Bài giảng Sinh Học Di Truyền

Bằng việc chọnloại tế bào chứa bộ nhiễm sắc thể 2n hay n tương ứng với việc lựa chọn các phươngpháp nhân giống vô tính, hữu tính hay vô phối để truyền đạt vật chất di truyền củagiống tốt

LỜI NÓI ĐẦU

Di truyền học là lĩnh vực học thuật nền tảng của khoa học chọn tạo và nhângiống vật nuôi - cây trồng Trên cơ sở phát triển mạnh mẽ của Di truyền học và củacác ngành khoa học liên quan, các phương pháp chọn tạo và nhân giống vật nuôi - câytrồng mới, hiện đại được ra đời và phát triển mạnh mẽ, mang lại nhiều thành tựu tolớn, có ý nghĩa lớn về lý luận và thực tiễn cho nhân loại Bởi vậy, những kiến thức về

Di truyền học ngày càng trở nên cần thiết và hấp dẫn đối với khoa học Nông, Lâm,Ngư nghiệp

MỞ ĐẦU

1 KHÁI NIỆM DI TRUYỀN HỌC

Di truyền học là ngành khoa học nghiên cứu thế giới sinh vật, có vị trí và vai tròđặc biệt đối với con người Di truyền học có liên quan và chi phối bất kỳ lĩnh vực nàocủa sinh học và nhiều ngành khoa học khác

Di truyền học nghiên cứu hai đặc tính cơ bản của sự sống là tính di truyền vàtính biến dị

1.1 Tính di truyền

Là đặc tính thể hiện sự giống nhau giữa con cái với bố mẹ, thậm chí giữa cháuchắt với tổ tiên

Đơn vị của sự giống nhau giữa con cái với bố mẹ là tính trạng Tính trạng là đặcđiểm về cấu tạo và hoạt động sinh lý của tế bào cũng như của toàn bộ cơ thể sinh vật

mà nhờ đó người ta có thể phân biệt được cá thể này với cá thể khác

Trong quá trình sinh sản bố mẹ không truyền đạt cho con những tính trạng đãhình thành sẵn mà chỉ truyền cho con một kiểu gen mang thông tin về những tính trạng

đó, được gọi là thông tin di truyền Thông tin di truyền quyết định mọi đặc điểm vềhình thái và cấu trúc của sinh vật, điều khiển mọi hoạt động sống của sinh vật, như:sinh trưởng, phát triển, sinh sản, tiến hoá và thích nghi

- Thông tin di truyền được mã hoá bởi bốn loại nucleotit của axit nucleic (ADN vàARN)

- Đơn vị của thông tin di truyền là gen Mọi tính trạng của sinh vật đều chịu sự chiphối của các gen tương ứng

- Thông tin di truyền được truyền đạt nguyên vẹn qua các thế hệ nối tiếp là nhờ cơchế tái sinh chính xác của ADN, được phiên và dịch chính xác tại mỗi thế hệ để hìnhthành nên các tính trạng đặc trưng cho sinh vật

Tính di truyền là cơ sở duy trì sự ổn định của loài

1.2 Tính biến dị

Là đặc tính thể hiện sự sai khác giữa con cái với bố mẹ của chúng hay giữa concái của cùng bố mẹ với nhau

Biến dị có thể được phát sinh do sự biến đổi của chính thông tin di truyền (biến

dị kiểu gen) hoặc chỉ đơn thuần là sự biến đổi kiểu hình của sinh vật (biến dị kiểuhình)

Tính biến dị cung cấp nguyên liệu cho tiến hoá dẫn đến hình thành loài mới

2 CÁC GIAI ĐOẠN PHÁT TRIỂN CHÍNH CỦA DI TRUYỀN HỌC

2.1 Giai đoạn trước Mendel

Từ xưa người ta đã sử dụng các phương pháp chọn lọc giống cây trồng, vậtnuôi; thuần hoá và lai giống, nhưng do chưa hiểu biết về vật chất di truyền cũng nhưcác quy luật di truyền nên đã có nhiều quan niệm sai lầm Ví dụ, người Hy Lạp đãtưởng tượng hươu cao cổ là con lai giữa Lạc đà và Beo, Đà điểu là con lai giữa Lạc đà

và chim sẻ Về giới tính nam nữ, thầy thuốc và là nhà thơ Empedocle cho rằng nếumầm sống của cha mẹ đều nóng thì sinh ra con trai giống cha, mầm sống của cả 2 đềulạnh thì sinh ra con gái giống mẹ, nếu cha nóng và mẹ lạnh thì sinh con trai giống mẹ,nếu cha lạnh và mẹ nóng thì sinh con gái giống cha

Ở thế kỷ 19, phương pháp lai giống đã được sử dụng khá rộng rãi ở cả thực vật

và động vật Biết rằng cả cha mẹ đều góp phần vào các tính trạng của hậu thế, nhưngquan niệm là sự di truyền hoà hợp “các tính trạng của cha mẹ trộn lẫn nhau sẽ tạo nêncác tính trạng trung gian ở con cái” Do chịu ảnh hưởng của quan niệm này, nên

Darwin đã cho rằng mỗi phần của cơ thể sản sinh ra những phần tử nhỏ là mầm theomáu tập trung về cơ quan sinh dục, mỗi cá thể sinh ra do sự hoà hợp tính di truyền của

cả cha lẫn mẹ Vào năm 1871, F Galton đã bác bỏ thuyết này, ông lấy máu thỏ đentruyền cho thỏ trắng, sau đó lai những con được truyền máu với nhau Thí nghiệmđược lặp lại 3 thế hệ và không tìm thấy ảnh hưởng gì đối với thỏ trắng Do không biếtđến công trình của Mendel, nên Darwin đã nhiều lần nhấn mạnh rằng "về các quy luật

di truyền và biến dị chúng ta hãy còn biết quá ít"

2.2 Giai đoạn di truyền Mendel

Năm 1865 Mendel đã công bố tác phẩm "Các thí nghiệm lai ở thực vật", ở đóông đã chứng minh sự di truyền các tính trạng có tính gián đoạn được chi phối bởi cácnhân tố di truyền (sau này gọi là gen) Phát minh đi trước thời đại của Mendel đãkhông được chấp nhận trong 35 năm Đến 1900, các quy luật di truyền của Mendelđược phát hiện lại và được chứng minh ở cả động vật

Năm 1901, Hugo de Vries đã nêu ra thuyết đột biến

Vào năm 1906, thuật ngữ “Di truyền học” đã được Bateson đưa ra Vào năm

1909 Johansen đã đưa ra khái niệm gen, kiểu gen và kiểu hình

2.3 Sự phát triển của di truyền nhiễm sắc thể

Năm 1911 Morgan và các cộng sự xây dựng thuyết di truyền nhiễm sắc thể trênđối tượng thí nghiệm là ruồi giấm với nội dung: các gen nằm trên nhiễm sắc thể, xếptheo đường thẳng, tạo thành nhóm gen liên kết Trên cơ sở đó ông đã xây dựng bản đồ

di truyền cho ruồi giấm

Năm 1920 Vavilop đã công bố quy luật các dãy biến dị đồng dạng trong biến dị

di truyền

Năm 1927, tác động gây đột biến của tia X đã được chứng minh bởi Muller, đặt

cơ sở cho nghiên cứu đột biến nhân tạo

Năm 1933 Painter đã phát hiện ra nhiễm sắc thể khổng lồ ở côn trùng hai cánh,đặt cơ sở cho nghiên cứu di truyền nhiễm sắc thể

Năm 1941 G.Beadle và E Tatum đã nêu ra giả thuyết 1 gen- 1 enzym, chứngminh gen kiểm tra các phản ứng sinh hóa diễn ra trong cơ thể

2.4 Sự phát triển của di truyền học phân tử và kỹ thuật di truyền

Năm 1944 O Avery, Mc Leod và Mc Carty thực hiện biến nạp, chứng minhtrực tiếp ADN là vật chất di truyền

Năm 1952 vai trò mang thông tin di truyền của ADN mới được chính thức thừanhận

Năm 1953 Watson và Cric tìm ra mô hình cấu trúc của phân tử ADN (phátminh lớn nhất của thế kỷ XX) Tiếp đó học thuyết trung tâm của sinh học phân tử rađời, cho thấy con người đã có những hiểu biết về cơ chế hoạt động của vật chất di

truyền, như: tái bản, biểu hiện chức năng của gen, đột biến, tái tổ hợp gen ở mức phântử,

ADN mARN Protein

Năm 1961, M Nirenberg và J Matthei tìm ra bộ mã di truyền đầu tiên Đếngiữa những năm 60, toàn bộ 64 bộ mã đã được xác định

Cũng vào năm 1961, F Jacop và J.Monod tìm ra cơ chế di truyền điều hòa tổnghợp protein

Đầu những năm 70, kỹ thuật di truyền ra đời tạo nên cuộc cách mạng mới trong

di truyền học nói riêng và sinh học nói chung Sự hiểu biết về gen đạt tới từngnucleotit (trình tự nucleotit của gen) nhờ sự phát hiện ra enzym giới hạn, kỹ thuậtPCR, , từ đó hình thành các kỹ thuật mới, như: phân lập và tạo dòng gen, tạo giốngcây trồng biến đổi gen, biểu hiện gen, phân tích đa dạng di truyền, chọn giống giántiếp bằng chỉ thị phân tử, gây đột biến định hướng,

3 CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN HỌC

Nhằm định lượng kết quả các thí nghiệm về lai giống

Có ý nghĩa quan trọng trong nghiên cứu sự di truyền các tính trạng số lượng,các biến dị thường biến và di truyền quần thể

3.3 Phương pháp tế bào học

Ứng dụng trong nghiên cứu bộ nhiễm sắc thể của loài, hình thái và cấu trúc củatừng nhiễm sắc thể nhằm phát hiện những biến dị về cấu trúc và số lượng nhiễm sắcthể

Phân tích con lai kết hợp với quan sát nhiễm sắc thể là cơ sở của di truyền tếbào

Nghiên cứu diễn biến các quá trình phân bào, sự tiếp hợp và trao đổi đoạn giữacác nhiễm sắc thể tương đồng

Nuôi cấy tế bào để tiến hành lai tế bào, phân tích các biến dị tế bào dòng soma

3.4 Các phương pháp vật lý, hoá học và sinh học khác

Nghiên cứu con đường từ gen tới tính trạng, phân tích cấu trúc của gen, trình tựnucleotit của gen

Các phương pháp vật lý, hoá học được ứng dụng rộng rãi trong di truyền phân

tử và kỹ thuật gen

Sự kết hợp giữa sinh học và tin học đang là hướng phát triển có triển vọng củasinh học

4 DI TRUYỀN HỌC VỚI CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC

4.1 Di truyền học và chọn tạo giống

Dựa trên những hiểu biết về cơ sở vật chất của di truyền, các cơ chế di truyền

và các quy luật di truyền trong sinh sản hữu tính, vô tính và vô phối, các nhà khoa học

đã áp dụng các phương pháp chọn tạo và nhân giống phù hợp nhằm mang lại hiệu quảcao nhất cho sản xuất kinh doanh

4.2 Di truyền học và y học

Nhờ những hiểu biết về nguyên nhân của một số bệnh di truyền mà con người

có thể ngăn ngừa sự xuất hiện của một số bệnh hiểm nghèo

Nhờ những thành tựu mới của kỹ thuật di truyền mà nhiều bệnh di truyền đượcđiều trị bằng cách đưa các gen bình thường vào cơ thể thay thế các gen gây bệnh (liệupháp gen)

CHƯƠNG 1

CƠ SỞ TẾ BÀO CỦA DI TRUYỀN VÀ QUÁ TRÌNH SINH SẢN

1.1 TẾ BÀO

1.1.1 Khái quát chung về tế bào

Tế bào là đơn vị cơ sở của sự sống Tế bào là cấu trúc nhỏ nhất có biểu hiện đầy

đủ các tính chất của sự sống Học thuyết tế bào hiện đại khẳng định “Tất cả các sinhvật đều cấu tạo từ tế bào và các sản phẩm của tế bào, những tế bào mới được tạo nên

từ sự phân chia của những tế bào trước nó, có sự giống nhau căn bản về thành phầnhóa học và các hoạt tính trao đổi chất giữa tất cả các loại tế bào và hoạt động của cơthể là sự tích hợp hoạt tính của các đơn vị tế bào độc lập”

Di truyền là một đặc tính của tế bào, liên quan chặt chẽ với các cấu trúc phứctạp, nguồn năng lượng và sự sinh sản của tế bào Tính di truyền có biểu hiện trọn vẹnchỉ ở mức tế bào và cũng nhờ tính di truyền mà hệ thống cấu trúc tinh vi cùng với sựbiến đổi năng lượng phức tạp của tế bào được tái tạo

1.1.2 Tế bào nhân sơ

Tế bào nhân sơ (tế bào tiền nhân) là những tế bào chưa có nhân hoàn chỉnh(chưa có màng nhân, chỉ có vùng tế bào chất đậm đặc gọi là vùng nhân- nucleoid) Tếbào nhân sơ hiện diện ở những sinh vật có mức tiến hóa thấp, như: vi khuẩn, xạ khuẩn

và vi khuẩn lam

Hình 1.1 Cấu tạo của tế bào vi khuẩn E coli

Tế bào nhân sơ có cấu tạo điển hình là tế bào vi khuẩn E.coli, bao gồm thành tế

bào và chất nguyên sinh, chưa có màng nhân và hạch nhân, chưa có phần lớn các bàoquan, chỉ có ribosom và ty thể Nhiễm sắc thể là một phân tử ADN trần, chuỗi kép,

dạng vòng, dài khoảng 1 mm, cấu tạo từ 4.106 cặp nucleotit, gồm khoảng 1500 gen,cuộn xoắn, định vị ở trung tâm tế bào (được gọi là vùng nhân) Ngoài ra, trong tế bàocòn có các vòng ADN nhỏ (một vài đến hàng trăm) mang một số gen và có khả năngtái bản độc lập với ADN nhiễm sắc thể, được gọi là plasmid.

