Ebook Cơ sở di truyền chọn giống thủy sản: Phần 2

Chương 6 DI TRUYỀN QUA TẾ BÀO CHẤT VÀ ẢNH HƯỞNG CỦA DÒNG MẸ Kể từ khi người ta xác định được ADN và nhiễm sắc thể trong nhân tế bào, chúng ta đó thấy khá rõ vai trò của ADN và nhiễm sắc thể trong việc di truyền các đặc điểm/tính trạng của loài, nòi, giống, . . . qua các thế hệ. Thế nhưng mọi hoạt động sống của cơ thể sinh vật lại diễn ra trong tế bào chất của tế bào như sinh tổng hợp protein, trao đổi chất, các quá trình sinh hoá khác, . . .. Hơn thế nữa người ta cũng đã phát hiện ra một số dạng ADN có trong một số nội bào quan trong tế bào chất của tế bào, người ta đó gọi các nhân tố này là hệ thống plasmagen. Ty thể và lạp thể là những bào quan có chứa vật chất di truyền (ADN), do vậy chúng có bộ máy sinh tổng hợp protein riêng. Có người đã ví von, nếu xem vai trò của ADN và nhiễm sắc thể (hay nhân tế bào) như là chính phủ Trung ương điều hành các hoạt động chính của đất nước thì những gì mà các thành phần ADN trong tế bào chất thực hiện cũng giống như vai trò của chính quyền địa phương trong một đất nước. Trong phần này chúng ta hãy cùng nhau xem xét vai trò của tế bào chất trong di truyền. Những đặc điểm cơ bản của di truyền tế bào chất Nhân và tế bào chất của tế bào là một thể thống nhất của tế bào sống. Vật chất di truyền cơ bản nằm trong nhân tế bào (>99%), tuy nhiên các thành phần trong tế bào chất cũng có chứa một ít vật liệu di truyền. Vì vậy cần rút ra những đặc điểm cơ bản của di truyền tế bào chất để phân biệt tính di truyền ngoài nhân (trong tế bào chất) với tính di truyền trong nhân. - Về cơ bản, hợp tử thu nhận tế bào chất qua mẹ (tế bào trứng), vì thế phương pháp lai thuận nghịch cho phép ghi nhận ảnh hưởng di truyền của tế bào chất. Khi tiến hành lai thuận nghịch (dạng mẹ A bố B - lai thuận, dạng mẹ B với bố A - lai nghịch), những sai khác về kết quả của sự biểu hiện tính trạng ở các con lai cho phép nhận xét đánh giá ảnh hưởng của dạng mẹ tới sự biểu hiện của tính trạng. - Những tính trạng do các gen ở ty thể, lạp thể (và các thể cộng sinh ở tế bào chất - vi khuẩn, virus) kiểm tra, về cơ bản được di truyền theo hệ mẹ. Chúng sẽ được phân biệt với các tính trạng do các nhân tố di truyền trong nhân kiểm soát nhờ phép lai thuận nghịch. - Sự di truyền của các yếu tố di truyền trong tế bào chất không có các quy luật rõ ràng như do các yếu tố di truyền trong nhân kiểm soát. Vì trong quá trình phân bào không có sự phân chia đồng đều về thành phần của các bào quan ở tế bào chất cho các giao tử như trường hợp phân chia nhiễm sắc thể trong nhân tế bào. Hình 6.1. Lá bị khảm ở cây Mirabilis jalapa - Trên cơ sở đa bào có thể xẩy ra trường hợp hình thành thể khảm theo biểu hiện của tính trạng do các gen trong tế bào chẩt kiểm tra. Điều đó xẩy ra là do sự phân bố ngẫu nhiên 152 các thành phần mang gen ở tế bào chất cho các tế bào con trong quá trình phân bào, từ đó dẫn tới hiện tượng lá bị khảm (hình 7.1). - Số lượng bào quan mang vật chất di truyền ở bào chất thường là rất lớn và biến động. Khi xẩy ra đột biến ở những bào quan bình thường cùng loại, các đột biến ở tế bào chất có thể bị mất đi một cách nhanh chóng. - Nhiều bằng chứng đã cho thấy, các yếu tố di truyền ở tế bào chất có mối quan hệ mật thiết với các yếu tố di truyền trong nhân tế bào. Sử dụng phương pháp thay thế nhân thực nghiệm có thể làm sáng tỏ sự ảnh hưởng tương đối của nhân và bào chất trong sự biểu hiện của kiểu hình của tính trạng. Sự di truyền của lạp thể Nhiều dạng thực vật có dạng lá sọc, ở chúng trên lá xanh có sự xen kẻ bởi các vệt sọc trắng hoặc vàng. Đó là các vùng mô không chứa hoặc chứa rất ít các lạp thể, hay các lạp thể bị hỏng không có chlorophil. Correns (1908) và nhiều tác giả khác đã nghiên cứu sự di truyền của các đốm đặc biệt trên lá cây hoa phấn Mirabilis jalapa và cây hoa mõm chó Antirrium majus. Trên nền lá của cây Mirabilis jalapa có những chấm xanh nhạt hay chấm trắng, thậm chí là có những cành có lá hoàn toàn xanh và có những cành lá hoàn thành mất sắc tố (màu trắng). Màu trắng (lá bạch