Trong thí nghiệm của Morgan, nếu các cơ thể F1 đem lai phân tích là con cái:
Bên cạnh một số lần lặp vẫn cho kết quả như ở trường hợp có hiện tượng liên kết hoàn toàn, thì trong nhiều lần lặp khác lại xuất hiện bốn loại kiểu hình với tỷ lệ:
F1 ♀ F1 (thân xám, cánh dài) x ♂ thân đen, cánh cụt
Fb 41,5% thân xám, cánh dài
41,5% thân đen, cánh cụt 8,5% thân xám, cánh cụt
8,5% thân đen, cánh dài
Trong trường hợp này, ruồi cái F1 ( ) không phải chỉ cho hai loại giao tử là AB và ab như ở trường hợp liên kết hoàn toàn, mà còn cho thêm hai loại giao tử mới là Ab và aB, nhưng với tỷ lệ thấp hơn (mỗi loại chỉ chiếm 8,5%). Hai loại giao tử này được hình thành do tính chất liên kết không hoàn toàn giữa gen A và B, cũng như giữa gen a và b. Hai gen B và b đã có sự đổi chỗ cho nhau nhờ sự trao đổi chéo của cặp nhiễm sắc thể xảy ra ở vị trí nào đó nằm trong khoảng giữa hai cặp gen Aa và Bb.
Sơ đồ lai: P ♀ (thân xám, cánh dài) x ♂ (thân đen, cánh cụt) G ♀: 41,5% AB , 8,5%Ab, 8,5% aB, 41,5% ab ♂: 100% ab
Fb ♀: 41,5% , 8,5% , 8,5% , 41,5%
Phân ly KH: 41,5% xám, dài;; 8,5% xám, cụt; 8,5% đen, dài; 41,5% đen, cụt 3.8.2.2. Tái tổ hợp và trao đổi chéo
Hiện tượng hai alen của từng cặp gen trên cặp nhiễm sắc thể tương đồng đổi chỗ cho nhau nhờ kết quả trao đổi chéo nhiễm sắc thể dẫn đến các cặp gen trên cùng một cặp nhiễm sắc thể được tổ hợp lại theo các thể thức khác được gọi là hiện tượng tái tổ hợp. Ví dụ: alen B và alen b của cặp gen Bb đổi chỗ cho nhau đã làm cho các cặp gen Aa và Bb được tổ hợp lại. Thay vì hai loại giao tử mang hai tổ hợp gen vốn có AB và ab là hai loại giao tử mang các tổ hợp gen mới Ab và aB. Đây là hai loại giao tử có tái tổ hợp. Tần số xuất hiện của hai loại giao tử có tái tổ hợp được gọi là tần
số tái tổ hợp. Trong thí nghiệm trên, tần số tái tổ hợp giữa các gen quan tâm là 8,5%Ab + 8,5% aB = 17%.
Hình 3.6. Cơ sở tế bào học của tái tổ hợp
Điều kiện để có tái tổ hợp là phải có trao đổi chéo xảy ra ở cặp nhiễm sắc thể tương đồng chứa hai gen quan tâm và vị trí trao đổi chéo phải nằm trong khoảng giữa hai gen đó. Do sự trao đổi chéo chỉ xảy ra giữa hai cromatit không chị em nằm kề nhau trong bốn cromatit của mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng trong quá trình tiếp hợp, nên khi có tái tổ hợp xảy ra thì trong bốn giao tử được hình thành từ mỗi tế bào sinh dục sơ khai chỉ có hai giao tử có tái tổ hợp. Như vậy, khi một tế bào sinh dục sơ khai phân bào giảm nhiễm có tái tổ hợp sẽ hình thành giao tử với tần số tái tổ hợp bằng 50%.
Còn khi một tế bào sinh dục sơ khai phân bào giảm nhiễm không có tái tổ hợp (có vị trí trao đổi chéo nhiễm sắc thể không nằm trong khoảng giữa hai gen quan tâm) sẽ hình thành giao tử với tần số tái tổ hợp bằng 0%. Vì hai gen quan tâm là hai gen bất kỳ trên nhiễm sắc thể và vị trí trao đổi chéo trên cặp nhiễm sắc thể lại hoàn toàn ngẫu nhiên, nên tỷ lệ tế bào sinh dục sơ khai có vị trí trao đổi chéo nằm trong khoảng giữa hai gen này phụ thuộc chặt chẽ vào độ dài khoảng cách giữa chúng. Trường hợp khoảng cách giữa hai gen bằng đúng chiều dài cặp nhiễm sắc thể (hai gen nằm ở hai đầu mút của cặp nhiễm sắc thể) thì sẽ có 100% tế bào có vị trí trao đổi chéo nằm trong khoảng giữa hai gen và 0% tế bào có vị trí trao đổi chéo không nằm trong khoảng giữa hai gen. Tần số xuất hiện giao tử có tái tổ hợp được cơ thể hình thành sẽ là: 50% x 100% + 0% x 0% = 50%. Trường hợp khoảng cách giữa hai gen quan tâm trên nhiễm sắc thể giảm thì tỷ lệ tế bào sinh dục sơ khai có vị trí trao đổi chéo nằm trong khoảng giữa chúng giảm và tỷ lệ tế bào sinh dục sơ khai có vị trí trao đổi chéo không nằm trong khoảng giữa chúng tăng, dẫn đến tần số xuất hiện giao tử có tái tổ hợp được cơ thể hình thành giảm. Khi hai gen quan tâm nằm kề nhau trên cặp nhiễm sắc thể thì tỷ lệ tế bào sinh dục sơ khai có vị trí trao đổi chéo nằm trong khoảng giữa chúng xấp xỉ bằng 0% và tỷ lệ tế bào sinh dục sơ khai có vị trí trao đổi chéo không nằm trong
khoảng giữa chúng xấp xỉ bằng 100%, dẫn đến tần số xuất hiện giao tử có tái tổ hợp được cơ thể hình thành sẽ xấp xỉ 50% x 0% + 100% x 0% = 0%. Như vậy, tần số tái tổ hợp phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai gen trên nhiễm sắc thể và có giá trị nằm trong khoảng từ O% đến 50%. Hai gen nằm càng gần nhau trên nhiễm sắc thể thì khả năng trao đổi chéo xảy ra ở vị trí giữa chúng càng thấp, dẫn đến khả năng tái tổ hợp giữa chúng càng nhỏ và ngược lại. Trên cơ sở đó có thể nhận thấy, từ tần số tái tổ hợp có thể suy ra khoảng cách giữa các gen và do đó Morgan đã đề nghị xem tần số tái tổ hợp là số đo biểu diễn khoảng cách giữa các gen trên nhiễm sắc thể. Để tỏ lòng kính trọng đối với Morgan, A.C. Xerebrovski đã đề nghị gọi đơn vị biểu diễn khoảng cách giữa các gen trên nhiễm sắc thể là đơn vị Morgan (Morganit, kí hiệu là M). Trong đó, 1 đơn vị tái tổ hợp (1% tái tổ hợp) = 1 centiMorgan (cM), 10% tái tổ hợp = 1 deciMorgan (dM) và 100% tái tổ hợp = 1 Morgan (M). Vì chiều dài của các cặp nhiễm sắc thể là không như nhau, trong khi khoảng cách giữa hai gen xa nhau nhất trên bất kỳ cặp nhiễm sắc thể nào cũng xấp xỉ là 50%. Vì thế mà khoảng cách giữa các gen tính theo đơn vị tái tổ hợp chỉ có nghĩa giới hạn cho từng cặp nhiễm sắc thể (ý nghĩa tương đối).
Trong thí nghiệm ở ruồi giấm của Morgan, do hai gen quy định tính trạng màu sắc thân và kích thước cánh cùng nằm trên một cặp nhiễm sắc thể với khoảng cách bằng 17 đơn vị tái tổ hợp, tương ứng với 34 % độ dài của cặp nhiễm sắc thể. Vì các phần của nhiễm sắc thể đều có khả năng trao đổi chéo như nhau nên có 34% số tế bào sinh dục sơ khai của cơ thể thực hiện phân bào giảm nhiễm có trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra ở khoảng giữa hai gen này. Vậy tỷ lệ giao tử có tái tổ hợp gen được cơ thể hình thành sẽ là 34% x 50% + 66% x 0% = 17% . Suy ra % Ab + % aB = 17%. Vậy % Ab = % aB = 17%/2 = 8,5%; % AB = % ab = 100% - ( 17% Ab + 17% aB) = 41,5%.
Nếu kiểu gen dị hợp tử liên kết không hoàn toàn tồn tại ở dạng trans ( ) thì các loại giao tử có tái tổ hợp gen lại là AB và ab. Như vậy kết quả của phân bào giảm nhiễm sẽ cho: % AB = % ab = 17%/2 = 8,5%; còn % Ab = % aB = 100% - ( 17% AB+
17% ab) = 41,5%.
Khi nói tới hiện tượng liên kết không hoàn toàn cần chú ý một số điểm sau:
- Trao đổi chéo nhiễm sắc thể xảy ra ở kỳ đầu của phân bào giảm nhiếm 1 là hiện tượng khá phổ biến ở sinh vật giao phối. Tuy nhiên, không phải ở tất cả các loài đều có và ở loài có thì không phải ở cả hai giới đều có. Ví dụ, ở ruồi giấm có hiện tượng trao đổi chéo xảy ra ở cặp nhiễm sắc mang các gen quy định các tính trạng màu sắc thân và kích thước cánh, song lại chỉ xảy ra ở giới cái.