1.1.3 Tế bào nhân chuẩn

Tế bào nhân chuẩn (tế bào nhân thật) là những tế bào có nhân hoàn chỉnh vớimàng nhân bao quanh Gặp ở tế bào động vật, thực vật, nấm, nguyên sinh vật, v.v.v

Tế bào được cấu tạo từ ba thành phần: màng nguyên sinh (tế bào thực vật còn có thêmvách cứng cellulose), tế bào chất và nhân

Hình 1.2 Cấu tạo của tế bào thực vật điển hình 1.1.3.1 Tế bào chất

Tế bào chất là phần chất nằm giữa màng nguyên sinh và nhân của tế bào Tếbào chất được cấu tạo từ hai thành phần là chất nền và các bào quan, là nơi diễn ra cáchoạt động sống của tế bào, như trao đổi chất và năng lượng, sinh trưởng, sinh sản.Chất nền có thành phần chủ yếu là nước (chiếm 80-90%) và protein, bao gồm proteincấu trúc và protein chức năng Mỗi loại tế bào có một kiểu cấu trúc chất nền đặc trưngcho loại tế bào đó Trong tế bào chất có rất nhiều bào quan, mỗi bào quan có cấu trúcriêng phù hợp với chức năng mà nó đảm nhiệm Các bào quan được chia thành banhóm chính:

Nhóm 1: có cấu trúc màng hay được bắt nguồn từ màng, gồm: mạng lưới nộichất, thể golgi, lizosom, vi thể

Nhóm 2: các bào quan tham gia vào việc sản sinh năng lượng, bao gồm: ty thể,lạp thể.

Nhóm 3: các bào quan tham gia vào quá trình sinh trưởng và sinh sản của tếbào, bao gồm: ribosom, trung thể

Trong số các bào quan trên, có một số tham gia vào quá trình di truyền, đó là: tythể, lạp thể, trung thể và ribosom

Ty thể: là cơ quan cung cấp năng lượng của tế bào Trong ty thể có chứa các

phân tử ADN dạng vòng (chiếm khoảng 1% ADN của tế bào) tham gia vào sự ditruyền tế bào chất Ty thể là loại bào quan có khả năng tự tái bản, nên có số lượng thayđổi tùy theo trạng thái trao đổi chất của tế bào

Hình 1.3 Cấu tạo ty thể

Lạp thể: chỉ có ở tế bào thực vật, bao gồm lục lạp, sắc lạp, lạp không màu, trong

đó lục lạp là cơ quan quang hợp của tế bào Cũng như ty thể, lạp thể chứa các phân tửADN dạng vòng tham gia vào sự di truyền tế bào chất Ty thể cũng là loại bào quan cókhả năng tự tái bản

Hình 1.4 Cấu tạo lạp thể

Trung thể: là cấu trúc nằm cạnh màng nhân của tế bào động vật, cấu tạo từ hai

trung tử là hai ống dài trực giao với nhau Mỗi ống được cấu tạo từ 9 bộ ba ống siêu vixếp thành vòng tròn Trước khi tế bào được phân chia, trung thể nhân đôi và tách đôitiến về hai phía đối diện trong tế bào chất để tạo cực Từ hai cực hình thành thoi vô sắc

là cấu trúc giúp nhiễm sắc thể phân ly trong quá trình phân bào

Ribosom: là cấu trúc nhỏ được tạo nên bởi hai tiểu phần có hằng số lắng 40S và

60S (khi kết hợp lại tạo nên phân tử ribosom hoàn chỉnh có hằng số lắng 80S) Mỗitiểu phần cấu tạo từ ARN và protein với tỷ lệ tương đương (về khối lượng) Ribosom

là trung tâm diễn ra quá trình dịch mã (sinh tổng hợp protein) của tế bào

1.1.3.2 Nhân tế bào

Nhân là cấu trúc quan trọng nhất của tế bào, thường nằm ở giữa tế bào Mỗi tếbào thường có một nhân, trừ tế bào ở một số tảo, nấm hay tế bào hồng cầu và tế bào cơvân ở người, có nhiều nhân hoặc không nhân Ở các loại mô hay cơ thể khác nhaunhân có hình dạng và kích thước khác nhau, tuy nhiên nhân thường có dạng hình cầuhay hình trứng

Nhân là nơi chứa gần như toàn bộ thông tin di truyền của tế bào, nên được coi

là trung tâm điều khiển mọi hoạt động sống của tế bào và có vai trò đặc biệt quantrọng đối với di truyền

Nhân bao gồm: màng nhân, dịch nhân, chất nhiễm sắc và nhân con

Màng nhân: là lớp màng kép, màng ngoài thông với lưới nội chất và thể golgi.

Trên màng có nhiều lỗ nhỏ (gọi là lỗ nhân) được gắn nhiều phân tử protein hoạt độngnhư những kênh đảm bảo cho sự trao đổi vật chất giữa nhân và tế bào chất Khi tế bàophân chia, màng nhân bị phá vỡ và được hình thành lại khi tế bào kết thúc phân chia

Dịch nhân: là khối dịch lỏng vô định hình choán đầy khoảng không của nhân,

chứa nhiều enzym, các axit amin, các ion kim loại (Mg2+, Ca2+), chất nhiễm sắc Dịchnhân là nơi diễn ra các hoạt động chức năng của ADN

Chất nhiễm sắc: là thành phần quan trọng nhất của nhân, cấu tạo từ ADN và

protein, có chức năng mang thông tin về cấu trúc và hoạt động sống của sinh vật Khi

tế bào sinh sản (phân chia), chất nhiễm sắc kết hợp với protein và xoắn co ngắn lạihình thành nhiễm sắc thể Khi tế bào sinh trưởng (kỳ trung gian giữa hai lần phânchia), nhiễm sắc thể lại tháo xoắn trở về dạng chất nhiễm sắc là trạng thái hoạt độngsinh lý và di truyền của ADN

Nhân con (hạch nhân): là khối tích tụ ARN ribosom tại vùng eo thứ hai của

nhiễm sắc thể trước khi ra tế bào chất để góp phần tạo nên các tiểu phần của ribosom.Nhân con tiêu biến khi tế bào phân chia và tái xuất hiện khi các tế bào con được hìnhthành

1.2 NHIỄM SẮC THỂ

1.2.1 Khái niệm về nhiễm sắc thể

Nhiễm sắc thể là những cấu trúc được hình thành và tồn tại trong tế bào khi tếbào thực hiện sinh sản (phân chia), chúng bắt màu đặc trưng khi tế bào được nhuộmbằng thuốc nhuộm kiềm tính

Ở các sinh vật nhân chuẩn, khi được hình thành nhiễm sắc thể luôn tồn tại thànhtừng bộ Tùy loại tế bào của cơ thể sinh vật mà tồn tại một trong hai loại bộ, đó là bộnhị bội (lưỡng bội) và bộ đơn bội

Bộ nhị bội: tồn tại ở hợp tử, tế bào soma và tế bào sinh dục sơ khai Trong bộ,

nhiễm sắc thể luôn tồn tại thành từng cặp tương đồng, trừ nhiễm sắc thể giới tính Mỗicặp tương đồng gồm hai chiếc giống nhau về hình thái, chứa cùng một loại gen và cótrình tự các gen như nhau Trong mỗi cặp, một chiếc có nguồn gốc từ bố và một chiếc

có nguồn gốc từ mẹ Vì thế số lượng nhiễm sắc thể của bộ nhị bội luôn chẵn và được

ký hiệu là 2n Bộ 2n đặc trưng cho loài về số lượng, hình thái, loại gen và trật tự cácgen trên nhiễm sắc thể, nghĩa là tất cả các cá thể của cùng một loài đều có bộ 2n giốngnhau đồng thời về bốn tiêu chí này, trong khi các cá thể khác loài có bộ 2n khác nhau

về 1÷ 4 tiêu chí Các cá thể của cùng một loài có bộ 2n chỉ khác nhau về cấu trúc của

các gen cùng loại chứa trong nhiễm sắc thể Các tế bào soma hay tế bào sinh dục sơ khai của cùng một cơ thể có bộ 2n giống hệt nhau về cả cấu trúc của các gen chứa trong nhiễm sắc thể.

Bộ đơn bội: tồn tại ở tế bào sinh dục chín (giao tử) Trong bộ, nhiễm sắc thể

không tồn tại thành cặp tương đồng mà chỉ chứa một trong hai chiếc của mỗi cặp,chiếc này có thể có nguồn gốc hoặc từ bố, hoặc từ mẹ, hoặc có một phần từ bố và mộtphần từ mẹ (trường hợp có trao đổi chéo xảy ra trong giảm phân) Vì thế số lượngnhiễm sắc thể của bộ chỉ bằng một nửa so với bộ nhị bội, nên được ký hiệu là n Cũngnhư bộ 2n, tất cả các cá thể của cùng một loài đều có bộ n giống nhau về số lượng,hình thái, loại gen và trật tự các gen trên nhiễm sắc thể, còn các cá thể khác loài có bộ

n khác nhau về 1÷ 4 tiêu chí này Cũng như các tế bào sinh dục chín do các cơ thể

khác nhau của loài tạo ra, các tế bào sinh dục chín do cùng một cơ thể tạo ra có bộ n rất khác nhau về cấu trúc của các gen cùng loại chứa trong nhiễm sắc thể.

Trong thực tế, khi nói tới bộ nhiễm sắc thể người ta thường chỉ đề cập tới tiêuchí về số lượng nhiễm sắc thể Ví dụ: ở loài người có bộ 2n =46, bộ n = 23; ở đậu HàLan có bộ 2n =14, bộ n = 7,

Những hiểu biết về bản chất di truyền của các loại bộ nhiễm sắc thể và loại tếbào mang chúng có ý nghĩa hết sức quan trọng trong việc lựa chọn phương pháp nhângiống phù hợp, mang lại hiệu quả kinh tế cao cho sản xuất kinh doanh Bằng việc chọnloại tế bào chứa bộ nhiễm sắc thể 2n hay n (tương ứng với việc lựa chọn các phươngpháp nhân giống vô tính, hữu tính hay vô phối) để truyền đạt vật chất di truyền củagiống tốt được chọn tạo cho thế hệ sau, chúng ta sẽ có được các quần thể cây trồng -vật nuôi trong sản xuất có bản chất di truyền tương ứng: gồm các cá thể có phẩm chất

di truyền đồng loạt giống nhau và giống hệt với bản chất di truyền của giống đem nhân

hoặc có phẩm chất di truyền rất khác nhau và khác với bản chất di truyền của giốngđem nhân.

1.2.2 Nhiễm sắc thể Virut và Phage

Virut và phage là những sinh vật vô bào, không xảy ra trao đổi chất khi tồn tạiđộc lập Cơ thể chỉ cấu tạo từ một phân tử axit nucleic bên trong và một vỏ protein baobọc bên ngoài Chúng có khả năng sinh trường, phát triển và di truyền như một cơ thểsống khi thâm nhập vào tế bào vật chủ

Hình 1.3 Cấu tạo của virus

Phage được nghiên cứu kỹ nhất về mặt di truyền là các phage T Nhiễm sắc thểcủa chúng là phân tử ADN trần, chuỗi kép, không có protein Phage T chẵn (T2, T4)đều có nhiễm sắc thể dài hơn hệ gen hoàn chỉnh của chúng Đó là kết quả của sự lặplại dư thừa ở hai đầu và hiện tượng đổi chỗ do mạch vòng, tựa như mỗi phage đềuchứa những đoạn ADN có chiều dài bằng nhau được cắt ra một cách ngẫu nhiên từmột nhiễm sắc thể lớn có cấu trúc vòng tròn Các phage T lẻ (T3, T5) lại chỉ có nhiễmsắc thể lặp lại dư thừa ở hai đầu

1.2.3 Nhiễm sắc thể vi khuẩn

Nhiễm sắc thể vi khuẩn là phân tử ADN trần, chuỗi kép, dạng vòng Phân tửADN này thường đính với màng tế bào ở một điểm hoặc một số điểm Mặc dù tế bàokhông có nhân, nhưng ADN ở dạng siêu xoắn được tập trung ở một vùng rõ rệt được

gọi là vùng nhân Nhiễm sắc thể dạng xoắn có chứa các chuỗi ARN mới được tổng

hợp và ARN polymerase, nhưng không có ribosom

Ngoài nhiễm sắc thể chính, ở vi khuẩn còn thấy có một loại ADN có kích thướcnhỏ, dạng vòng kép, gọi là plasmid Chúng chiếm tới 1-2% tổng số ADN của tế bào vàsao chép độc lập với ADN nhiễm sắc thể

1.2.4 Nhiễm sắc thể nhân chuẩn

Ở sinh vật nhân chuẩn, phần lớn ADN tập trung trên các nhiễm sắc thể nằmtrong nhân

1.2.4.1 Kiểu nhân và nhiễm sắc đồ

Mỗi loài sinh vật nhân chuẩn đều có bộ nhiễm sắc thể đặc trưng về hình thái

của nhiễm sắc thể, được gọi là kiểu nhân Ở động vật, kiểu nhân của giới đực và giới

cái thường khác nhau do sự khác nhau về hình thái giữa nhiễm sắc thể giới tính X và

Y Đối với các nhiễm sắc thể thường, kiểu nhân của tất cả các sinh vật cùng loài đềugiống nhau Những sinh vật khác loài có kiểu nhân khác nhau

Hình 1.4 Bộ nhiễm sắc thể của người

Trong nghiên cứu về kiểu nhân của một loài nào đó, người ta thiết lập hình vẽ

để diễn tả đặc điểm hình thái và kích thước của từng cặp nhiễm sắc thể tương đồng và

xếp chúng theo thứ tự, đó chính là nhiễm sắc đồ của loài Dựa vào nhiễm sắc đồ có thể

phân biệt được từng cặp nhiễm sắc thể trong kiểu nhân của một loài hay phân biệtnhiễm sắc thể của các loài khác nhau Đặc biệt, dựa vào nhiễm sắc đồ nhuộm màu cóthể tìm thấy các đoạn tương đồng trên các nhiễm sắc thể cùng loại của các loài có quan

hệ họ hàng gần nhau Ví dụ, kết quả so sánh nhiễm sắc đồ của người với vượn ngườicho thấy chúng có mối quan hệ họ hàng rất gần, trong đó nhiễm sắc thể số 2 của ngườiđược hình thành do sự nối lại của 2 nhiễm sắc thể khác nhau ở vượn người

1.2.4.2 Chất dị nhiễm sắc và chất nguyên nhiễm sắc

Khi quan sát bằng kính hiển vi quang học thấy trên nhiễm sắc thể có vùng

nhuộm màu đậm được gọi là chất dị nhiễm sắc, phân biệt với phần còn lại nhuộm màu nhạt được gọi là chất nguyên nhiễm sắc.

Dị nhiễm sắc: là vùng sợi ADN kết tụ với protein khác biệt so với bình thường,

là nơi tập trung ADN có dạng cấu trúc lặp lại cao, có ít hoặc không có các gen ở trạngthái hoạt động, nên được coi là trơ về mặt di truyền Có hai loại dị nhiễm sắc:

Loại dị nhiễm sắc ổn định: có tính đặc trưng và ổn định trên một nhiễm sắc thể

hay một đoạn nhiễm sắc thể, chiếm vị trí chủ yếu ở vùng tâm động và phía đầu mútnhiễm sắc thể

Loại dị nhiễm sắc không ổn định: là những đoạn nhiễm sắc thể biểu hiện tính dị

nhiễm sắc không thường xuyên, có thể thay đổi theo các giai đoạn phát triển cá thể, có

ý nghĩa ở góc độ hoạt hoá các gen trong quá trình phát triển cá thể hay ở góc độ tiếnhoá hình thành nhiễm sắc thể mới

Nguyên nhiễm sắc: là vùng nhiễm sắc thể ở dạng giãn xoắn, mang ADN ở trạng

thái hoạt động

1.2.4.3 Cấu trúc của nhiễm sắc thể điển hình (ở trung kỳ)

Ở trung kỳ (kỳ giữa) của quá trình phân chia tế bào, nhiễm sắc thể có mức coxoắn cực đại, nên có chiều dài ngắn nhất và đường kính lớn nhất, với hình dạng xácđịnh có tính đặc trưng Đa số nhiễm sắc thể có hình chữ V, dài 0,2 ÷ 50µm, đườngkính 0,2 ÷ 2µm Do đã được nhân đôi, nên mỗi nhiễm sắc thể ở trung kỳ gồm hainhiễm sắc thể đơn giống hệt nhau được dính với nhau ở tâm động, được gọi là haicromatit chị em Một nhiễm sắc thể điển hình ở trung kỳ bao gồm các thành phần sau:

Tâm động: là khối ADN- protein bền vững, thường là ADN có cấu trúc lặp lại

cao, tồn tại ở vị trí eo thắt thứ nhất của nhiễm sắc thể Tâm động là nơi đính của nhiễmsắc thể với sợi tơ vô sắc để khi sợi tơ vô sắc xoắn lại (ngắn dần) thì nhiễm sắc thểđược tách làm đôi, mỗi cromatit được kéo về một cực của tế bào và trở thành mộtnhiễm sắc thể

Tuỳ vào vị trí của tâm động mà người ta phân biệt các loại nhiễm sắc thể: tâm giữa, tâm đầu và tâm mút Một số nhiễm sắc thể có nhiều tâm động khuếch tán trên

chiều dài của nó hoặc nhiễm sắc thể không có tâm động Nguyên nhân có thể là do sựliên kết của một số nhiễm sắc thể để hình thành nhiễm sắc thể nhiều tâm hoặc do đứtđoạn nhiễm sắc thể tạo thành nhiễm sắc thể không tâm động

Thể kèm: Một số nhiễm sắc thể có thể kèm, là một cấu trúc nhỏ nằm ở một đầu

mút của nhiễm sắc thể, nối với nhiễm sắc thể bởi một eo thắt thứ hai (là nơi diễn raquá trình tổng hợp và tích tụ ARN ribosom)

Hạt mút: Một số nhiễm sắc thể có hạt mút, là một cấu trúc phức tạp ở đầu mút

nhiễm sắc thể, có chức năng làm bền nhiễm sắc thể Ngoài ra, nó còn có vai trò trongquá trình tái bản của ADN Ở hạt mút dễ xảy ra sự dung hợp đoạn nhiễm sắc thể khi bịđứt

Hình 1.5 Nhiễm sắc thể ở trung kỳ

Ngoài nhiễm sắc thể dạng điển hình như trên, người ta còn tìm thấy một sốdạng nhiễm sắc thể đặc biệt, như: nhiễm sắc thể khổng lồ hay nhiễm sắc thể dạng chổiđèn

Nhiễm sắc thể khổng lồ: là một thể gồm rất nhiều sợi nhiễm sắc do sự nhân đôi

nhiều lần mà không kèm theo sự phân li Thường thấy ở tế bào tuyến nước bọt của ấutrùng các loài côn trùng cánh mềm Số lượng sợi nhiễm sắc có thể đạt 1000 sợi Ngoàitâm động, trên chiều dài của nhiễm sắc thể còn quan sát rõ các băng màu đậm và nhạtxen kẽ Các băng đậm là kết quả xếp xoắn sít nhau của sợi nhiễm sắc, ở đó lượngADN nhiều hơn

Hình 1.6 Nhiễm sắc thể khổng lồ ở ruồi giấm

Nhiễm sắc thể dạng chổi đèn: tại các vùng xác định, các sợi nhiễm sắc thể duỗi

xoắn mạnh, vươn thành các dải vòng lớn bao quanh trục của nhiễm sắc thể, tạo thànhdạng chổi đèn Nguyên nhân có thể liên quan đến hoạt tính trao đổi chất ở một giaiđoạn phát triển cá thể nào đó, như sự tăng cường tổng hợp một lượng lớn ARNriboxom cho tế bào Nhiễm sắc thể dạng chổi đèn được quan sát thấy ở noãn bào củanhiều loài động vật, như: Lưỡng thê, Cá, Bò sát, Chim

Hình 1.7 Nhiễm sắc thể dạng chổi đèn 1.2.4.4 Cấu trúc của sợi nhiễm sắc

 Thành phần của sợi nhiễm sắc

Khi tách nhân khỏi tế bào vào thời điểm không phân chia và cho nhân dung giảithì các nhiễm sắc thể được giải phóng ra, mỗi cái chứa một sợi ADN kép nguyên vẹn.ADN liên kết với protein (chủ yếu là histon, thuộc nhóm protein bazơ) ở dạng mộtphức hợp gọi là chất nhiễm sắc - thành phần tạo nên sợi nhiễm sắc

Histon là các protein có kích thước phân tử ngắn, chứa 100 ÷ 200 axit amin Có

5 loại histon là H1, H2A, H2B, H3, H4 với tỷ lệ tương ứng là 1:2:2:2:2 Các loạiprotein này chứa nhiều lizin và acginin nên mang điện tích dương, tạo nên lực hút vớiADN mang điện tích âm (do có chứa nhóm photphat) Về khối lượng thì histon vàADN gần như tương tương nhau trong chất nhiễm sắc

Ngoài ra, chất nhiễm sắc còn chứa một số protein phi histon (protein axit) Hàmlượng các protein này biến động trong suốt chu trình tế bào và rất khác nhau ở các tếbào có mức độ phân hóa khác nhau, trong khi protein histon luôn có hàm lượng ổnđịnh trong suốt chu trình tế bào cũng như ở các tế bào có mức độ phân hóa khác nhau.Một số ion kim loại, như: Mg2+, Ca2+, Na+, và ARN cũng có mặt trong thành phần củasợi nhiễm sắc

 Cấu trúc cơ bản của sợi nhiễm sắc

Nhiễm sắc thể là một phức hợp được bó chặt giữa ADN và protein Từ lâungười ta đã biết rằng phân tử ADN trong nhiễm sắc thể dài hơn nhiều so với chiều dàicủa nhiễm sắc thể, chứng tỏ nó phải được cuộn xoắn ở nhiều mức độ khác nhau Mứcđơn giản nhất là ADN cuốn quanh một lõi gồm các protein histon để tạo thành một cấu

trúc gọi là hạt cơ bản hay nucleosom (thể nhân).

Một nucleosom gồm 8 phân tử protein histon, trong đó ở tâm là hai phân tử H3

và hai phân tử H4, ở biên là hai phân tử H2A và hai phân tử H2B, tạo thành thể tám cóđường kính 10 nm Đoạn ADN cuốn quanh khối protein với 1+3/4 vòng, tương đươngkhoảng 146 cặp nucleotit Giữa hai nuclesom có đoạn ADN nối, dài khoảng 20÷ 100

cặp nucleotit và được ổn định bởi một phân tử H1 Phân tử H1 có chức năng gắn kếtcác nucleosom lại với nhau để tạo thành chuỗi nucleosom có đường kính 10 nm, đượcgọi là cấu trúc cơ bản (cấu trúc bậc một) của sợi nhiễm sắc Cấu trúc này làm cho phân

tử ADN ngắn đi 7 lần

 Cấu trúc solenoid và các mức kết tụ khác

Trong tế bào, nhiễm sắc thể tồn tại ở trạng thái xoắn cao hơn nhiều so với chuỗinucleosom Cụ thể, chuỗi nucleosom cuộn xoắn theo kiểu lò so tạo thành sợi nhiễmsắc (cấu trúc bậc hai, còn gọi là cấu trúc solenoid) có đường kính 30 nm, một bướccuộn xoắn gồm khoảng 6 nucleosom Cấu trúc này làm cho sợi nhiễm sắc co ngắn lại 6lần, kéo theo độ dài phân tử ADN giảm đi 40 lần Sự cuộn xoắn này xảy ra phổ biếnkhi nhiễm sắc thể không ở trạng thái hoạt động Như vậy, cấu trúc trên phân tử của sợinhiễm sắc thể và quá trình kết tụ của nó có ý nghĩa rất lớn trong sự hoạt hoá gen vàtrong sự vận động, phân phối đều và chính xác vật chất di truyền qua các thế hệ tế bào

Hình 1.6 Các mức cấu trúc của nhiễm sắc thể

Tiếp sau mức cấu trúc solenoid 30nm là sự cuộn xoắn theo kiểu dây thừng đểtạo thành sợi có đường kính 300 nm và cuối cùng là cromatit có đường kính 700nm Ởmức cromatit có các protein axit liên kết bằng cách chèn vào các khe xoắn để tạo nên

vỏ bọc bên ngoài làm cho các cromatit có bề mặt trơn nhẵn, thuận lợi cho sự phân lytrong phân bào

Tỷ lệ hàm lượng ADN/protein axit giảm dần theo mức độ biệt hoá tế bào dohàm lượng protein axit liên kết tăng dần, làm cho nhiễm sắc thể trở lại trạng thái dãnxoắn (trạng thái hoạt động sinh lý và di truyền của ADN) khó dần, kéo theo tốc độsinh trưởng và sinh sản của tế bào giảm dần Đây chính là một trong các cơ chế thamgia vào quá trình điều hoà hoạt động của gen, đó là sự điều hòa ở mức nhiễm sắc thể.

1.3 SỰ DI TRUYỀN CỦA NHIỄM SẮC THỂ

1.3.1 Khái quát về sự di truyền của nhiễm sắc thể

Bộ nhiễm sắc thể của thực vật và động vật bậc cao được di truyền theo các quyluật chặt chẽ đặc trưng cho các giai đoạn khác nhau trong vòng đời của cơ thể Quátrình di truyền của bộ nhiễm sắc thể được khái quát như sau:

- Giữa các thế hệ tế bào của một cơ thể: Xuất phát điểm đầu tiên của một cơ thể là tếbào hợp tử mang bộ nhiễm sắc thể 2n Bằng cơ chế phân bào nguyên nhiễm với nhiềuchu kỳ liên tiếp nhau, từ tế bào hợp tử đã hình thành nên cơ thể gồm các tế bào soma

và tế bào sinh dục sơ khai Theo đó bộ nhiễm sắc thể đặc trưng cho cơ thể được di

truyền từ hợp tử, qua các thế hệ tế bào trung gian, tới các tế bào soma và các tế bàosinh dục sơ khai của cơ thể

- Giữa các thế hệ cá thể của loài: Tế bào sinh dục sơ khai thực hiện phân bào giảmnhiễm để hình thành tế bào sinh dục chín/giao tử Giao tử đực và giao tử cái kết hợpvới nhau trong quá trình thụ tinh để hình thành tế bào hợp tử Theo đó bộ nhiễm sắc

thể đặc trưng cho loài được di truyền từ các cơ thể thế hệ trước tới các hợp tử thế hệ

sau

Như vậy, bộ nhiễm sắc thể được di truyền qua các thế hệ cá thể là nhờ sự kếthợp giữa các cơ chế: tái sinh kết hợp với phân ly đều trong phân bào nguyên nhiễm, táisinh kết hợp với phân ly trong phân bào giảm nhiễm và tổ hợp trong thụ tinh

1.3.2 Phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân)

 Kỳ trung gian gồm các pha sau:

G1(trước tái bản ADN): bắt đầu ngay sau khi tế bào mẹ kết thúc phân chia.Nhiễm sắc thể ở trạng thái dãn xoắn cực đại, các gen trên ADN thực hiện phiên mã vàdịch mã làm cơ sở cho tế bào tăng nhanh kích thước (sinh trưởng) Tế bào tổng hợp

các chất cần thiết cho sự tái bản ADN Đây là pha trong tế bào xảy ra nhiều biến độngnhất, nhưng chưa có sự tái bản ADN, có thể kéo dài từ 10 giờ đến vài ngày.

S (tái bản hay tổng hợp ADN): các phân tử ADN nhân đôi làm cơ sở cho sựnhân đôi của nhiễm sắc thể Ngoài ra, còn có sự tổng hợp protein (các histon vàprotein phi histon) để cấu tạo nên nhiễm sắc thể Pha này kéo dài 6 ÷ 10 giờ

G2 (sau tái bản ADN): ADN đã tái bản xong, từ ADN hình thành nên nhiễm sắcthể ở mức độ sợi nhiễm sắc Tế bào tiếp tục sinh trưởng và tích luỹ năng lượng đểchuẩn bị bước vào phân chia Pha này kéo dài 3 ÷ 4 giờ

G1, S và G2 được gọi chung là kỳ trung gian Ở kỳ này tế bào sinh trưởng, thực

hiện các hoạt động sống chủ yếu và tái bản bộ máy di truyền

 Giai đoạn phân chia (M: Mitosis) chiếm 1/7 ÷ 1/10 tổng thời gian của chu kỳ tế

bào Từ một tế bào mẹ phân chia thành hai tế bào con mang bộ nhiễm sắc thể giốnghệt nhau và giống bộ nhiễm sắc thể của tế bào mẹ

Hình 1.7 Chu kỳ tế bào 1.3.2.2 Phân bào nguyên nhiễm (nguyên phân)

Phân bào nguyên nhiễm là quá trình phân chia (sinh sản) của tế bào kèm theo

sự truyền nguyên bộ nhiễm sắc thể qua các thế hệ Từ một tế bào mẹ ban đầu phânthành hai tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giống nhau và giống hệt bộ nhiễm sắc thể của

tế bào mẹ Nguyên phân là một quá trình diễn ra liên tục, song để dễ mô tả người tachia thành bốn giai đoạn là kỳ đầu, kỳ giữa, kỳ sau và kỳ cuối

Kỳ đầu (tiền kỳ): có thời gian dài nhất Đầu kỳ, nhân tăng thể tích, nhiễm sắc

thể co xoắn, nhưng vẫn ở dạng các sợi nhiễm sắc mảnh nằm rải rác khắp nhân Cuối

kỳ, nhiễm sắc thể co xoắn cực đại, ngắn nhất về chiều dài và lớn nhất về đường kính,tạo nên hai cromatit chị em đính với nhau ở tâm động Màng nhân và nhân con biến

mất Thoi vô sắc hình thành (ở tế bào động vật có sự tham gia của trung thể: nhân đôi,tách ra và di chuyển về hai phía tế bào chất để tạo cực), các nhiễm sắc thể bắt đầu dichuyển về mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc.

Kỳ giữa (trung kỳ): các nhiễm sắc thể nằm trên mặt phẳng xích đạo của thoi vô

sắc thành một hàng, mỗi nhiễm sắc thể gắn tâm động với một sợi tơ vô sắc

Kỳ sau (hậu kỳ): tâm động gắn hai cromatit chị em của mỗi nhiễm sắc thể tách

làm đôi, mỗi cromatit chuyển động về một cực của tế bào nhờ sự co xoắn của sợi tơ vôsắc để trở thành một nhiễm sắc thể Do tâm động là điểm chia cuối cùng của nhiễm sắcthể mà vật chất di truyền được chia đều và đồng bộ về hai nửa của tế bào

Kỳ cuối (mạt kỳ): các nhiễm sắc thể tụ lại ở hai cực của tế bào và bắt đầu duỗi

xoắn Tại mỗi cực, màng nhân và nhân con hình thành để tạo nên hai nhân trong một

tế bào Tế bào tiến hành phân chia tế bào chất: ở tế bào động vật có một eo thắt hìnhthành từ phía ngoài vào cắt tế bào mẹ thành hai tế bào con, còn ở tế bào thực vật cómột vách ngăn hình thành từ trong ra ngăn tế bào mẹ thành hai tế bào con

Hình 1.8 Cơ chế của phân bào nguyên nhiễm

Nguyên phân là cơ chế truyền đạt nguyên vẹn bộ nhiễm sắc thể giữa các thế hệ

tế bào của một cơ thể, nhờ vậy mà mỗi tế bào của cơ thể, bao gồm cả tế bào soma và tếbào sinh dục sơ khai, đều mang bộ nhiễm sắc thể chứa hệ gen nhân giống nhau vàgiống hệ gen nhân của hợp tử ban đầu (hệ gen nhân của cơ thể)

Nguyên phân là cơ sở tế bào học và di truyền học của sinh sản vô tính Tế bàocủa bộ phận sinh dưỡng được tách ra từ cơ thể mẹ (cơ thể đầu dòng) nguyên phân liêntiếp và thực hiện phân hóa để phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh Do đó, các cá thể

sinh ra từ cùng một cơ thể đầu dòng (tạo thành một dòng vô tính) đều mang bộ nhiễmsắc thể chứa hệ gen nhân giống nhau và giống hệt hệ gen nhân của cơ thể đầu dòng.

1.3.3 Phân bào giảm nhiễm (giảm phân)

Phân bào giảm nhiễm là quá trình phân chia của tế bào kèm theo sự giảm sốlượng nhiễm sắc thể đi một nửa Từ một tế bào mẹ ban đầu phân thành bốn tế bào con,mỗi tế bào con có bộ nhiễm sắc thể giảm đi một nửa so với tế bào mẹ

Phân bào giảm nhiễm xảy ra ở cơ quan sinh sản của sinh vật Ở động vật xảy ra

ở các noãn bào sơ cấp 2n và tinh bào sơ cấp 2n tại các mô tạo giao tử của các tuyếnsinh dục cái và đực Ở thực vật xảy ra ở các tế bào mẹ của đại bào tử 2n và tế bào mẹcủa tiểu bào tử 2n trong bầu nhụy và túi phấn (nhị)

Dựa vào giai đoạn của vòng đời cá thể mà ở đó diễn ra phân bào giảm nhiễm,người ta chia phân bào giảm nhiễm thành các dạng:

Giảm nhiễm hợp tử: diễn ra ở một số sinh vật nhân chuẩn bậc thấp, như: tảo,

nấm, động vật nguyên sinh Ở những sinh vật này cơ thể sống tồn tại ở trạng thái đơnbội Hai tế bào đơn bội phối hợp với nhau tạo hợp tử nhị bội, hợp tử thực hiện phânbào giảm nhiễm ngay để tạo các tế bào đơn bội Từ các tế bào này phát triển thành các

cơ thể đơn bội

Giảm nhiễm trung gian: diễn ra trong quá trình hình thành giao tử ở đa số thực

vật bậc cao Giảm phân tạo ra các tế bào đơn bội, các tế bào này trải qua một số chu kỳnguyên phân mới hình thành nên giao tử

Giảm nhiễm giao tử: đặc trưng cho thế giới động vật Kết quả của giảm phân là

hình thành các giao tử có khả năng thụ tinh

Phân bào giảm nhiễm là một quá trình phức tạp hơn và dài hơn đáng kể so vớiphân bào nguyên nhiễm, thường cần đến nhiều ngày hoặc nhiều tuần Đặc điểm củaphân bào giảm nhiễm là gồm hai lần phân chia, nhưng chỉ có một lần nhân đôi ADNdẫn đến nhân đôi nhiễm sắc thể diễn ra ngay trước khi tế bào bước vào phân chia Cáclần phân chia này được gọi là giảm nhiễm I và giảm nhiễm II, mỗi lần phân chia đềutrải qua bốn kỳ:

 Giảm nhiễm I

Kỳ đầu 1: gồm 5 giai đoạn sau:

Giai đoạn sợi mảnh: nhiễm sắc thể trong nhân tế bào co xoắn hình thành sợi

nhiễm sắc dài, mảnh, phân bố khắp nhân

Giai đoạn hợp sợi: các nhiễm sắc thể tương đồng (ở trạng thái kép) tìm đến

nhau và tiếp hợp với nhau một cách chính xác theo các vùng tương ứng Sự tiếp hợpxảy ra bắt đầu từ đầu mút và kéo suốt theo chiều dài của nhiễm sắc thể

Giai đoạn sợi thô: các cặp nhiễm sắc thể tương đồng hoàn thành tiếp hợp với

nhau theo suốt chiều dài để tạo thành các cặp lưỡng trị (bộ tứ), mỗi cặp gồm hai nhiễmsắc thể kép

Giai đoạn sợi đôi: hai nhiễm sắc thể tương đồng của mỗi cặp lưỡng trị đẩy nhau

ra, đồng thời nhiễm sắc thể tiếp tục co xoắn nên đã tạo thành các thể tách đôi rõ rệt.Theo chiều dài của các cặp lưỡng trị có thể thấy một số điểm dính giữa hai nhiễm sắcthể đơn không thuộc cùng một nhiễm sắc thể kép (các hình chéo) Tại đây xảy ra sựtrao đổi chéo giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng

Giai đoạn kết thúc sợi đôi: các nhiễm sắc thể vẫn tồn tại theo cặp, co xoắn cực

đại Màng nhân và nhân con biến mất Thoi vô sắc hình thành Các cặp lưỡng trị bắtđầu di chuyển về mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc

Tóm lại, trong kỳ đầu 1 xảy ra các sự kiện chính sau: các nhiễm sắc thể kết cặp

và co ngắn, sau đó là sự trao đổi chéo giữa các nhiễm sắc thể tương đồng

Kỳ giữa 1: các cặp lưỡng trị tập trung trên mặt phẳng xích đạo của thoi vô sắc,

tâm động của hai nhiễm sắc thể tương đồng thuộc mỗi cặp lưỡng trị đính trên một sợi

tơ vô sắc Sự tồn tại ngẫu nhiên của các cặp lưỡng trị trên mặt phẳng xích đạo lànguyên nhân làm cho các cặp có nhiễm sắc thể nguồn gốc từ bố và từ mẹ ở các tế bàokhác nhau nằm ở hai phía của mặt phẳng xích đạo theo các kiểu cách rất khác nhau

Đó chính là cơ sở cho sự phân ly độc lập của các cặp nhiễm sắc thể tương đồng xảy ra

ở kỳ sau 1

Kỳ sau 1: các cặp lưỡng trị tách làm đôi, mỗi nhiễm sắc thể kép trong cặp đi về

một cực của tế bào Số lượng nhiễm sắc thể đi về mỗi cực được giảm đi một nửa, songvẫn tồn tại ở trạng thái kép

Kỳ cuối 1: các nhiễm sắc thể kép tụ lại ở hai cực của tế bào Màng nhân được

hình thành để tạo hai nhân mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội (có các nhiễm sắc thể vẫntồn tại ở trạng thái kép) trong một tế bào Tế bào bước ngay vào giảm nhiễm 2 màkhông kèm theo sự nhân đôi của vật chất di truyền

Hình 1.9 Phân bào giảm nhiễm I

 Giảm nhiễm II

Có diễn biến giống như phân bào nguyên nhiễm Mỗi nhân mang bộ nhiễm sắcthể đơn bội với cấu trúc kép (mỗi nhiễm sắc thể gồm hai cromatit có cấu trúc có thểgiống nhau hay không giống nhau do kết quả của trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra ở

kỳ đầu 1) trải qua 4 kỳ để hình thành hai nhân mang bộ nhiễm sắc thể đơn bội với cấutrúc đơn Hai nhân này mang bộ nhiễm sắc thể giống nhau và giống bộ nhiễm sắc thểcủa nhân tham gia phân chia (chỉ khác là có cấu trúc đơn) trong trường hợp không cótrao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra ở kỳ đầu 1 Hai nhân này có thể mang bộ nhiễm sắcthể khác nhau trong trường hợp có trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra ở kỳ đầu 1 Tếbào tiến hành phân tế bào chất để tạo thành các tế bào độc lập

Kết thúc phân bào giảm nhiễm, từ một tế bào mang bộ nhiễm sắc 2n hình thànhbốn tế bào mang bộ nhiễm sắc thể n Bốn tế bào này thuộc hai loại (trường hợp không

có trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra) hoặc bốn loại (trường hợp có trao đổi chéonhiễm sắc thể xảy ra) Vì sự trao đổi chéo giữa hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tươngđồng xảy ra ở các tế bào khác nhau không ở cùng vị trí như nhau, sự phân ly của cáccặp nhiễm sắc thể tương đồng ở các tế bào khác nhau là không như nhau, nên số loại tếbào n được hình thành từ phân bào giảm nhiễm của nhiều tế bào ở cùng một cơ thể làrất đa dạng

Phân bào giảm nhiễm là quá trình phân chia để tạo nên các tế bào mang bộnhiễm sắc thể đặc trưng cho loài có tiêu chí số lượng giảm đi một nửa (các tiêu chíkhác, như: hình thái, loại gen và trật tự các gen trên nhiễm sắc thể vẫn được giữnguyên) Nhờ vậy mà các cơ thể con sinh ra bằng sinh sản hữu tính với sự tham giacủa hai tế bào n được tạo ra từ hai cơ thể hoặc từ cùng một cơ thể (trường hợp tự phối)

để tạo tế bào đầu tiên của cơ thể có bộ nhiễm sắc thể với đầy đủ các tiêu chí của loàiđược giữ nguyên như ở cơ thể bố mẹ Kết quả là con cái sinh ra bao giờ cũng cùng loàivới bố mẹ

Trong phân bào giảm nhiễm có hiện tượng phân ly độc lập của các cặp nhiễmsắc thể tương đồng (ở kỳ sau 1) dẫn đến sự tổ hợp tự do của các nhiễm sắc thể khôngtương đồng theo nhiều cách thức khác nhau (ở kỳ cuối 1) là nguyên nhân để mỗi cơthể có thể hình thành nhiều loại giao tử có hệ gen rất khác nhau, tối đa là 2n (n: số cặpnhiễm sắc thể tương đồng của bộ 2n) Hơn nữa, nhờ hiện tượng trao đổi chéo xảy ra ởtừng cặp nhiễm sắc thể tương đồng trước khi phân ly làm cho tập hợp các gen trêntừng cặp nhiễm sắc thể được tổ hợp lại theo nhiều cách thức khác nhau (do vị trí traođổi của cặp ở những tế bào khác nhau là không như nhau), dẫn đến số loại giao tử hìnhthành tối đa không phải chỉ là 2n mà được tăng lên đáng kể Điều này giải thích vì saocon cái sinh ra bằng sinh sản hữu tính chỉ cùng loài với nhau và cùng loài với bố mẹ,còn rất khác nhau và khác với bố mẹ ở các đặc điểm chi tiết

Hình 1.10 Phân bào giảm nhiễm II 1.3.4 Thụ tinh

Thụ tinh là quá trình kết hợp giữa hai giao tử (tế bào sinh dục chín) đực và cáiđều mang bộ nhiễm sắc thể n để tạo thành hợp tử mang bộ nhiễm sắc thể 2n Từ hợp tửphát triển thành cơ thể mới

Quá trình thụ tinh ở các loài khác nhau có thể có nhiều điểm khác biệt, nhưngchủ yếu đều gồm bốn bước cơ bản như sau:

Nhận biết và tiếp xúc giữa giao tử đực và giao tử cái, đảm bảo cho giao tử đực

và giao tử cái thuộc cùng một loài được kết hợp với nhau

Điều chỉnh sự xâm nhập của giao tử đực vào giao tử cái, đảm bảo cho giao tửcái được thụ tinh bởi một giao tử đực duy nhất

Kết hợp vật chất di truyền của giao tử đực và giao tử cái trong hợp tử

Hoạt hóa quá trình chuyển hóa của hợp tử để bắt đầu quá trình hình thành một

cơ thể mới

Thụ tinh là cơ chế phục hồi tiêu chí số lượng của bộ nhiễm sắc thể đặc trưngcho loài đã bị giảm đi một nửa do phân bào giảm nhiễm, nhờ vậy mà bộ nhiễm sắc thểđặc trưng cho loài được ổn định qua các thế hệ cá thể

Trong thụ tinh có sự kết hợp ngẫu nhiên giữa các loại giao tử đực và giao tử cáivốn đã rất đa dạng để hình thành các loại hợp tử có mức độ đa dạng cao hơn nhiều.Phân bào giảm nhiễm là cơ chế sơ cấp, còn thụ tinh là cơ chế thứ cấp tạo ra sự đa dạng

di truyền của sinh vật sinh sản hữu tính

1.3.5 Kết quả di truyền của nhiễm sắc thể qua các thế hệ

Bộ nhiễm sắc thể 2n đặc trưng cho cơ thể về số lượng, hình thái, loại gen, trật

tự các gen và cấu trúc của các gen trên nhiễm sắc thể (đầu tiên có mặt ở hợp tử) được

di truyền nguyên vẹn qua các thế hệ tế bào của cơ thể là nhờ sự kết hợp giữa cơ chế táisinh chính xác và phân ly đều trong phân bào nguyên nhiễm Kết quả là mỗi tế bào của

cơ thể (cả tế bào soma và tế bào sinh dục sơ khai) đều chứa bộ nhiễm sắc thể 2n đặctrưng của cơ thể đó.

Bộ nhiễm sắc thể 2n đặc trưng cho loài về số lượng, hình thái, loại gen và trật

tự các gen trên nhiễm sắc thể được ổn định qua các thế hệ cá thể của loài là nhờ sự kếthợp giữa các cơ chế: tái sinh chính xác kết hợp và phân ly đều trong phân bào nguyênnhiễm, tái sinh chính xác kết hợp với phân ly trong phân bào giảm nhiễm và tổ hợptrong thụ tinh Kết quả là tất cả con cái sinh ra đều mang bộ nhiễm sắc thể 2n đặctrưng cho loài như ở thế hệ bố mẹ Bộ nhiễm sắc thể 2n của bố mẹ không được truyềnnguyên vẹn cho con cái, các cơ thể con cái có bộ nhiễm sắc thể không giống nhau vàkhông giống với bộ nhiễm sắc thể của bố mẹ về cấu trúc của các gen trên nhiễm sắcthể

Bộ nhiễm sắc thể 2n đặc trưng cho dòng vô tính về số lượng, hình thái, loại gen,trật tự các gen và cấu trúc của các gen trên nhiễm sắc thể được di truyền nguyên vẹnqua các thế hệ cá thể của dòng là nhờ sự kết hợp giữa cơ chế tái sinh chính xác vàphân ly đều trong phân bào nguyên nhiễm Kết quả là mỗi cá thể của một dòng vô tính(kể cả cơ thể đầu dòng) đều chứa bộ nhiễm sắc thể 2n đặc trưng của dòng vô tính đó(bộ nhiễm sắc thể của cơ thể đầu dòng)

1.4 QUÁ TRÌNH SINH SẢN HỮU TÍNH

Sinh sản hữu tính là hình thức sinh sản trong đó có sự kết hợp giữa tính đực vàtính cái Khái niệm “sinh sản” gắn với sự tăng số lượng cá thể ở đời sau Khái niệm

“hữu tính” lại liên quan đến sự kết hợp và sắp xếp lại các gen của bố mẹ ở đời sau màkhông nhất thiết phải có sự tăng số lượng cá thể Ví dụ: sự phân chia một amip banđầu thành nhiều cá thể con là một quá trình “sinh sản” đơn thuần, không liên quan gìđến giới tính; còn vi khuẩn lại có khả năng chuyển các gen từ cá thể này sang cá thểkhác nhờ lông gai giới tính là một hiện tượng “hữu tính” không gắn với sinh sản

Hình 1.11 Hiện tượng hữu tính (trùng đế giày) 1.4.1 Sinh sản hữu tính ở thực vật có hoa

1.4.1.1 Sự hình thành giao tử

 Hình thành giao tử đực (hạt phấn)