tạng) của lá là do lục lạp bị đột biến nên mất khả năng tạo thành diệp lục tố và vì vậy mà không thể có màu xanh khi tiếp xúc với ánh sáng. Khi sinh sản hữu tính, hoa xuất hiện từ các cành lá có màu xanh sẽ cho ra hạt mà sau đó đem gieo sẽ mọc ra cây có lá xanh, hoa xuất hiện từ cành có lá màu trắng sẽ cho ra hạt mà sau đó nếu đem giao sẽ mọc ra cây có lá trắng và những cây có lá màu trắng này sẽ nhanh chóng bị chết vì không quang hợp được nên không có dinh dưỡng nuôi cây. Hoa xuất hiện từ các cành có lá đốm sẽ cho ra các hạt mà sau đó nếu đem gieo sẽ mọc ra cây có lá đốm (xanh trắng xen kẽ). Khi cây có hoa ta tiến hành thụ phấn nhân tạo (tiến hành lai thuận nghịch), trường hợp hoa của dạng bạch tạng làm mẹ được thụ phấn bởi hoa của dạng bình thường thì thế hệ F1 xuất hiện toàn bộ dạng bạch tạng (sau một thời gian thì chúng bị chết, vì chúng không có khả năng quang hợp). Khi tiến hành lai ngược lại, hoa của dạng xanh làm mẹ được thụ phấn bởi dạng bạch tạng, thu được toàn bộ cây F1 thuộc dạng xanh bình thường. Như vậy màu sắc của lá đời sau ở đây đó được quy định bởi dòng mẹ. Trường hợp hoa của dạng sọc làm mẹ được thụ phấn của dạng xanh, các cây F1 hình thành 3 dạng khác nhau: Xanh, sọc, bạch tạng. Khi tiến hành lai ngược lại, đã thu được toàn bộ cây F1 thuộc dạng xanh. Những kết quả trình bày ở trên là ví dụ điển hình về sự di truyền theo hệ mẹ, ở đó chúng ta đã quan sát thấy sự sai khác tương phản rõ rệt giữa kết quả của lai thuận nghịch. Ở thực vật bậc cao, trong tế bào của lá chứa hàng chục lạp thể, chúng có dạng hình quả trứng hoặc hình đĩa, sinh sản bằng cách phân chia. Trong bóng tối lạp thể không có màu, khó phân biệt với bạch lạp và một vài lạp khác. Khi ở ngoài ánh sáng lạp thể có màu xanh và được gọi là lúc lạp. Lạp thể bị đột biến mất khả năng tạo thành lục tố, sự mất khả năng này được duy trì ổn định trong các thế hệ sau đã có sự phân chia nhiều lần của các lạp thể đã bị đột biến. Do vậy, dù đột biến chỉ xẩy ra ở một lạp thể cũng làm xuất hiện nhiều tế bào chứa hỗn hợp các lục lạp bình thường và lục lạp bị đột biến với các tổ hợp rất khác nhau "xanh" và "trắng" do sự phân chia độc lập của lạp thể theo phương thức phân bào nguyên nhiễm. Trong các quá trình phân chia tế bào các lạp thể được phân bố vào các tế bào con một cách thụ động 153 nên tỷ lệ xanh và trắng trong các tế bào vào các tế bào con thường xuyên thay đổi. Kết quả cho ra những tế bào chỉ gồm lạp thể trắng hoặc chỉ có lạp thể xanh, làm xuất hiện những vùng hoàn toàn trắng, hoàn toàn xanh hoặc đốm trắng xanh lẫn lộn. ADN lạp thể Lạp thể có nhiều dạng khác nhau (lục lạp, sắc lạp, bột lạp). Trong cơ thể của một số loài, genom của các lạp thể giống nhau. Vì thế các nghiên cứu về genom của lạp thể được tập trung vào cấu trúc của ADN ở lục lạp - dạng quan trọng nhất của nhóm lạp thể. ADN của lạp thể có dạng vòng gần giống với ADN của vi khuẩn. Ở thực vật bậc cao cp-ADN có kích thước từ 120-160Kb. Ở tảo phạm vi biến động của cp-ADN rộng hơn: từ 85-292Kb (1 Kb = 1.000 đôi nucleotit). Đặc biệt ở các loài tảo thuộc chi Acetabularia có các cp-ADN rất lớn, khoảng 20.000Kb (song chưa rõ ADN này có cấu trúc dạng thẳng hay dạng vòng). Các phân tích về cp-ADN cho thấy, lục tạp thường chứa nhiều bản sao cp-ADN. Trong mỗi lục tạp ở thực vật bậc cao thường có khoảng 30-60 bản sao cp-ADN. Ở tảo, số bản sảo trong mỗi lục tạp tăng hơn bào lông roi Eugbena gracilic chứa khoảng 15 lục tạp, mỗi lục tạp có khoảng 40 bản sao cp-ADN (1 bản cp-ADN dài 126Kb), tổng số ở mỗi cơ thể có tới 6.000 bản. Nhóm gen liên kết ở các lục lạp của cơ thể về cơ bản là giống nhau, các gen ở cp-ADN có thể xếp vào 2 nhóm chính. 1. Những gen mã hoá các thành phần của bộ máy sinh tổng hợp protein lục lạp: Các tiểu phần của ARN-polymerase, các ARN-riboxom (các riboxom của lục lạp có cấu tạo tương tự như các roboxom ở sinh vật nhân sơ), bộ tARN. Như vậy, lục lạp có khả năng tự tổng hợp được các protein riêng cho mình. 2. Những gen quy định nhiều thành phần của bộ máy quang hợp: Các hệ quang hợp I và H, các chuