hổ, 2000. Di truyền học. Nhà xuất bản Giáo dục, 613p 2. Lê Đình Lương, 2001. Nguyên lý kỹ thuật di truyền. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật. 208 trang. 3. Tave, D., 1993. Genetics for fish hatchery managers. Van Nostrand Reinhold, New York, 415 pp. 4. Tave, D., 1995. Selective breeding programmes for medium sized fish farms. FAO Fisheries Technical Paper. No. 352. Rome, FAO. 122 p. 38 C H Ư Ơ N G I I I DI TRUYỀN HỌC QUẦN THÊ 1. Những khái niệm cơ bản về di truyền quần thể /. /. Quần thế và di truyền quần thế Quần thể là tập họp các cá thể trong cùng một loài cùng sống trong một môi trường nhất định, trong đó các cá thể giao phối tự do để tạo ra thế hệ sau có khả năng sinh sản. Sự giao phối giữa những cá thể trong quần thể xảy ra dễ dàng hơn so với sự giao phối của những cá thể tứ những quần thể khác nhau. Mục tiêu chính của di truyền học quần thể là nghiên cứu cấu trúc di truyền của một quần thể và xác định những nguyên nhân làm thay đồi cấu trúc di truyền, cấu trúc di truyền cùa một quần thể chỉ mức độ biến đổi di truyền và sự phân bố di truyền của các cá thể trong một quần thể, thường được xác định thông qua tan so gen (hay tần số alen) và tần số kiểu gen ở các locus. 1.2. Tần số alen, tần số kiểu gen và tì lệ đồng hợp/dị hợp của quần thể Tần số của một alen (thí dụ alen A hoặc a tại một locus có hai alen) là ti lệ cùa alen đó tại một locus trong quần thể. Nói cách khác, đó chính là tì số giữa số lượng của alen đó và số lượnệ của tất cả các alen tại một locus trong quần thể. Tần số alen trong quần thể có thể bị biến đồi do tác động của lạc dòng di truyền (genetic drift), đột biến (mutation), chon lọc tự nhiên (natural selection), di cư (migration), giao phối không ngẫu nhiên (non-random mating),... Tần số kiều gen là ti lệ của một kiểu gen (thí dụ kiểu gen AA, Aa hay aa) trong tất cả các kiểu gen qui định một tính trạng nào đó xuất hiện trong quần thể. Đó chính là ti số giữa số cá thể mang kiểu gen đó và tổng số cá thể được phân tích di truyền trong quần thể. Từ tần số kiểu gen có thể tính được ti lệ đồng hợp (homozygosity) và tỉ lệ dị hợp (heterozygosity) của quần thể. Tỉ lệ đồng hợp là tổng tỉ lệ của các kiểu gen đồng hợp (AA và aa). Ti lệ dị hợp là tổng tỉ lệ của các kiểu gen dị hợp (Aa). Đây là một trong những thông số quan trọng dùng để đánh giá sự đa dạng di truyền của một quần thể. 39 1.3. Định luật Hardy - Weinberg Vào năm 1908, từ những công trình nghiên cứu độc lập, hai nhà khoa học Godfrey H. Hardy (1877-1947) và Wilhelm Weinberg (1862 - 1937) đã cùng đưa ra công thức để tính tần số kiểu gen dựa trên tần số alen và ngược lại tính tần số alen dựa vào tần số kiểu gen: (3.1) ip + q)2 = p 2 + 2pq + q2= ì Trong đó: p và q là tần số của hai alen tại một locus (tương ứng với A và a) Tần số (ký hiệu là f) kiểu gen sê là: f(AA) = p 2 ; f(aa) = q2 ; và ĩ(Aa) = 2pq Công thức 3.1 được gọi là định luật Hardy-Weinberg (HW). Định luật này được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu di truyền quần thể, di truyền tiến hóa và nhiều ứng dụng khác. Định luật HW áp dụng cho sinh vật lưỡng bội, sinh sản hữu tính và không trùng lắp giữa các thế hệ. Các điều kiện để một quần thể tuân theo định luật HW là: Quần thể có số lượng lớn Giao phối tự do và ngẫu nhiên Không xảy ra đột biến Không có chọn lọc Không có sự di cư Quần thể đáp ứng được các điều kiện trên gọi là quần thé cân bằng, tan so alen và tần số kiểu gen tại một locus không đổi từ thế hệ này sang thế hệ khác. Quần thể cân bằng còn được gọi là quần thể HW. Trong thực tế, một quần thể tự nhiên khó đáp ứng đầy đi các điều kiện của qui luật HW, do đó, quần thể lý tường gần như khôtg có trong tự nhiên. Tuy nhiên, người ta vẫn đặt giả thuyết một quần thể đang nghiên cứu đã từng là quần thể cân bằng để tìm hiểu các ngjyên nhân dẫn đến sự thay đổi tần số alen trong quần thể. Mối quan hệ giữa tần số kiểu gen và tần số alen theo định luật HW được biểu diễr qua Hình 3.1. Hình 3.1 cho thấy tỉ lệ kiểu gen dị hợp (Aa) cao nhất khi tín số của 2 alen bàng nhau (0,5). Khi một alen có tần số rất thấp alen “hiếm”), kiểu gen đồng hợp của alen đó có tần số càng thấp hcn (vì tần số kiểu gen bằng bình phương của tần so alen). 40 Tần số alen Hình 3.1: Tần số kiểu gen kỳ vọng (theo Định luật HW) p 2, 2pq và q2 tương ứng là tần số kiểu gen AA, Aa và aa (trục tung) tại mỗi giá trị tần số alen (trục hoành). Hiểu được cấu trúc di truyền cùa một quần thể sẽ giúp cho việc quyết định phương pháp chọn giống thích hợp để làm thay đổi kiểu hình, kiểu gen và tần số kiểu gen. Những kiểu hình khác nhau sẽ có giá trị kinh tế khác nhau. Do đó trong chọn giống, sự thay đổi cấu trúc di truyền của một quần thể sẽ theo hướng làm tăng tần số alen qui định những kiểu hình mong muốn và làm giảm tần số alen qui định những kiểu hình bất lợi. Quần thể có tần số alen qui định tính trạng mong muốn là 100% gọi là quần thể thuần chủng và trở thành nguồn bo me quan trọng cho các chương trình chọn giống. 2. Phương pháp xác định tần số alen và tần số kiểu gen Tần số alen và tần số kiểu gen được xác định thông qua kiểu hình đã biết kiểu gen qui định tính trạng hoặc thông qua marker di truyền. Đối với kiểu hình cùa một tính trạng, tùy thuộc vào gen nằm trên NST thường hay NST giới tính và mức độ trội của alen mà cách tính tần số alen và tần số kiểu gen sẽ khác nhau. Song, tất cả cách tính tần số alen từ tần số kiểu gen và ngược lại đều dựa trên giả thuyết quần thể đạt cân bằng HW tại locus đang nghiên cứu. 2.1. Gen trên NST thường 2.1.1. Trội không hoàn toàn hoặc cộng gộp Cả hai trường hợp trội không hoàn toàn và cộng gộp đều giống 41 nhau ở chỗ một gen có 2 alen sẽ có 3 kiểu gen và mỗi kiểu gen tạo ra một kiểu hình riêng biệt. Khi đó, tần số alen được xác định dễ dàng dựa trên kiểu hình: 2 (N0. có kiểu hình đồng hợp ) + N0- có kiểu hình dị hợp (3.2) f(alen) = - 7 7 2 (N0. trong quần thể) Trong đó N0.: là số cá thể Thí dụ một người nuôi cá phát hiện cá hồi màu vàng và màu vàng với các vi và đuôi màu kem hay vàng nhạt trong đàn cá nuôi. Kiểu hình màu sắc vi ờ cá hồi là do một gen có 2 alen (G và G 0 qui định. Để xác định tàn số các alen G và G' trong quần thể cá nuôi, người nuôi phải đếm số lượng cá thể cùa từng kiểu hình và tính toán tỉ lệ của các kiểu hình. Kiều hình____________________________ Kiều gen số lượng săc tô bình thường GG 360 màu vàng (golden) G'G' 160 màu vàng với các vi và đuôi màu sáng GG' 480 Số alen G f(G)= ---- 7-----7-------------------- Tổng so alen tại locus G 2 X (360 cá bình thường) + 480 cá vàng, vi và đuôi sáng f (ơ> = -------------------- ----- 7 7 ---------------- 2 X (1000 cá thể) f ( ơ ) = 0,6 Tần số của alen G' So alen G ’ f(G ’)= ------ 7-----7 - --------------------------- Tong so alen tại locus G 2 X (160 vàng) + 480 màu vàng, vi và đuôi sáng ^ 0 = ----------------------------------------1 ----------- - — ------------------------------------------------------- 2 X (1000 cá thể) f (GO = 0,4 Một điểm quan trọng là f (G) + f (GO = 0,6 + 0,4 = 1 42 Một cách khác để tính tần số của các alen là ứng dụng định luật HW, tần số cùa các alen bằng căn bậc 2 của tàn số gen của kiểu hình đồng hợp từ. (3.3) f (alen) — \ / f (kiểu hình đồng hợp tạo ra bới alen) Cá thể mang kiểu hình GG Do vậy: f( ơ ) = f(G ) = Tổng số cá thể 360 cá có sắc tố bình thường 1000 cá thể f(G ) = 0,36 = 0,6 Tương tự ta cũng tính tần số của alen G' f(G ') = \ J 0,16 )Ạ Hình vuông Punnett được sừ dụng để chứng minh rằng tần số của alen được tính bằng căn bậc 2 của tần số kiểu hình đồng hợp. Giao tử của cá đực G (f = 0,6) ơ '( f = 0,4) Giao tử r ù a G (f=0,6) GG săc tô bình thường f(GƠ) = 0,6x0,6 = 0,36 G' (f=0,4)G'G vàng, vi và đuôi sáng f(G'G) = 0,4 X 0,6 = 0,24 GG' vàng, vi và đuôi sáng f (GC) = 0,6x0,4 = 0,24 G'G' vàng f (C C ) = 0,4 X 0,4 = 0,16 Như vậy, kiểu gen và tần số kiểu gen ứng với các kiểu hình là: Kiểu hình Kiều gen Tần số Sắc tố binh thường Vàng với vi và đuôi sáng Vàng GG 0,36 GG' 0,48 G'G' 0,16 Tổng cộng 1,00 Đối với trường hợp trội không hoàn toàn và cộng gộp của một gen qui định một tính trạng, tần số của 3 kiểu hình cũng chính là tần số của 3 kiểu gen. Khi đó, tần số alen có thể được tính từ tàn số kiểu 43 gen theo cách khác. Nếu gọi X, Y và z là tần số kiểu gen tương ứng AA, Aa và aa. Tần số alen tính từ tần số kiểu gen là: (3.4) (3.5) = p = X + Y/2 f(Ẩ) = q = z + Y/2 2.1.2. Trội hoàn toàn Trong trường hợp trội hoàn toàn, một gen với 3 kiểu gen nhưng chỉ có 2 kiểu hình được thể hiện. Cá thể dị hợp tử không thể phân biệt được với cá thể đồng hợp từ trội, tàn số alen do đó không thể xác định bằng cách đếm số alen khi mà không thể xác định cá thể nào mang 2 hoặc 1 alen trội. Trong trường hợp này, tần số alen phải được tính bằng phương pháp lẩy căn bậc 2 của tần số kiểu gen đằng hợp tử lặn. Kiểu hình lặn có thể giải mã được bàng việc quan sát vì chi có 1 kiểu gen. Do tần số của kiểu hình lặn bằng bình phương của tần số alen lặn, lấy căn bậc 2 của tần số kiểu hình lặn sẽ cho tần số của alen lặn. Tần số của alen trội sẽ dễ dàng tính được vì tổng tần số các alen bằng 1. Xét trường hợp màu sắc trên cá chép. Một người nuôi cá phát hiện một số cá chép xanh trong đàn cá chép nuôi và muốn biết tần số của các alen quyết định tính trạng màu xanh hay sắc tố bình thương. Màu xanh của cá chép được điều khiển bởi alen lặn b, và sắc tố bình thường được điều khiển bời alen trội B số lượng các cá thể mang íiểu hình khác nhau được thể hiện như sau: Kiều hình___________ Kiều gen____________ số lượng (con) Chép xanh bb 90 Sắc tố bình thường BB hoặc Bb 910 Tổng cộng 1.000 Trước hết, tính tần số alen lặn vì cá chép xanh có kiểu gen đồng hợp lặn bb: f(b)f (cá chép xanh) = 0,3 44 f (B) = 1,0 - 0,3 f(B) = 0,7 Có thể sừ dụng hình vuông Punnett để kết hợp tần sổ kiểu gen từ tần số alen, hoặc sử dụng các công thức tính tần số kiểu gen sau: f (kiểu gen đồng hợp cùa alen I) = ?(alen 1) f (kiểu gen dị hợp từ) = 2 [ĩ(alen I)][f(alen 2)] f (kiểu gen đồng hợp cùa alen 2) = f{alen 2) Khi tính tần số của kiểu gen dị hợp tử cần thiết phải nhăn cho 2 vì có 2 cách kết hợp của các alen: alen 1 (bố) X alen 2 (mẹ) và alen 1 (mẹ) X alen 2 (bố) Sử dụng các công thức trên ta sẽ tính được tần số của các kiểu gen trong quần thể cá chép f(B B ) = f (B)2 = (0,7)2 = 0,49 f(B6) = 2 [f(fl)][f(6)] = 2 (0,7) (0,3)= 0,42 f (bb) = f (b)2 = (0,3)2 = 0,09 Như vậy f(B B ) + f (Bb) + f (bb) = 0,49 + 0,42 + 0,09 = 1,0 Điều này có nghĩa là trong quần thể 1.000 con cá chép này sẽ có 490 cá chép có sắc tố bình thường (BB), 420 cá chép sắc tố bình thường (Bb), và 90 cá chép có màu xanh (bb). 2.1.3. Hai hoặc nhiều gen qui định các tính trạng riêng biệt Pliưưng pháp lính lần số alcn tại 2 hay nhiều lucuò khi mỗi locus qui định một tính trạng riêng thì đơn giản như phương pháp tính cho 1 locus. Sự xảy ra đồng thời của 2 tính trạng riêng có thể được tách ra thành 2 trường hợp di truyền một tính trạng. Vì mỗi locus tạo ra những kiểu hình khác nhau, mỗi kiểu hình và alen qui định kiểu hình đó có thể được tách riêng biệt, tần số alen do vậy có thể được tính toán độc lập cho mỗi kiểu hình Một khảo sát trên quần thể cá bảy màu Poecilia reticulata cho thấy: 45 Kiểu hình Kiều gen Số lượng Xám, xương sồng bình thường Xám, xương sống cong Vàng, xương sống bình thường Vàng, xương sống cong GG.CuCu; Gg.CuCu; Gg.Cucu; GG.Cucu GG.cucu; Gg.cucu gg.CuCu; gg.Cucu gg.cucu Tổng cộng 8.316 84 1.584 16 10.000 Tính tần s ố của các alen G, g, Cu và CM? Bước 1: Tính tần số alen tại locus G. Nhóm các cá thể lại theo kiểu hình màu sắc xám hoặc vàng xám {GG, Gg) = 8.316 + 84 = 8.400 vàng(gg) = 1.584 + 16 = 1.600 Tổng cộng = 10.000 Tần số của alen g sẽ được tính bằng công thức 1.600 ĩ (g) = \ ỉ(s 8 ) = f(g) = 0,16 = 0,4 Tần số alen G f(G ) = 1 - 0,4 = 0,6 10.000 Bước 2: Tính tần số alen tại locus Cu. Nhóm các cá thể lại theo kiểu hình xương sống (bình thường và cong) xương sống bình thường (CuCu, Cucù) = 8.316 + 1.584 = 9.900 xương sống cong (cucu) =84+16 =100 tổng cộng = 10.000 Tần số của alen cu sẽ được tính bằng công thức f (cu) = \ f (cucu) =\ / ỉ (xương sống c1 0 0 10.000 46 f(CM) = 0,01 = 0,1 Tần so alen Cu ĩ (Cu) = 1 2.1.4. Gen át che 0,1 = 0,9 Khi kiểu gen có thể được giải mã bằng việc quan sát kiểu hình thì việc tính tần số gen có thể thực hiện được dễ dàng. Thí dụ trong trường hợp tính tần số gen qui định kiểu vẩy ở cá chép c. carpió. Kiểu hình Kiểu gen Số lượng Chép vấy ss,nn; Ss,nn 1.370 Chép kính ss.nn 250 Vẩy sắp thành hàng SS.Nn; Ss.Nn 310 Chép trần ss,Nn 70 Tổng cộng 2.000 Để tính tần số của các alen s, s, N, và n trong quần thể này các kiểu hình phải được nhóm lại với các kiểu gen có thể được giải mã. Bước 1: Tính tần số alen tại locus s. Nhóm lại 4 kiểu hình để phân loại các kiểu gen có thể giải mã được (1) 5 5; (2) s s + Ss ss = chép kính + chép trần = 250 + 70 = 320 SS + Ss= chép vẩy + vẩy xếp hàng = 1.370 + 310 = 1.680 tổng cộng = 2.000 f (ss)320 2.000 = 0,4 Tần số alen s f(S) = 1 - 0,4 = 0,6 Bước 2: Tính tần số alen tại locus N. Nhóm lại 4 kiểu hình để phân loại các kiểu gen có thể giải mã được nn và Nn nn = chép vẩy + chép kính = 1.370 + 250 = 1.620 47 Nn = chép trần + vẩy xếp hàng = 70 + 310 = 380 tổng cộng = 2.000 Tính tần số alen n Tần số alen N f(N) = 1 - 0,9 = 0,1 Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp không thể tính được tần số gen khi kiểu hình được điều khiển bởi 2 hay nhiều gen. Khi cần có sự kết hợp 2 hay nhiều gen để tạo nên một dãy các kiểu hình tính trạng chất lượng, các kiểu gen thường có sự chồng lấn nhau. Thí dụ, trường hợp tính trạng vẩy trong suốt và vẩy có màu sắc ở cá vàng c. auratus được điều khiển bời sự tương tác át chế giữa gen Dpi và Dp2 . Những gen này hoạt động theo kiểu tương tác 2 gen trội, bất kỳ kiểu gen nào có ít nhất 1 alen trội sẽ tạo thành kiểu hình vẩy trong suốt. Chỉ có duy nhất kiểu đồng hợp tử lặn ở cả 2 locus tạo thành vảy có sắc tố. Có tất cả 9 kiểu gen, nhưng chi có 2 kiểu hình cho nên không thể nhóm lại các kiểu hình và kiểu gen theo bất cứ cách nào, do đó không thể xác định được tần số của các alen Dpi và Dpi (Tave, 1993). Vẩy trong suốt_______ vấy cỏ sắc tố DpiDpi, Dp2Dp2 dpidpi, dp2dp2 D piD pi, D p tđ p ì D p i D p i , dp2dp2 Dpidpi, Dp2Dp2 Dpidpi, Dp2dp2 Dpidpi, dpìdpĩ dpidp,, Dp2Dp2 dpidpi, Dp2dp2 2.2. Gen liên kết với giới tính 2.2.1. Gen liên kết với NST Y Trong quần thể, có thể dễ dàng để xác định tần số của gen liên kết với NST Y. Do NST Y chi có trên cá thể đực bình thuờng, do đó 48 tần số cùa bất cứ gen nào liên kết với Y là phàn trăm cùa con đực thể hiện kiểu hỉnh có trong quần thể. Trong trường hợp gen liên kết với Y, quần thể có 2 kiểu gen và 2 kiểu hình: Kiểu gen_____ Kiều hình__________________________________ X Y con đực với kiểu hình tự nhiên XYaien con đực có kiểu hình của gen liên kết với Y Tần so alen cùa gen liên kết: Số con s có kiểu hình liên kết với Y (3.6) f (alen liên kết với Y) = -------------------------------------------------- Tổng so con s Thí dụ: số lượng các kiểu hình quan sát được trên 1 quần đàn cá bảy màu như sau: Kiểu hình Kiểu gen Số lượng cá cái xám XX 1.650 cá đực có đốm XYMa 340 tổng số 850 con cá đực xám XY 510 đực Tần số của gen YMa trong quần thể sẽ là con s có đốm 340 f ựtéò = —------- 7---------- = Tổng số con 8 850 f (Yu,) = 0,4 2.2.2. Gen liên kết với X rần số alen cúa gen liên kết với NST X được tính theo 3 bước: (1) tính tan so alen cho con đực; (2) tính tần số alen cho con cái; (3) tính toàn bộ tần số alen trên cơ sở tỉ lệ của alen trên cả 2 giới tính. Tần số của alen liên kết với X ở con đực được xác bằng cách tính phần trăm con đực thể hiện kiểu hình. Phương pháp tính như trong trường hợp tính tan so gen liên kết với Y. Trong trường hợp con đực bình thường (XY), chỉ có một NST X, do đó sẽ có 2 kiều gen và 2 kiểu hình. Kiều gen Kiểu hình____________________________________ Xaientrội y con đực với kiểu hình trội cùa gen liên kết với X Xưieniận y con đực với kiểu hình lặn của gen liên kết với X 49 Do đó (3.7) fi{alen trội liên kết X - đ ) =g-ố SSẼ Âc°-klểu hình trộl của ggn liỄĩlkét x Tổng số con s Số con s có kiểu hình lặn cùa gen liên kết X (3.8) ĩ(alen lặn liên kếtX-S ) =■ Tổng số con s Tần số của alen liên kết với NST X ở con cái được xác định bằng công thức (3.2) do gen liên kết với X biểu hiện kiểu hình cùa nó trên con cái theo cách thức giống với gen trội hoàn toàn ở NST thường. Như vậy, ở con cái gen liên kết với X tạo ra 3 kiểu gen nhưng chi có 2 kiểu hình Kiều gen________Kiểu hình___________________________________ X aien trội X aien trội con cái với kiểu hình trội của gen liên kết với X X alen trội X aien lặn con cái với kiểu hình trội của gen liên kết với X X aien lặn X aten lặn con cái với kiểu hình lặn của gen liên kết với X Do đó: Số con $ có kiểu hình lặn của gen liên kết X Tổng số con 9 Tần số của alen trội liên kết với NST X ở con cái được xác định bằng: f{alen trội liên kết X - 9 ) = 1,0 - fì{alen lặn liên kết với X - 9 ) Tần số chung của cả 2 alen được xác định từ tần số của cả 2 giới tính và ti lệ số lượng của các alen. 2x(Sốcá <Ị)x[f[alen 5)] + (Số Cj)x[ ịịalen(?)] (3.9) í{gen liên kết X - chung) —------------------------------------------------------ 2x(Số cá 9) + (Số cá 3) Số lượng con cái phải nhân cho 2 vì môi con cái có 2 N S T X Thí dụ: Tính trạng thân đen ở cá bảy màu p. reticulata được điều khiển bời alen trội X\UI, và cá thân xám do alen lặn X qui định. Tính tần số của alen Xsm và X khi quần thể cá bảy màu có số lượng kiểu hình như sau: 50 Kiều hình________Kiều gen___________ số lượng_____________ Cá đưc thân đen XnìuY 200 . _ _ 500 đực Cá đực xám X Y 300 Cá cái thân đen XnuiX và X nuiX nìii 546 ,,,,, _,. 600 cái Cá cái xám X X 54 Bước 1: Tính tần số ở con đực sử dụng công thức (3.7) và (3.8) Cá s thân đen 9 0 « ĩỌ C m u - S ) = Tổng số các? 500 fựm -ổ) = 0,4 Và:Cá 0 thân xám 300 f(X-ổ) Tổng số cá s fự-S) = 0,6 Bước 2: Tính tần số ở con cái sử dụng công thức (3.2) Cá 9 xám 54 9) y tổng số cá 9 6 0 0 f(X- ặ ) = 0,3 f(xm - ặ ) = 1,0 - l ụ r - 9 ) = 1 ,0 - 0,3 ĩ(Xm - ? ) = 0,7 Bước 3: tính tần số chung của Xmii và X trong quần thể 2x(600 9)x(0,7) + (500 6 X 0 ,4 ) ĩ(X m i-chung) = ĩ{Xm i-chung) = 2x(600 9) + 500 s 1.040 1.700 í {Xnui - chung) = 0,6118 51 Và fự - c h u n g ) = 2 x ( 6 0 0 ?)x(0’3) + (50° Ố)x(0’6) 2x(600 9 ) + 500 s f(X - chung) = ããQ 1.700 ĨỤỈ - chung) = 0,3882 Như vậy tần số của các alen là ________________ Đực_____________Cái__________ Chung fỤCNm) 0,4 0,7 0,6128 fỳ o 0,6 0,3 0,3882 Tổng cộng 1,0 1,0 1,0 2.3. Xác định tần số alen và tần số kiểu gett dựa trên marker di truyền Marker di truyền là những đoạn DNA ngắn, có thể một (single nucleotide polymorphism, SNP) đến vài chục cặp bazơ (base-pair - bp). Một số kiểu marker di truyền được ứng dụng phổ biến trong thủy sản như (xem thêm chương 6 ): RFLP (Restriction fragment length polymorphism): đa hình chiều dài của những đoạn DNA phân cắt giới hạn AFLP (Amplified fragment length polymorphism): đa hình chiều dài của những phân đoạn DNA được khuếch đại RAPD (Random amplification of polymorphic DNA): đa hình của DNA khuếch đại ngẫu nhiên VNTR (Variable Ìiumbcr Uuidcm icpcal). bién động sỏ lưựilg trình tự lặp lại liền kề Microsatellite: DNA vi vệ tinh, trình tự lặp lại liền kề nhỏ hơn 4 bp Minisatellite: DNA tiểu vệ tinh, trình tự lặp lại liền kề nhỏ hơn 2 0 bp SNP (Single nucleotide polymorphism): đa hình nucleotide đơn Nhìn chung, các marker di truyền có thể phân thành hai nhóm: trội và đồng trội. M arker trội có thể được khuyếch đại cùng một lúc nhiều gen (ví dụ RADP, A FLP...) từ một mẫu DNA trong một phản ứng chuỗi 52 trùng hợp (polymerase chain reaction, PCR). Đối với marker trội, chỉ một alen (trội) được thể hiện (là những vạch quan sát được qua điện di) tại mỗi locus trong một cá thể, do đó kiểu gen dị hợp không phân biệt được với kiểu gen đồng hợp trội. Sự hiện diện của vạch (band) cho biết cá thể đó có thể dị hợp hoặc đồng hợp tử alen trội. Cá thê không xuất hiện vạch là cá thể đồng hợp tử alen lặn. Trường hợp marker trội, tần số alen được xác định tương tự như trường hợp trội hoàn toàn, nghĩa là tần số alen lặn được xác định trước, dựa trên kiểu gen đồng hợp lặn. Số cá thể không xuất hiện vạch sau điện di (3.10) q = Tổng số cá thề phân tích và tần số của alen trội được tính: p = 1 - q Thí dụ: Một quần thể loài ốc biển nhỏ Munditia serrata được thu 120 cá thể để phân tích RADP. Kết quả điện di cho thấy với đoạn mồi OPA-Ol, có 11 cá thể không xuất hiện vạch. Tính tần số alen tại locus này. -0 ,3 0 Tần số alle trội p = 1 - 0,3 = 0,7 M arker đồng trội (như RFLPs, microsatellites,...) chỉ được khuyếch đại một gen mỗi lần (mỗi phản ứng PCRV Với các marker đồng trội, cả hai alen tại mồi locus trong một cá thế đều được thế hiện qua các vạch quan sát được qua điện di. Kiểu gen dị hợp được phân biệt với kiểu gen đồng hợp. Trường hợp marker đồng trội, tần số alen được xác định tương tự như trường hợp trội không hoàn toàn. Ví dụ: Tại một quần thể Daphnia, locus PGI được tìm thấy có 2 alen (S và 5 '). số lượng của 3 kiểu gen như sau: 42 cá thể mang kiểu gen SS 48 cá thể mang kiểu gen S S ’ 38 cá thể mang kiểu gen S ’S ’ Tần số các alen được tính: f(5) = [(2 X 42) + 48]/( 42 + 48 + 38) = 0,516 53 f(50 = [(2 X 38) + 48]/( 42 + 48 + 38) = 0,484 hoặc f(S”) = 1 -0 ,5 1 6 = 0,484 3. Sự thay đổi tần số alen trong quần thể Bất cứ yếu tố nào làm cho quần thể không đáp ứng các điều kiện của định luật cân bằng HW đều làm thay đổi tần số alen và tần số kiểu gen. Khi tần số kiểu gen thay đổi nhưng tần số alen không thay đổi, nếu quần thể vẫn đảm bảo được điều kiện giao phối tự do giữa các cá thê thì chỉ sau một thê hệ, quân thê sẽ quay trở lại trạng thái cân bằng: (p+q) 2 = p2 + 2 pq + q2= 1 . Bốn yếu tố cơ bản làm thay đổi tần số của một quần thể trong tự nhiên là: đột biến, di nhập gen, lạc dòng di truyền và chọn lọc tự nhiên. 3.1. Đột biến (mutation) Đột biến là yếu tố quan trọng tạo nên sự đa dạng di truyền. Đột biên xảy ra ở mức độ phân tử với nhiêu dạng khác nhau. Đó có thể là sự thay đổi một bazơ trong bộ ba mã hóa một loại axit amin nào đó (base substitution), đột biến này thường không ảnh hưởng đến kiểu hình. Đột biến cũng có thể là sự loại bỏ (deletion) hoặc thêm vào (insertion) một đoạn nhỏ trong chuỗi DNA, dạng đột biến này thường làm thay đổi kiểu hình. Một dạng đột biến khác là sự sắp xếp lại (chuyên vị trí hoặc đào đoạn) của NST, có thể hoặc không làm ảnh hưởng đến kiểu hình tày thuộc vào sự thay đổi NST ấy có làm thay đổi gen hay không. Đột biến có thể làm thay đổi tần số alen nhưng với tốc độ rất chậm vì tỉ lệ đột biến (kí hiệu là ụ) thường rất thấp. Ở sinh vật đa bào, ti lệ đột biến qua mỗi thế hệ nhìn chung là 1 0 - 1 0 '8, nghĩa là xác suất xảy ra đột biến của một gen nào đó trong một thế hệ là 1 / 1 0 ° — 1/108. Đột biến ảnh hưởng đến CỊUần thể theo 3 cách: (i) gây suy thoái cận huyêt, (ii) tạo biên dị di truyên có tiêm năng thích nghi và (iii) làm giảm sức sống của quần thể do sự tích lũy những đột biến có hại ờ mức độ thấp (Lande, 1995). 3.2. Di nhập gen (migration) Di nhập gen là sự di chuyển qua lại của các cá thể giữa các quần thể, tạo nên sự trao đổi gen giữa các quần thể. Di nhập gen có thể làm thay đổi tần số alen của cả quần thể cho và nhận. Sự thaỵ đổi này tùy thuộc vào ti lệ các các thể di cư và sự khác nhau về tần so alen của hai quần thể cho và nhận. Ví dụ, một quần thể có tần số alen A ban đầu là Po, có “nhận” một số cá thể từ quần thể khác đến, chiếm ti lệ m và có 54 tần số alen A là pm, tần số alen A ở thế hệ sau (pi) của quần thể “nhận” sẽ là (Hình 3.2): Pi = (l-m)po + mprn Hình 3.2. Sơ đồ đơn giản chi sự di nhập gen của các cá thể giữa 2 quần thể khác nhau. Đường gạch nối chi khả năng có thể cá thể từ quần thể ( 1 ) di cư ngược lại đến quần thể (2 ). Đối với các quần thể thủy sinh vật, hiện tượng di cư xảy ra rất phổ biến trong tự nhiên. Hiện tượng này làm giảm sự khác biệt di truyền giữa các quần thể của cùng một loài phân bố ờ các vùng địa lý khác nhau. Trong các quần thể nuôi, quá trình tương tự có thể xảy ra do tác động của con người như quá trình di nhập giống từ nơi khác, có thể làm thay đổi tần số alen và cấu trúc di truyền vốn có của quần thể ban đầu. 3.3. Lạc dòng di truyền (genetic drifi) Lạc dònẹ di truyền là quá trình thay đổi tan so alen và tần số kiểu gen từ thể hệ này qua thế hệ khác do các yếu tố ngẫu nhiên. Sự thạy đồi tần số alen và tan số kiểu gen là do số lượng gen tr u y ề n cho thế hệ sau không đại diện cho tần số thực sự có trên thế hệ bố mẹ. Điều này tương tự như sai số ngẫu nhiên trong lấy mẫu (mẫu có thể là sô cá sinh sản đê tạo ra thê hệ tiêp theo), đặc biệt là trong quân thê có số lượng cá thể ít. Đơn giản hơn, có thể xem hiện tượng này như trường hợp tung đồng xu, nếu số lần tung ít, tì lệ sấp: ngừa sẽ rất khác so với tỉ lệ 1 :1 , nhưng nếu số lần tung nhiều, ti lệ sấp: ngửa sẽ tương đương 1:1. Do đó, sự thay đổi tần số alen do hiện tượng này phụ thuộc chủ yêu vào kích cỡ quân thê (kí hiệu N, Hình 3.3). Kêt quả cuôi cùng của hiện tượng này là một số gen trong quần thể bị biến mất (tần số alen = 0 ), trong khi một số alen khác được cố định (tần số alen = 1 ). Khi N nhỏ (ví dụ N < 20), thời gian để một số gen biến mất hay cố có thể khoảng vài thế hệ, nhanh hơn nhiều so với trường hợp có N lớn (ví dụ khi N = 100, thời gian này có thể sau hàng chục hay hàng trăm thê 55 hệ). Khi tần số alen bằng 0 hay 1, nó sẽ không thay đổi trừ khi có đột biến hay có sự nhập cư của các cá thể từ quần thể khác. Như vậy, hiện tượng biến đổi di truyền ngẫu nhiên sẽ làm giảm sự đa dạng di truyền của quần thể, đặc biệt khi N nhỏ. Ảnh hưởng của lạc dòng di truyền là làm giảm sự đa dạng di truyền và cần được đặc biệt chú ý trong quá trình chọn giống. Nếu đàn cá bố mẹ ban đầu với số lượng ít, các thế hệ sau có thể có biểu hiện suy thoái về chất lượng do sự biến mất của những gen qui định tính trạng tốt và do ảnh hưởng của lai cận huyết. Hình 3.3: Kết quả mô hình hóa sự thay đổi tần số alen A (tần số ban đầu p A = 0,5) ở 10 quần thể lặp lại có số lượng cá thể N = 20. Alen A trờ nên cố định (pA — 1) ờ 7 quần thể và biến mất (pA — 0) ờ hai quần thể. Chi một quần thể vẫn còn duy trì 2 alen sau 100 thế hệ. 3.4. Chọn lọc tự nhiên Chọn lọc tự nhiên thường tác động trực tiếp lên kiểu hình mà kiểu hình là do kiểu gen qui định dưới ảnh hưởng tương tác của kiểu gen và môi trường (Chương 4). Vì vậy, chọn lọc tự nhiên sẽ gián tiếp làm thay đổi tần số kiểu gen và tần số alen. Mỗi kiểu gen thường có sức sống hay giá trị thích nghi (fítness) khác nhau. Những kiểu gen có sức sống cao hom so với các kiểu gen khác sẽ đuợc chọn lọc một cách tự nhiên, giúp cho quần thể thích nghi với điêu kiện môi trường. Tần số alen qui định tính trạng được chọn sẽ tăng qua các thế hệ. Tốc độ tăng tần số alen tùy thuộc vào tính chất 56 hoạt động (trội, lặn hay cộng gộp,...) và tần số alen ban đầu của gen đó (Hỉnh 3.4). Đôi với gen trội, tần số alen tăng nhanh CỊua các thế hệ khi tân so alen ban đầu thấp và tốc độ tăng sẽ giảm khi tần số alen cao (> 0,8). Ngược lại, đối với alen lặn được chọn lọc, tần số alen tăng rất chậm khi tần số alen ban đầu thấp, thậm chí qua hàng trăm thế hệ, đến khi tân so alen > 0,2, tốc độ tăng của tần số alen sê rất nhanh. Đối với gen cộng gộp, sự thay đổi tần số alen gần giống với trường hợp của gen trội hoàn toàn. Lưu ý, đối với các tính trạng chất lượng do một hay hai gen qui định, tần số alen qua các thế hệ có thể ước tính dựa vào kiểu hình với điều kiện quần thể ở trạng thái cân bằng (Hardy Weinberg). Trong nhiều trường hợp, đặc biệt là đối với các tính trạng số lượng do nhiều gen qui định, không thể xác định sự thay đổi tần số alen qua các thế hệ dựa vào kiểu hình. Ngày nay, dùng các phương pháp phân tích di truyên phân tử (ví dụ dựa trên các đánh dâu di truyền như DNA ti thể (mtDNA), microsatellite, allozyme...., người ta có thể biết được sự thay đổi tần số alen tại một số vị trí của DNA và từ đó hiểu được một số yếu tố (di nhập gen, chọn lọc, lạc dòng di truyền, đột biến...) làm thay đổi cấu trúc di truyền của một quần thể. Nhiều phần mềm thống kệ di truyên đã được xây dụng đê áp dụng trong nghiên cứu về nhũng vấn đề này. Hình 3.4: Sự thay đổi tần số alen do tác động của chọn lọc tự nhiên ờ 3 trường hợp: gen trội hoàn toàn (a), gen lặn hoàn toàn (b) và gen cộng gộp (c) 57 Câu hỏi ôn tập 1. Quần thể là gì? Nêu thí dụ một số quần thể thủy sinh vật. 2. Từ định nghĩa của tần số alen và tần số kiểu gen nêu công thức tổng quát tính tần so alen và tần số kiểu gen. 3. Quần thể đạt cân bằng Hardy-Weinberg cần có những điều kiện gì? 4. Viết công thức Hardy-Weinberg và giải thích mối quan hệ giữa tần số alen và tần số kiểu gen theo định luật này. 5. Nêu những điểm chung và khác biệt trong cách tính tan so alen dựa trên kiểu hình cùa gen nằm trên nhiễm sắc thể thường hoạt động trội hoàn toàn và không hoàn toàn. 6 . Khi quần thể không đạt cân bằng Hardy-Weinberg, tần số alen thay đổi thường do những yếu tố nào? 7. Để duy trì sự đa dạng di truyền của đàn cá bố mẹ, cần chú ý những điểm gì trong quá trình hình thành đàn cá bố mẹ và quá trình chọn giống? 8 . Một quần thể cá bảy màu có hai kiểu hình màu sắc thân do gen liên kêt với giới tính X qui định, thân đen được điêu khiên bởi alen trội Xmi, và thân xám do alen lặn liên kết X qui định. Tính tần số của alen Xm i và X khi biết số lượng kiểu hình trong quần thể như sau: 60 con cá đực thân đen, 140 con con cá đực xám, 480 con cá cái thân đen và 20 con cá cái xám. 9. Phân biệt marker trội và đồng trội. Cách tính tần số alen tổng quát của marker trội và đồng trội. Tài liệu tham kháo 1. Đỗ Lê Thắng và Đinh Đoàn Long, 2007. Chú giải Di truyền học. Nhà xuất bản Giáo dục, 275p 2. Jeffrey, K. C. and D. L. Hart. 2004. A primer of ecological gentics. Chapter 2 (Population gentics I: Gentic variation, random and nonramdom mating) and chapter 3 (Population gentics II: Changes in alen frequency). 3. Lande, R., 1995. Mutation and Conservation. Conservation Biology, 9: 782-791 4. Phạm Thành Hổ, 2000. Di truyền học. Nhà xuất bản Giáo dục, 613p 5. Tave, D. 1993. Gentics for fish hatchery managers. 2nd Edition. CHƯƠNG IV DI TRUYỀN CÁC TÍNH TRẠNG SỐ LƯỢNG 1. Đặc trưng của tính trạng số lượng Tính trạng số lượng là những đặc điểm có thể đo lường được nhưng không thể mô tả và phân chia các cá thể vào trong các nhóm kiều hình riêng biệt như các tính trạng chất lượng (thí dụ cá có sắc tố bình thường được phân biệt rõ với cá bạch tạng). Tính trạng chất lượng có phân bố rời rạc, trong khi các tính trạng số lượng biểu hiện sự phân bố liên tục trong quần thể. Thường tính trạng số lượng là các tính trạng quan trọng trong nuôi trồng thủy sản như tỉ lệ sống, tăng trường, chiêu dài, ti lệ mỡ, sức sinh sản, hệ sô chuyên hóa thức ăn. Những tính trạng này có thể đo lường được bằng các đom vị như phần trăm, gam, millimet, trứng/kg cá cái... Do các tính trạng số lượng không biểu hiện sự biến đổi rời rạc nên không thể mô tả bằng những tì lệ kiểu hình (như 1 :2 : 1 hoặc 9:3:3:1). Chúng được mô tả bởi những đại luợng thống kê đại điện cho quần thể như giá trị trung bình (x), phương sai (variance), độ lệch chuẩn (standard deviation), hệ số biến động (coefficient of variation) và biên độ (range). Trong một quần thể, hầu hết các tính trạng số lượng có sự phân bố đối xứng theo đường cong hình chuông gọi là sự phân bố chuẩn (normal distribution) như Hình 4.1. <= 15 (15,20] (2 0 .25] (2 5 .30] (30,351 (35.401 > 40 Khoảng khối lượng mỗi cá thể tôm (g) Hình 4.1: Sự phân bổ cùa khôi lượng tôm sú (90 mấu) trong một ao nuôi Đường liên tục là phân phoi chuán có giá trị trung bình là 33,3 (g) và độ lệch chuân 5,66. 59 Một số đại lượng dùng để mô tả tính trạng số lượng: - Giá trị trang bình: X = -£ T = 1 Xị - Phương sai: - Độ lệch chuẩn: - Hệ số biến động (CV): c y (% ) = - - Biên độ = giá trị lớn nhất - giá trị nhỏ nhất Các tính trạng số lượng được điều khiển bởi nhiều gen, có thể từ 50 đến 100, có khi hơn 1.000 gen. Rất khó và gần như không thể xác định được sổ lượng gen điều khiển các tính trạng số lượng và kiểu thể hiện của gen. Do đó, các tính trạng này không thể phân tích bằng phương pháp đơn giản của di truyền Mendel và cũng rất khó để tạo ra các quần thể là các dòng thuần chủng cho một tính trạng số lượng mong muốn. Song, có thể ước lượnẹ được ti lệ đóng góp của các ảnh hường di truyền vào sự biểu hiện kiểu hình của tính trạng số lượng và có thể đưa ra phương pháp chọn giống thích hợp nhằm cải thiện di truyền các tính trạng này thông qua việc khai thác hiệu quả các nguồn ảnh hưởng di truyền đã tạo nên sự biến động kiểu hình. 2. Sự biến động của các tính trạng số lượng Các tính trạng số lượng thể hiện sự biến động liên tục. Tính liên tục này được giải thích bởi hai lý do: ( 1 ) là do nhiều gen cùng qui định một tính trạng sô lượng và (2 ) ảnh hưởng lớn của môi trường đên sự biểu hiện của tính trạng số lượng. Mỗi gen đểu tuân theo di truyền Mendel và 2 alen tại mỗi ìocus phân ly trong quá trình giảm phân, kết quả là giao tử chi nhận được 1 alen. Do có rất nhiều locus được kết hợp với nhau trong việc tạo ra tính trạng số lượng và mỗi locus trong quá trình hình thành giao tử sẽ phân ly đồng thời và độc lập với tất cả các locus khác (trừ trường hợp liên kết gen), kết quả là khả năng biến động về kiểu di truyền của giao tử dao động với mức độ khác nhau, do đó trong quần thể kiểu hình của một tính trạng số lượng thường phân bố theo phân phối chuẩn. (Lưu ý: nếu gọi n là số locus dị hợp của một cá thể, số loại giao tử tạo ra từ cá thể này là 2 n). - Môi trường đóng một vai trò quan trọng trong việc thể hiện của các tính trạng số lượng. Môi trường thay đổi liên tục và ảnh 60 hường cùa môi trường lên biểu hiện của tính trạng cũng thay đổi liên tục. Do vậy, môi trường là một nhân tố cơ bản kết hợp với sự đa dạng về kiểu di truyền cùa giao tử tạo ra sự phân bố liên tục của các tính trạng số lượng trong quần thể. Do tính trạng số lượng thể hiện sự biến động liên tục nên để hiểu sự di truyền của các tính trạng số lượng, người ta phân tích các hợp phần tạo nên sự biến động. Sự biến động về kiểu hình (Vp) quan sát được trên các tính trạng số lượng là tổng của sự biến động do di truyền (Vg), sự biến động do môi trường (VE) và sự tương tác giữa kiểu gen và môi trường (V g-e). (4.1) Vp = VG + VE + V G-E Trong đó sự biến động di truyền Vo là tổng sự biến động của di truyền cộng gộp VA (additive genetic variance), sự biến động của di truyền tính trội Vd (dominant variance) và sự biến động của di truyền át chế Vi (epistatic variance): (4.2) Vo = Va + Vd + V, Biến động của di truyền cộng gộp VA là một thành phần được tạo ra bởi ảnh hưởng cộng gộp của các gen. V a là tổng các ảnh hưởng chéo của tất cả các alen tại tất cả locus, và xảy ra độc lập. Nạhĩa là, Va là tổng của tất cả các ảnh hưởng của mỗi alen quyết định kiểu hỉnh. Va không phụ thuộc vào các tương tác hay sự kết hợp đặc trưng của các alen. Do VA không phụ thuộc vào sự tương tác giữa hoặc trong các alen, nên nó không bị phá vỡ trong quá trình giảm phân và nhu vậy ảnh hưởng cộng gộp được di truyền từ bố mẹ sang con. Biến động của di truyền tính trội (Vd) là sự biến động gây ra bởi sự tưomg tác cùa 2 aìen tại mỗi locus Hay nói cách khár, VD xảy ra trong mỗi locus. Do các cặp alen bị tách ra trong quá trình giảm phân, sự tương tác giữa alen khi đó sẽ không còn nên VD không được di truyền tò bố mẹ sang thế hệ con, nhưng VD được tạo mới ở mỗi thế hệ. Biến động của di truyền át chế (Vi) là sự biến động gây ra bởi tương tác của các alen giữa 2 hay nhiều locus. Nói cách khác, V\ xảy ra giữa các locus. Việc tách ra khi phân ly độc lập của các locus trong quá trình ệiàm phân làm phá vỡ hầu hết Vi, do vậy hầu hết V[ không được truyền từ bố mẹ sang con nhưng nó lại được tạo mới ờ mỗi thế hệ. Một vài Vi được di truyền từ bố mẹ nhung chỉ là phần ngẫu nhiên rất nhò. Việc phân tích các hợp phần của biến động di truyền có giá trị thực tiễn khi được sử dụng để tác động lên quần thể nhằm cải thiện 61 tính trạng mong muốn. Xác định tỉ lệ của V a, Vd và Vi trong tổng ảnh hưởng di truyền (Vo) giúp quyết định phương pháp chọn giống thích hợp để khai thác khía cạnh di truyền các tính trạng và như vậy có thể cải thiện chất lượng sản phẩm tạo ra. Hầu hết các nhà sản xuất giống giả sử rằng Vi = 0. Điều này không đúng (vì Vi > 0), nhưng đây là một giả thuyết thường được ứng dụng trong thực tế vì 2 lý do: - V| rất khó xác định, Không thể tạo ra sự kết hợp tối đa giữa các alen khi không biết được sự kết hợp của alen nào là kết hợp mong muốn. Do Vi rất khó xác định và các nhà di truyền chọn giống cho rằng ảnh hường cùa V| thường rất nhỏ nên thành phần di truyền quan trọng của các tính trạng số lượng là VD và Vạ. Neu xem xét định nghĩa cùa Vd và Va có thể nhận thấy chúng là những thành phần hoàn toàn đối lập nhau của biến động di truyền: VD không thể di truyền nhưng V a được di truyền; VD được tạo ra mới ở mỗi thế hệ trong khi VA không bao giờ bị phá vỡ; VD phụ thuộc vào tương tác của alen nhưng VA là sự cộng gộp. Tóm lại, đây là 2 dạng của biến động di truyền cần có những chương trình chọn giống khác nhau để tác động và khai thác những lợi ích do chúng tạo ra. Va được khai thác bởi sự chọn lọc do có khả năng di truyền qua các thế hệ, còn VD được khai thác bởi việc lai tạo do không có khả năng di truyền mà được tạo ra mới qua mỗi thế hệ. 3. Biến động của di truyền cộng gộp và sự chọn lọc Chọn lọc là một trong những chương trình chọn giống trong đó nhũng cá thể hoặc những gia đình có tính trạng mong muốn nổi bặt sẽ được chọn làm bố mẹ nhằm thay đổi giá trị trung bình cùa quần thể ở thế hệ tiếp theo. Sự chọn lọc cho các tính trạng di truyền số lượng khó hơn nhiều so với sự chọn lọc cho các tính trạng chất lượng dc có nhiều gen liên quan và do ảnh hưởng của môi trường. Trong 3 hợp phần của biến động di truyền (VA, Vd và Vi), sự chọn lọc chi có thể khai thác được Va, do VA là một hàm số của các alen, trái lại Vd là hàm số của kiểu gen hay là sự tương tác giữa các alen. Cá thể bố hoặc mẹ chi truyền một nửa bộ NST. Sự phân tách độc lập và phân ly trong quá trình giảm phân sẽ làm giảm kiểu gen từ trạng thái lưỡng bội xuống đơn bội và làm phá vỡ Vd, trong khi v \ là hàm số của alen nên nó không bị phá vỡ bởi giảm phân. 62 Khi cá thể bố mẹ đóng góp các alen (chứ không phải kiểu gen) cho thế hệ tiếp theo, những cá thể nổi bật gây ra bởi Vd sẽ không đóng góp vào tiến trình chọn lọc vì cơ sở tạo nên sự nổi ữội đó không thể di truyền. Trái lại những cá thể nổi bật tạo nên bời V a có thể truyền cho thế hệ con các ảnh hưởng cộng gộp và đóng góp vào tiến trình chọn lọc. Nếu biết Va tạo nên sự biến động cùa tính trạng số lượng thì có thể dự đoán được giá trị trung bình cùa thế hệ tiếp theo dựa trên giá trị trung bình của cá thể bố mẹ được chọn lọc. Do vậy VA cũng có thể được gọi là biến động của giá trị chọn lọc (breeding values). 3.1. Hệ số di truyền (heritability) Hệ số di truyền (ký hiệu là h2) về một tính trạng nào đó là đại lượng dùng đế mô tả khả năng di truyền tính trạng đó qua các thế hệ. Đây là một trong những thông tin rất quan trọng về quần thể. Với nghĩa rộng, hệ số di truyền là ti lệ của biến động kiểu hình do ảnh hưởng cùa kiểu gen: 1 V (4.3) h2= S - ’ p V Do trong các họp phần cùa Vo chi có V a có thể truyền cho thế hệ sau, do đó, với nghĩa hẹp hơn, hệ sổ di truyền là tỉ lệ của biến động kiểu hình do ảnh hưởng của di truyền cộng gộp: (4.4) h2 = ụ V p Kí hiệu h2 xuất phát từ cách ước tính hệ số di truyền dựa trên phương sai. Hệ số di truỵền được tính bằng tỉ số giữa phương sai do di truyền cộng gộp so với tổng ohươna sai kiểu hình. Hệ số di truyền là thông tin quan trọng để dự đoán hiệu quả của chọn lọc có tác dụng cải thiện tính trạng của quần thể hay không. Hệ số di truyền càng cao thì hiệu quả chọn lọc càng cao. Hệ số di truyền của một tính trạng có giá trị từ 0 đến 1. Hệ số di truyền cao tức là sự biến động kiểu hình gây ra chù yếu bởi sự biến động của di truyền cộng gộp, ngược lại khi các nhân tố không thuộc di truyền cộng gộp góp phần lớn vào sự biểu hiện kiểu hình thì hệ số di truyền thấp, cấp độ cao, thấp của hệ số di truyền được phân chia một cách tương đối và có thể khác nhau giữa các tài liệu công bố. Theo Đặng Vũ Bình hệ số 63 di truyền thấp khi /j2<0 ,2 ; trung bình khi h2 trong khoảng 0 ,2 -0 ,4 và cao khi h2> 0,4. Theo Tave (1993), hệ số di truyền thấp khi h2<0, 15 và cao khi h2>0,30. Các tính trạng về sinh sản của cá cũng như một số động vật khác thường có h2 thấp. Ví dụ, khối lượng buồng trứng và kích thước trứng cá hồi vân o. mykiss có h trung bình lần lượt là 0,19 và 0,05 (Gall, 1975 trích bởi Tave, 1993). Song, điều này lại có ý nghĩa quan trọng về mặt tiến hóa. Mỗi sinh vật đều tiến hóa theo hướng sao cho chúng sinh ra nhiều con nhất, có khả năng sống sót đến giai đọan trưởng thành (được gọi là fitness). Kết quả là chọn lọc tự nhiên đã khai thác gần hết Va, làm giảm sự biến động di truyền của những tính trạng sinh sản cũng như những tính trạng khác liên quan chặt chẽ với fitness (Roff, 2002). Theo cách giải thích khác, tính trạng sinh sản có h2 thấp do chúng chịu ảnh hưởng lớn bời các yếu tố môi trường (Houle, 1992). Các tính trạng đo, đếm như số tia vi, số vảy đường bên... thường có h2 cao. Thí dụ, hệ số di truyền về số tia mềm vi lưng cùa cá chép c. carpio là 0,46; của cá rô phi vằn o. niloticus là 0,67; của cá hồi vân o. my kiss là 0,90. Hệ số di truyền về tính trạng tăng trưởng và các tính trạng liên quan đến năng suất thường có giá trị nằm giữa hai nhóm tính trạng sinh sản và đo/đếm. Thí dụ, h2 về khối lượng của chép 2, 3 và 4 tuổi tương ứng là 0,15; 0,24 và 0,21 (Smisek, 1979 trích bởi Tave, 1993); h2 về tăng trọng của cá chép khác nhau tùy nghiên cứu, theo Smisek (1979) thì trong khoảng 0,25 - 0,38 trong khi Brody và ctv. (1981) là 0,47 (trích bời Tave, 1993). Hệ số di truyền của một tính trạng có thể thay đổi do sự thay đoi của môi trường, bời vì: Vp = VG + Ve + Vg-e mà VG Va + Vd + Vi Do đó, , _ _______________ V ạ_____________ (4.6) h = VA + VD + V, + V E + VG-E Khi Ve tăng, h2 sẽ giảm vì khi đó ti lệ biến động kiểu hình do Va sẽ nhỏ. Do đó, một tính trạng chịu tác động lớn bời môi trường sẽ có h2 thấp. Trường hợp h2= 1 không có nghTa là môi trường không ảnh hưởng đến bất cứ tính trạng nào của quần thể. Trường hợp này chi cổ nẹhĩa là môi trường ảnh hưởng đến quần thể nhưng không làm thay đôi kiêu hình của tính trạng đang nghiên cứu. Một số nghiên cứu cho 64 thấy nhiệt độ là một trong những yếu tố môi trường làm thay đổi h2 cùa một số tính trạng số lượng như thời gian nở, ti lệ sống, khối lượng, chiều dài và tính trạng đo/đểm, như số tia vi lưng của cá bảy màu có /í2 = 0,41 ở 19°c và h? = 0,77 ở 25°c (Tave, 1993). Tuổi cá tại thời điểm xác định cũng ảnh hưởng đến kết quả h2 cùa các tính trạng tăng trường, đo/đếm. Hệ số di truyền có thể thay đổi theo các giai đoạn phát triển trong vòng đời. Tăng trưởng và tỉ lệ sống ở giai đoạn đầu trong vòng đời của nhiều loài thủy sản thường bị tác động bởi ảnh hưởng con mẹ (ảnh hưởng không di truyền), do đó, h2 của những tính trạng này thường rất thấp. Khi cá thể càng lớn, ảnh hường của con mẹ càng giảm và h2 sẽ cao hơn so với giai đoạn đầu. Tuy nhiên, cũng có trường hợp ngược lại, ảnh hường môi trường tích lũy theo thời gian và lấn át ành hưởng di truyền cộng gộp. Thí dụ, nghiên cứu cùa Wada (1989) trên trai ngọc Nhật Bàn Nodipecten subnodosus cho thấỵ, h2 của tính trạng tăng trưởng (chiều dài vỏ) của trai ngọc ở ngày tuổi 5, 10 và 15 lần lượt là 0,335; 0,181 và 0,078. Hệ số di truyền cũng khác nhau giữa các quần thể và giữa các thế hệ vì V a thay đổi theo tần số alen. Do h2 không có đơn vị, nên h2 có thể được dùng để so sánh giữa các tính trạng, giữa các quần thể, hoặc giữa các loài. Hệ số di truyền thường được xác định bằng một trong ba phương pháp sau: (1) Phăn tích thế hệ con có mối quan hệ họ hàng. 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 9 V s V s V X s s đ â