Giao tử đực được hình thành trong bao phấn (nhị) Bằng phân bào nguyênnhiễm liên tiếp, các tế bào sinh dục sơ khai (2n) có sẵn trong mô sinh sản được nhân

bội để tạo thành các tế bào mẹ của tiểu bào tử Mỗi tế bào mẹ của tiểu bào tử phân bàogiảm nhiễm tạo thành 4 tế bào (n) dính với nhau (gọi là tứ tử), tứ tử tách nhau ra tạothành 4 tiểu bào tử Mỗi tiểu bào tử bước vào phân bào nguyên nhiễm tạo ra hai tế bào(n): tế bào nhỏ gọi là tế bào phát sinh, tế bào lớn gọi là tế bào phát triển Tế bào pháttriển chứa nhiều chất dinh dưỡng đảm bảo năng lượng cho hạt phấn nảy mầm Ở phầnlớn thực vật, nhân của tế bào phát sinh phân bào nguyên nhiễm tiếp tạo hai nhân (n),được gọi là hai tinh tử Vậy hạt phấn chín gồm có ba nhân (hai tinh tử và một nhân của

tế bào phát triển) Ở một số loài thực vật khác hạt phấn chín chỉ có hai nhân (một nhâncủa tế bào phát triển và một nhân của tế bào phát sinh) Khi hạt phấn nảy mầm, nhân tếbào phát sinh mới phân bào nguyên nhiễm để tạo hai tinh tử theo ống phấn đi vào túiphôi

 Hình thành giao tử cái (túi phôi)

Ở thực vật có hoa, giao tử cái được hình thành trong noãn (nằm trong bầunhụy) Ở tâm noãn có một hoặc vài nguyên bào tử (2n), từ các tế bào này phát triểnthành tế bào mẹ của đại bào tử (2n) Sau một lần phân bào giảm nhiễm mỗi tế bào mẹcủa đại bào tử tạo thành 4 tế bào con (n), trong đó ba thoái hoá và một phát triển thànhđại bào tử Tế bào đại bào tử phân bào nguyên nhiễm liên tiếp ba lần tạo thành tế bàogồm 8 nhân đơn bội (n) Tám nhân phát triển thành tám tế bào độc lập, đồng thời tếbào đại bào tử phát triển thành túi phôi Tám tế bào phân bố trong túi phôi như sau: hai

tế bào ở giữa túi phôi kết hợp với nhau để tạo thành nhân tâm, ba tế bào ở phía lỗnoãn, gồm tế bào trứng và hai trợ bào ở hai bên, ba tế bào dồn về phía đối diện lỗ noãnđược gọi là các tế bào đối cực Như vậy, ngoài tế bào nhân tâm có nhân 2n, 6 tế bàocòn lại đều có nhân n, chúng có chức năng khác nhau trong quá trình thụ tinh để tạonên thế hệ sau

Hình 1.12 Cấu tạo túi phôi với 8 nhân 1.4.1.2 Thụ phấn và thụ tinh

 Thụ phấn

Thụ phấn là quá trình hạt phấn rơi trên đầu của vòi nhuỵ và nảy mầm để tạothành ống phấn vươn tới túi phôi Thụ phấn có thể xảy ra với các hình thức: thụ phấnchéo nhờ gió, nhờ côn trùng, và tự thụ phấn.

Sự nảy mầm của hạt phấn và phát triển của ống phấn phụ thuộc vào lượng chấtdinh dưỡng tích lũy trong hạt phấn, các nhân tố di truyền chứa trong tế bào hạt phấn vàtrong tế bào của bầu nhụy, các yếu tố môi trường, như: nhiệt độ, độ ẩm,

Khi hạt phấn chín rơi trên đầu vòi nhụy, có thể có nhiều hạt phấn cùng nảymầm trên đầu nhụy để tạo thành nhiều ống phấn Song do có sự cạnh tranh nhau, nênkhi một ống phấn đưa được hai tinh tử vào túi phôi thì ở đó xuất hiện phản ứng ngăncản các ống phấn khác Cuối cùng chỉ có hai tinh tử được tham gia thụ tinh, số còn lại

bị thoái hoá

 Thụ tinh

Khi hai tinh tử được đưa vào túi phôi thì một tinh tử kết hợp với tế bào trứngtạo thành hợp tử (2n), tinh tử còn lại kết hợp với tế bào nhân tâm tạo thành tế bào tam

bội (3n) Đó là quá trình thụ tinh kép Hợp tử phân bào nguyên nhiễm liên tiếp để tạo

thành khối đa bào, các tế bào của khối đa bào phân hóa để tạo thành phôi Tế bào tambội phân bào nguyên nhiễm liên tiếp tạo thành khối tế bào được gọi là nội nhũ Các tếbào đối cực bị thoái hóa, còn các trợ bào được giả thuyết là có chức năng tạo tín hiệucho ống phấn vươn tới lỗ noãn của túi phôi Túi phôi phát triển thành hạt

Hình 1.11 Sinh sản hữu tính ở thực vật có hoa

Như vậy, hạt giống có cấu tạo từ hai thành phần chính là phôi và nội nhũ Khigặp điều kiện môi trường sống phù hợp từ phôi sẽ phát triển thành cơ thể thực vật, cònnội nhũ có vai trò cung cấp chất dinh dưỡng cho phôi để phát triển thành cơ thể hoànchỉnh Chỉ khi cơ thể có khả năng tự dưỡng (có lá thật) thì nội nhũ mới hết vai trò đối

với cơ thể Vì thế phẩm chất của hạt giống phụ thuộc đồng thời vào phẩm chất của

phôi (được gọi là phẩm chất di truyền) và phẩm chất của nội nhũ (được gọi là phẩm chất sinh lý hay phẩm chất gieo ươm) Phẩm chất di truyền được quyết định bởi các

gen trong hệ gen của phôi, có vai trò quyết định quá trình hình thành các tính trạng của

cơ thể Do đó, muốn cho cơ thể mang những tính trạng tốt mong muốn thì phôi phảimang hệ gen tốt Hệ gen này hợp tử nhận được từ cả bố và mẹ, nên để có hạt giốngmang phẩm chất di truyền tốt phải chọn tạo các cơ thể dùng làm bố mẹ có hệ gen tốt.Phẩm chất sinh lý được quyết định bởi lượng sinh khối của nội nhũ chứa trong hạtgiống Khi lượng chất dinh dưỡng này đầy đủ thì phôi nảy mầm nhanh và trở thành cơthể khỏe mạnh Do khối nội nhũ được hình thành trên cơ thể mẹ và chỉ có chức năngdinh dưỡng trong giai đoạn gieo ươm, nên để cho hạt giống có phẩm chất sinh lý tốtphải tạo môi trường sống phù hợp cho cơ thể mẹ sinh trưởng và phát triển thuận lợi,thu hái hạt giống đúng thời điểm và đúng phương pháp

Hình 1.12 Sự phát sinh giao tử đực trong tinh hoàn

 Sự hình thành giao tử cái (tế bào trứng)

Ở cơ quan sinh sản cái, các noãn nguyên bào (2n) phát triển thành các noãn bàocấp 1 Mỗi noãn bào cấp 1 phân bào giảm nhiễm lần 1 tạo thành một noãn bào cấp 2(kích thước lớn) và một thể cực 1 (kích thước nhỏ) đều mang bộ nhiễm sắc thể n ở

trạng thái kép Hai tế bào này phân bào giảm nhiễm lần 2 tạo thành một tế bào trứng

và ba tế bào thể cực 2 (bị thoái hoá) đều mang bộ nhiễm sắc thể n ở trạng thái đơn

1.4.2.2 Sự thụ tinh

Khi thụ tinh, tinh trùng chui vào tế bào trứng, nhân của tinh trùng (n) kết hợpvới nhân của tế bào trứng (n) hình thành hợp tử (2n) Hợp tử phát triển thành phôi vàtái tạo cơ thể nhị bội mới

Hình 1.12 Sinh sản hữu tính ở động vật 1.4.3 Ý nghĩa của sinh sản hữu tính

Sinh sản hữu tính là hình thức sinh sản làm tăng tính biến dị di truyền ở thế hệsau, rất nhiều hệ gen với những tổ hợp gen khác nhau đã được hình thành từ một số ít

hệ gen ban đầu Sinh sản hữu tính được coi là nguyên nhân chủ yếu tạo ra sự đa dạngphong phú của sinh vật trong tự nhiên, tạo ra nguồn nguyên liệu dồi dào cho quá trìnhtiến hóa của sinh vật

Từ quần thể sinh vật sinh sản hữu tính có sự phân ly di truyền lớn, con ngườitiến hành chọn lọc những cá thể mang những biến dị di truyền có lợi để lấy vật liệunhân giống

Trường hợp giống được chọn tạo có độ thuần chủng thấp, đặc biệt ở những loàithực vật sinh sản theo hình thức thụ phấn chéo, không nên dùng hình thức nhân giốnghữu tính để phát triển giống vào sản xuất nhằm tránh sự phân ly di truyền ở quần thểcây trồng trong sản xuất

Dựa vào bản chất di truyền của sinh sản hữu tính, con người tiến hành lai giống

có định hướng nhằm tạo ra nguồn biến dị di truyền phong phú, từ đó tiến hành chọnlọc để thu nhận giống mới mang những tính trạng có lợi theo mục tiêu đặt ra

1.5 SINH SẢN VÔ PHỐI

1.5.1 Khái niệm

Sinh sản vô phối là hình thức sinh sản trong đó phôi phát triển từ tế bào của mô sinh sản, không phải là sản phẩm của sự phối hợp giữa nhân của tinh tử với nhân của

tế bào trứng cho dù có thể vẫn có thụ phấn và thụ tinh diễn ra Tế bào phát sinh phôi

có thể là tế bào 2n chưa trải qua phân bào giảm nhiễm hay tế bào n là sản phẩm củaphân bào giảm nhiễm

Sinh sản vô phối giống với sinh sản vô tính ở chỗ có cơ thể con sinh ra không

từ hợp tử là sản phẩm phối hợp vật chất di truyền của hai tế bào mang bộ nhiễm sắcthể n khác giới (có thể được hình thành trên hai cơ khác nhau hay trên cùng một cơthể), mà chỉ từ vật chất di truyền của một tế bào duy nhất

Sinh sản vô phối khác với sinh sản vô tính ở chỗ có cơ thể con sinh ra từ tế bàoxuất phát mang bộ nhiễm sắc thể có thể là 2n hoặc n Trong trường hợp cơ thể consinh ra từ tế bào mang bộ nhiễm sắc thể 2n thì bản chất của sinh sản vô phối hoàn toàngiống với sinh sản vô tính Còn trong trường hợp cơ thể con sinh ra từ tế bào mang bộnhiễm sắc thể n thì sinh sản vô phối có bản chất hoàn toàn khác với sinh sản vô tính

Vì tế bào mang bộ nhiễm sắc thể n là sản phẩm của phân bào giảm nhiễm Cùng đượchình thành từ một cơ thể, loại tế bào này không chỉ có số lượng nhiễm sắc thể bằngmột nửa so với tế bào mang bộ nhiễm sắc thể 2n, mà còn rất khác nhau về thành phần

và cấu trúc nhiễm sắc thể Trong khi đó loại tế bào phát triển thành cơ thể trong sinhsản vô tính có bộ nhiễm sắc thể 2n giống nhau và giống với bộ nhiễm sắc thể của cơthể đầu dòng cả về số lượng, thành phần và cấu trúc nhiễm sắc thể

1.5.2 Các dạng sinh sản vô phối

Dựa vào nguồn gốc tế bào mà từ đó phôi được hình thành, người ta phân sinhsản vô phối thành các dạng:

- Sinh sản không bào tử: Phôi phát triển từ tế bào mẹ của đại bào tử ở trạng thái

2n Ở noãn, tế bào này không phân bào giảm nhiễm mà phát triển theo phân bàonguyên nhiễm để tạo thành phôi Các cây con hình thành giống hệt cây mẹ Trongnoãn có thể diễn ra hai hướng phát triển đồng thời:

+ Tế bào mẹ của đại bào tử phân bào giảm nhiễm để tạo thành tế bào trứng Tế bàotrứng thụ tinh để tạo hợp tử và phát triển thành phôi hữu tính (như sinh sản hữu tínhbình thường)

+ Tế bào mẹ của đại bào tử khác phân bào nguyên nhiễm để tạo thành phôi không bào

tử Kết quả của hiện tượng này là tạo thành hạt đa phôi, ngoài phôi hữu tính còn tìmthấy các phôi hình thành theo con đường không bào tử

Hiện tượng trên quan sát thấy ở nhiều loài thực vật Ví dụ, ở các loài cam quýt,bên cạnh phôi hữu tính có thể tìm thấy các phôi được hình thành theo con đườngkhông bào tử, còn gọi là phôi phụ hay phôi vô tính.

- Sinh sản mẫu sinh: Phôi phát triển từ tế bào trứng mà không có sự kết hợp giữa

nhân của tế bào trứng với nhân của tinh tử Phôi có nguồn gốc di truyền từ mẹ, có thể

là đơn bội hay tự nhị bội Sinh sản mẫu sinh có thể diễn ra theo một trong các conđường sau:

+ Trinh sinh: tế bào trứng phát triển thành phôi mà không có sự thụ phấn, không cótác động của ống phấn và tinh tử

+ Thụ tinh giả: có thụ phấn, song nhân của tinh tử không có khả năng thụ tinh do bịhuỷ bởi các tác nhân lý – hóa nhân tạo hoặc bị thoái hoá Trong trường hợp này thụphấn chỉ có tác dụng kích thích để tế bào trứng phát triển thành phôi mà không có thụtinh

+ Hiện tượng đào thải nhiễm sắc thể sau khi hình thành hợp tử: nhân của tinh tử kếthợp với nhân của tế bào trứng để hình thành hợp tử, nhưng ở lần phân bào nguyênnhiễm đầu tiên của hợp tử, bộ nhiễm sắc thể của tinh tử (của bố) bị đào thải, chỉ còn lại

bộ nhiễm sắc thể của tế bào trứng (của mẹ) Ví dụ, lai lúa mạch trồng với lúa mạchdại, sau khi hình thành hợp tử, bộ nhiễm sắc thể của mạch dại bị đào thải

- Sinh sản không giao tử: Phôi phát triển từ các tế bào khác không phải tế bào

trứng, như trợ bào, tế bào đối cực, nhân tâm, Từ những tế bào này hình thành thểđơn bội hoặc thể nhị bội

- Sinh sản phụ sinh: Phôi mang hệ thống di truyền của bố phát triển thành cơ thể.

Phụ sinh có thể diễn ra theo hai con đường:

+ Tinh tử đi vào tế bào trứng, song nhân của tế bào trứng bị huỷ bởi các tác nhân lý –hóa nhân tạo hoặc bị thoái hoá Bộ nhiễm sắc thể cuả tinh tử tồn tại trong tế bào trứng,

tế bào trứng mang hệ thống di truyền của bố phát triển thành phôi

+ Nuôi cấy tiểu bào tử ở môi trường nhân tạo để thu cây đơn bội Có thể nhị bội hoácây đơn bội để tạo cây nhị bội thuần chủng tuyệt đối

1.5.3 Ý nghĩa của sinh sản vô phối

Thông qua sinh sản không bào tử sẽ tạo được hàng loạt cây con có phẩm chất ditruyền giống hệt cây mẹ ban đầu (hệ thống di truyền không phân ly), có ưu thế hơnhẳn hình thức nhân giống vô tính là khắc phục được những nhược điểm thường xuấthiện trong nhân giống vô tính do những suy thoái về sự thể hiện hệ thống di truyền,như: cây trồng có sức sống kém, sinh trưởng và phát triển kém, tuổi thọ ngắn, hay suythoái do tích luỹ nhiều bệnh virus

Sinh sản vô phối là công cụ để tạo cây đơn bội hay cây nhị bội thuần chủngtuyệt đối có các gen lặn có lợi cho con người được biểu hiện Do đó sinh sản vô phốiđược coi là cơ sở di truyền học hoạt động chọn tạo giống cây trồng.

Sinh sản phụ sinh có ý nghĩa trong nghiên cứu mối quan hệ giữa di truyền nhân

và di truyền tế bào chất trong sự thể hiện của tính trạng

1.6 VÒNG ĐỜI CỦA SINH VẬT

Cuộc sống của cơ thể sinh vật tồn tại ở hai trạng thái gọi là thể đơn bội (tế bào

có bộ nhiễm sắc thể đơn bội) và thể nhị bội (tế bào có bộ nhiễm sắc thể nhị bội) Nhiềusinh vật có sự thay đổi trạng thái đơn bội và nhị bội kế tiếp nhau thành chu kỳ gọi làchu kỳ sống hay vòng đời của sinh vật Những thay đổi trong chu trình sống liên quanchặt chẽ với sự thay đổi nhiễm sắc thể, dẫn đến sự đa dạng các cơ chế di truyền liênquan đến đặc điểm sinh sản của các loài Sự đa dạng các chu kỳ sống ở các nhóm phânloại khác nhau có thể do thời gian kéo dài khác nhau của các pha đơn bội và nhị bội

Hình 1.13 Vòng đời của động vật

- Ở Vi khuẩn: đời sống của vi khuẩn tồn tại ở trạng thái đơn bội (tế bào có một

nhiễm sắc thể dạng vòng), có đời sống nhanh và có tốc độ sinh sản (phân chia) cao.Ngoài ra, ở vi khuẩn có xen kẽ (một tần số nhỏ nào đó) chu kỳ sinh sản hữu tính: khihai tế bào của hai nòi vi khuẩn tiếp hợp với nhau, thông tin di truyền được chuyển từ tếbào nòi cho sang tế bào nòi nhận Trạng thái nhị bội được hình thành, giữa hai nhiễmsắc thể xảy ra sự trao đổi vật chất di truyền, tạo nên các biến dị tổ hợp Sau đó hai tếbào tách rời nhau để trở về trạng thái đơn bội

- Ở nhiều sinh vật đơn bào khác (Tảo, Nấm, ): ngoài các chu kỳ sinh sản vô tính

để hình thành các cơ thể ở trạng thái đơn bội, trong đời sống của chúng có xen kẽ chu

kỳ sinh sản hữu tính: khi hai tế bào của hai nòi khác nhau hợp nhân tạo bộ nhiễm sắcthể 2n Tế bào ở pha nhị bội (hợp tử) có thời gian tồn tại khác nhau ở các nhóm sinhvật đơn bào khác nhau: Tế bào hợp tử phân bào giảm nhiễm ngay hoặc sau một số chu

kỳ sinh sản vô tính tạo nhiều tế bào nhị bội mới tiến hành phân bào giảm nhiễm Saugiảm nhiễm hình thành các bào tử đơn bội, chúng phát triển thành cơ thể đơn bội

- Ở Rêu: bản thân Rêu tồn tại ở trạng thái đơn bội, song trong vòng đời có pha

nhị bội được kéo dài hơn Thể nhị bội của Rêu là túi bào tử, trong đó phân bào giảmnhiễm diễn ra để hình thành các bào tử đơn bội Các bào tử này phát tán và phát triểnthành cây đơn bội

Ta thấy, từ Vi khuẩn cho đến Rêu, pha đơn bội chiếm ưu thế hơn so với pha nhịbội (cá thể trưởng thành tồn tại ở trạng thái đơn bội)

- Ở Dương xỉ: cây phát triển ở trạng thái nhị bội Ở các túi bào tử xảy ra phân bào

giảm nhiễm để hình thành các bào tử Các bào tử phát tán và hình thành những nguyêntản đơn bội lưỡng tính, ở đó hình thành cả tinh trùng và tế bào trứng Sau thụ tinh, hợp

tử phát triển thành cây tồn tại ở trạng thái nhị bội (pha nhị bội dài hơn pha đơn bội)

- Ở thực vật bậc cao: pha đơn bội được rút ngắn hơn nhiều so với Dương xỉ Sau

phân bào giảm nhiễm, các bào tử được hình thành, phát triển để hình thành nên tinh tử

và tế bào trứng Quá trình này xảy ra ở hoa trên cơ thể nhị bội (chiếm thời gian rấtngắn trong vòng đời cá thể) Sau khi thụ tinh, hợp tử hình thành sẽ phát triển thành cơthể nhị bội

- Ở động vật bậc cao và người: pha đơn bội được rút ngắn tối thiểu Sau phân

bào giảm nhiễm giao tử đực và cái được hình thành, chúng kết hợp với nhau để tạothành hợp tử Hợp tử phát triển thành cơ thể

Trạng thái nhị bội là sản phẩm của tiến hoá, vì nó có những ưu thế:

+ Tạo ra nhiều kiểu biến dị tổ hợp, từ đó tạo nên sự đa dạng di truyền rất lớn Khác vớithể đơn bội trong đó các gen trong hệ gen tạo ra sự đa dạng di truyền thông qua độtbiến gen, mà đột biến không gây hại hoặc có lợi xảy ra với tần số rất thấp, do đó trạngthái đơn bội có tính đa dạng di truyền thấp

+ Trạng thái nhị bội đem lại một số lợi ích: các gen lặn có hại có thể được các gen trộilấn át nên không được biểu hiện ra kiểu hình Nhiều kiểu tương tác giữa các gen cùnglocus hay khác locus có thể tạo nên những hiệu quả có giá trị, như: tăng sức sống, tăngkhả năng thích ứng

Với lý do trên mà ở những sinh vật có mức độ tiến hóa càng cao, pha đơn bộicàng được rút ngắn

Hình 1.14 Vòng đời của thực vật bậc cao 1.7 SINH SẢN VÔ TÍNH Ở THỰC VẬT BẬC CAO (SINH SẢN SINH DƯỠNG)

1.7.1 Khái niệm sinh sản sinh dưỡng

Sinh sản sinh dưỡng là hình thức sinh sản mà từ mỗi bộ phận sinh dưỡng của cơthể mẹ phát triển thành cơ thể con hoàn chỉnh

Tập hợp tất cả các cơ thể con sinh ra từ cùng một cơ thể mẹ được gọi là mộtdòng vô tính Còn cơ thể mẹ được gọi là cơ thể đầu dòng

Hình 1.15 Sinh sản vô tính ở thực vật 1.7.2 Cơ chế của sinh sản sinh dưỡng

Tùy thuộc bản chất của bộ phận sinh dưỡng được lấy từ cơ thể mẹ mà từ đó các

cơ thể con được hình thành, người ta chia cơ chế của sinh sản sinh dưỡng thành hailoại:

Bộ phận sinh dưỡng được lấy từ cơ thể mẹ là đỉnh sinh trưởng mang mô phânsinh: Các tế bào của mô phân sinh vẫn giữ được các đặc điểm như các tế bào phôisinh Đó là khả năng sinh sản (phân chia) để làm tăng số lượng tế bào và khả năngphân hóa để tạo nên các loại tế bào mới, từ đó tạo nên các mô mới, các cơ quan mới đểhình thành cơ thể hoàn chỉnh Vì thế, khi gặp điều kiện môi trường sống thuận lợi, từmột đỉnh sinh trưởng (kể cả chồi nách) có thể phát triển thành một cơ thể hoàn chỉnh.Như vậy cơ chế của sinh sản sinh dưỡng trong trường hợp này là sự kết hợp giữa haiquá trình là nguyên phân và phân hóa tế bào.

Bộ phận sinh dưỡng được lấy từ cơ thể mẹ là các bộ phận khác của cây mang

mô chuyên hóa chức năng: Các tế bào của mô chuyên hóa chức năng mất dần các đặcđiểm của các tế bào phôi sinh, đặc biệt là khả năng phân hóa để tạo các loại tế bàomới Vì thế, từ các bộ phận này không thể trực tiếp tạo nên các cơ quan mới để hìnhthành cơ thể sinh vật hoàn chỉnh Để hình thành cơ thể sinh vật gồm đầy đủ các cơquan, trước tiên phải đưa các tế bào của mô chuyên hóa trở về trạng thái tế bào phôisinh (quá trình phản phân hóa tế bào), sau đó các tế bào này mới sinh sản và tái phânhóa Như vậy, cơ chế của sinh sản sinh dưỡng trong trường hợp này là sự kết hợp giữa

ba quá trình: phản phân hóa tế bào, nguyên phân và tái phân hóa tế bào

1.7.3 Ý nghĩa của sinh sản sinh dưỡng

Giúp cho thực vật tái tạo thế hệ sau mà không cần có sự hiện diện của cá thểthứ hai, giúp những quần thể thực vật có mật độ quá thấp sinh sản nhanh chóng

Làm tăng hiệu suất sinh sản do không tốn năng lượng cho hoạt động tạo giao tử

và thụ tinh

Sinh sản sinh dưỡng cho phép phát triển nhanh một kiểu gen đã thích nghi caovới môi trường sống Tuy nhiên nếu môi trường thay đổi đột ngột theo hướng bất lợithì mọi cá thể của quần thể sẽ chịu một tác động như nhau và có thể bị tiêu diệt hàngloạt

Sinh sản sinh dưỡng là cơ sở của nhân giống sinh dưỡng - phương pháp sảnxuất hàng loạt cây con có phẩm chất di truyền giống hệt nhau và giống hệt phẩm chất

di truyền của cây đầu dòng được tuyển chọn cẩn thận

Nhân giống sinh dưỡng có thể được tiến hành theo hình thức giâm hom haynuôi cấy mô - tế bào Vì cây trồng được nhân theo các hình thức này có độ trẻ cao hơn,sinh trưởng và phát triển tốt hơn, dẫn đến cho sinh khối cơ thể nhiều hơn, nên thườngđược áp dụng để nhân giống cho các đối tượng có mục tiêu kinh doanh là sinh khốicác cơ quan sinh dưỡng (lá, cành, thân, vỏ, rễ, củ)

Nhân giống sinh dưỡng còn có thể được tiến hành theo hình thức chiết cành hayghép cây Vì cây trồng được nhân theo các hình thức này nhanh ra hoa- kết quả, có

dụng để nhân giống cho các đối tượng có mục tiêu kinh doanh là thu nhận các cơ quansinh sản (quả- hạt).

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ PHÂN TỬ CỦA DI TRUYỀN

2.1 NHỮNG TIÊU CHUẨN CỦA VẬT CHẤT DI TRUYỀN

Vật chất di truyền có vai trò quan trọng nhất trong hoạt động sống của tế bào vàcủa cơ thể, vì thế nó phải thỏa mãn các tiêu chuẩn cơ bản sau:

Lưu trữ được toàn bộ thông tin cần thiết để điều khiển những kiểu cấu trúc vàhoạt động trao đổi chất đặc trưng của tế bào cũng như của cơ thể, được gọi là các tínhtrạng của cơ thể Trong đó các tính trạng ở những sinh vật khác nhau là rất khác nhau

Có khả năng tái bản một cách chính xác để thông tin di truyền được truyền đạtnguyên vẹn qua các thế hệ

Có khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, khi đã biến đổi thông tin phảiđược ổn định và được di truyền

Có tiềm năng tự sửa sai

2.2 BẰNG CHỨNG VỀ VAI TRÒ MANG THÔNG TIN DI TRUYỀN CỦA

ADN

2.2.1 Thí nghiệm về hiện tượng biến nạp ở vi khuẩn

Năm 1928, F Griffith đã tiến hành thí nghiệm với đối tượng là chuột và 2 nòi

vi khuẩn Diplococcus pneumoniae, trong đó nòi R không có vỏ polysacarit nên không

gây bệnh, còn nòi S có vỏ polysacrit nên gây bệnh viêm phổi ở chuột

Khi tiêm cho chuột riêng rẽ vi khuẩn R và vi khuẩn S đã bị chết do nhiệt thìchuột không bị nhiễm bệnh Trộn vi khuẩn R sống với vi khuẩn S chết vì nhiệt, ủ mộtthời gian, sau đó tiêm cho chuột thì chuột bị chết vì viêm phổi Lấy máu của chuộtchết đem phân tích thu được vi khuẩn S sống có vỏ polysacarit đặc trưng Vì vi khuẩn

S chết không thể sống lại được, nên chỉ có thể có một tác nhân nào đó (sau này gọi làtác nhân biến nạp) từ vi khuẩn chết biến nạp vi khuẩn R thành vi khuẩn S (đều lànhững cấu trúc sống) Quá trình này gọi là quá trình biến nạp

Năm 1944, O T Avery cùng đồng nghiệp đã chứng minh được rằng tác nhânbiến nạp là ADN vì nó có khả năng biến vi khuẩn R không có vỏ polysacrit thành vikhuẩn S có vỏ polysacrit và hiện tượng này chỉ mất đi khi tác nhân biến nạp tách ra từ

vi khuẩn S được xử lý bằng deoxyribonuclease – một loại enzym phân hủy ADN

Từ kết quả các thí nghiệm có thể khẳng định rằng ADN là vật chất mang thôngtin về cấu trúc và hoạt tính của vỏ polysacarit ở vi khuẩn S và được truyền từ vi khuẩn

S chết vì nhiệt sang vi khuẩn R Trong tế bào vi khuẩn R, thông tin này được sử dụnglàm khuôn mẫu để tổng hợp nên sản phẩm tạo vỏ polysacarit đặc trưng cho vi khuẩn S,nhờ vậy mà đã biến vi khuẩn R thành vi khuẩn S Vậy ADN chính là vật chất di truyền

ở vi khuẩn

Hình 2.1 Thí nghiệm biến nạp của Griffith 2.2.2 Thí nghiệm về sự xâm nhập của phage vào vi khuẩn

Năm 1952, A.Hershey và M.Chase đã tiến hành thí nghiệm với phage T2 xâm

nhập vi khuẩn E.coli với các nội dung sau:

Cho phage T2 xâm nhiễm vi khuẩn E.coli, chúng gắn lên bề mặt bên ngoài tế

bào vi khuẩn và bơm một chất nào đó vào tế bào vi khuẩn Sau khoảng 20 phút, tế bào

vi khuẩn tan ra và giải phóng nhiều phage mới Như vậy, chất được bơm vào tế bào vikhuẩn có vai trò mang thông tin về cấu trúc cơ thể phage Trong tế bào vi khuẩn, thôngtin này được sử dụng làm khuôn mẫu để tổng hợp nên sản phẩm tạo các phage mới.Chất được bơm đó chính là vật chất di truyền của phage

Vì phage T2 có cấu tạo đơn giản, chỉ gồm vỏ protein bên ngoài bao quanh lõiADN bên trong, nên chất được phage bơm vào vi khuẩn chỉ có thể là ADN hayprotein Vì ADN là phân tử chứa nhiều P (phospho) và không chứa S (lưu huỳnh), cònprotein lại chứa S mà không chứa P, nên có thể phân biệt ADN và protein nhờ cácđồng vị phóng xạ của hai nguyên tố này (32P và 35S)

Trước tiên nuôi vi khuẩn trên môi trường có chứa 32P và 35S để cho các nguyên

tố phóng xạ này thâm nhập vào tế bào vi khuẩn Cho phage xâm nhiễm vi khuẩnphóng xạ để sản sinh các phage mới có ADN chứa 32P và protein chứa 35S Cho phage

phóng xạ xâm nhiễm vi khuẩn không phóng xạ trong một khoảng thời gian ngắn (đủ

để bám lên bề mặt tế bào vi khuẩn và bơm một chất nào đó vào tế bào vi khuẩn) Sau

đó đem lắc mạnh và ly tâm dung dịch chứa vi khuẩn và phage để tách phage khỏi vikhuẩn Phân tích phần nằm ngoài tế bào vi khuẩn cho thấy nó chứa nhiều 35S và ít 32P,chứng tỏ phần lớn protein của phage nằm ngoài tế bào vi khuẩn Phân tích phần trong

tế bào vi khuẩn cho thấy nó chứa nhiều 32P và ít 35S, chứng tỏ ADN của phage đã đượcbơm vào tế bào vi khuẩn

Kết quả thí nghiệm chứng tỏ ADN là vật chất di truyền của phage

2.3 CẤU TRÚC CỦA AXIT NUCLEIC

2.3.1 Cấu trúc của ADN

2.3.1.1 Cấu trúc hóa học của ADN

ADN là một đại phân tử, cấu tạo từ các đơn vị cơ sở là nucleotit Một nucleotitgồm ba thành phần: phân tử đường Deoxyribose, phân tử axit photphoric và gốc bazơnitơ Có 4 loại bazơ nitơ là: Adenin, Guanin, Cytosin và Thymin, trong đó Adenin vàGuanin thuộc nhóm bazơ nitơ có kích thước lớn gọi là purin, còn Cytosin và Thyminthuộc nhóm bazơ nitơ có kích thước nhỏ gọi là pyrimidin Do các nucleotit chỉ khácnhau bởi gốc bazơ nitơ, nên tên của 4 loại nucleotit được gọi theo tên của bazơ nitơtương ứng:

Deoxyadenozin - 5’ monophosphat (dAMP), gọi tắt là A

Deoxyguanozin -5’ monophosphat (dGMP), gọi tắt là G

Deoxycytidin -5’ monophosphat (dCMP), gọi tắt là C

Deoxythymidin -5’ monophosphat (dTTP), gọi tắt là T

Hình 2.2 Cấu tạo của các loại nucleotit

Các thành phần trong nucleotit được liên kết với nhau theo nguyên tắc: Phân tửaxit photphoric liên kết với phân tử đường tại vị trí C số 5, tạo nên đầu 5’- photphat(5’P) của nucleotit để liên kết với nucleotit lân cận Gốc bazơ nitơ liên kết với phân tửđường tại vị trí C số 1 Nhóm OH tại vị trí số 3 của phân tử đường tạo nên đầu liên kếtthứ hai (đầu 3’OH) của nucleotit.

Đầu 5’P của nucleotit này liên kết với đầu 3’OH của nucleotit trước đó quanhóm photphat, nên được gọi là liên kết photphodieste để tạo nên chuỗi polynucleotitđịnh hướng theo chiều 5’P → 3’OH Nghĩa là chuỗi polynucleotit chỉ được kéo dàitheo hướng 5’P → 3’OH

Hình 2.3 Liên kết giữa các nucleotit trong một mạch đơn polynucleotit

2.3.1.2 Cấu trúc không gian của ADN

Được J D Watson và F H.C Crick phát hiện vào năm 1953, với các nội dungsau:

Phân tử ADN gồm hai sợi polynucleotit cuốn quanh nhau tạo thành chuỗi xoắnkép Hai sợi này liên kết với nhau bằng các liên kết hydro giữa từng cặp nucleotit đốidiện nhau theo nguyên tắc bổ sung: A (có bazơ nitơ thuộc nhóm kích thước lớn) củasợi này liên kết với T (có bazơ nitơ thuộc nhóm kích thước nhỏ) của sợi kia bằng hailiên kết hydro, G (có bazơ nitơ thuộc nhóm kích thước lớn) của sợi này liên kết với C(có bazơ nitơ thuộc nhóm kích thước nhỏ) của sợi kia bằng ba liên kết hydro

Hình 2.4 Liên kết giữa các nucleotit bổ sung trong chuỗi xoắn kép ADN

Phân tử ADN xoắn theo hướng phải, mỗi vòng xoắn gồm 10 cặp nucleotit, dài3,4 nm, như vậy hai bazơ nitơ cạnh nhau trên một sợi cách nhau 0,34nm Các vòngxoắn nối tiếp nhau và cuốn quanh một trục dọc chung Các phân tử đường và axitphotphoric sắp xếp xen kẽ nhau tạo thành bộ khung cuốn quanh phía ngoài; các cặpbazơ nitơ bổ sung tồn tại phía trong, nằm ngang vuông góc với trục Hai sợi của chuỗixoắn kép có chiều ngược nhau, một sợi có chiều 5’P → 3’OH, còn sợi kia có chiềungược lại (3’OH → 5’P)

Hình 2.5 Cấu trúc không gian của chuỗi xoắn kép ADN

Ngoài dạng cấu trúc không gian trên, còn có một số dạng cấu trúc khác củaADN, như dạng xoắn theo hướng trái, thường gặp ở vùng giàu G - C Việc phát hiệncác dạng ADN khác nhau cho thấy ADN trong tế bào sống có thể không đơn điệu vớimột cấu trúc duy nhất mà tuỳ trạng thái sinh lý có thể ở dạng này hay dạng khác

Từ cấu trúc hóa học và cấu trúc không gian của ADN nhận thấy phân tử ADN

có một số đặc điểm quan trọng cần lưu ý:

+ Đường kính của các phân tử ADN luôn là 2nm; còn chiều dài lại rất khác nhau, cóthể đạt hàng chục, thậm chí hàng trăm micromet