- Trao đổi chéo nhiễm sắc thể phụ thuộc vào hoàn cảnh sống của sinh vật. Ví dụ, ở ruồi giấm chỉ có hiện tượng trao đổi chéo xảy ra ở một số lần lặp của phép lai phân tích hay của phép phân tích cơ thể lai.
- Khi thỏa mãn các điều kiện thì trao đổi chéo nhiếm sắc thể xảy ra ở mọi cơ thể thuộc các thế hệ khác nhau, có kiểu gen khác nhau và bao giờ cũng đều dẫn đến tái tổ hợp. Tuy nhiên:
+ Chỉ có tái tổ hợp xảy ra đối với những gen quy định các tính trạng quan tâm mới được phát hiện.
+ Chỉ có tái tổ hợp xảy ra đối với những kiểu gen dị hợp tử đồng thời theo cả hai gen mới có ý nghĩa (làm thay đổi kết quả lai). Điều này giải thích vì sao khi Morgan cho ruồi giấm F1 lai phân tích thì chỉ có ở phép lai nghịch (ruồi cái đem lai là F1 có kiểu gen ) mới phát hiện được có hiện tượng tái tổ hợp xảy ra. Mặc dù ở phép lai thuận có thể vẫn có hiện tượng này xảy ra, song lại chỉ xảy ra ở các cơ thể cái có kiểu gen , nên không làm thay đổi kết quả lai. Tương tự như thế, ở thế hệ xuất phát có thể vẫn có tái tổ hợp xảy ra ở ruồi mẹ. Song do ruồi mẹ thuần chủng có kiểu gen có kiểu gen hay , nên không làm thay đổi kết quả lai ở thế hệ F1 so với trường hợp liên kết hoàn toàn.
3.8.2.3. Đa trao đổi chéo và hiện tượng nhiễu
Trong quá trình tiếp hợp, mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng có 4 cromatit và thường có ít nhất một hình chéo - biểu hiện nhìn thấy của trao đổi chéo. Các nhiễm sắc thể càng dài thì càng có nhiều hình chéo. Trao đổi chéo giữa hai cromatit không chị em có thể xảy ra ở nhiều hơn một vị trí được gọi là đa trao đổi chéo.
Giữa hai gen quan tâm có thể xảy ra đa trao đổi chéo với số lần lẻ (1,3,5,...) hay với số lần chẵn (2,4,6,...), song chỉ có đa trao đổi chéo xảy ra với số lần lẻ mới dẫn đến tái tổ hợp. Trong trường hợp này thì 3, 5, 7,... trao đổi chéo vẫn cho kết quả như một trao đổi chéo.
Hiện tượng đa trao đổi chéo xảy ra đồng thời trên một cặp nhiễm sắc thể bị cản trở bởi hiện tượng nhiễu. Đó là hiện tượng mà sự hình thành hình chéo ở một vị trí nào đó trên cặp nhiễm sắc thể có ảnh hưởng hạn chế sự hình thành hình chéo thứ hai gần kề.
Hiệu quả của hiện tượng nhiễu được đánh giá bằng hệ số trùng hợp hoặc hệ số nhiễu. Hệ số trùng hợp = (% hình chéo đôi quan sát được)/( % hình chéo đôi theo lý thuyết). Còn hệ số nhiễu = 1- hệ số trùng hợp.
Ví dụ: tần số xuất hiện trao đổi chéo đôi giữa hai gen quan tâm theo lý thuyết là 2%, còn số hình chéo đôi thực tế quan sát được là 1,6%. Khi đó hệ số trùng hợp sẽ là 1,6%/2% = 0,8; nghĩa là trao đổi chéo đôi thực tế chỉ xảy ra 80%, giảm 20% so với lý thuyết do ảnh hưởng của nhiễu.
3.8.2.4. Ý nghĩa của liên kết không hoàn toàn
Nếu sự phân ly độc lập và tổ hợp tự do của các cặp nhiễm sắc thể tương đồng là cơ chế hình thành nên các loài giao tử mới với những tổ hợp mới của các gen thuộc các cặp nhiễm sắc thể tương đồng khác nhau thì hiện tượng liên kết không hoàn toàn lại là cơ chế hình thành nên các loại giao tử mới với những tổ hợp mới của các gen thuộc cùng một cặp nhiễm sắc thể. Do đó có thể nói, hiện tượng liên kết không hoàn toàn là cơ chế làm tăng khả năng phát sinh biến dị tổ hợp, từ đó làm tăng tính đa dạng của sinh vật sinh sản hữu tính, làm nguồn nguyên liệu cho quá trình tiến hóa và chọn giống.
Nhờ có tái tổ hợp gen mà gen quý có ý nghĩa kinh tế trên các nhiễm sắc thể khác nhau (các nhóm liên kết với nhau) có thể tổ hợp với nhau làm thành một nhóm liên kết mới. Điều này rất có ý nghĩa cho công tác chọn tạo giống.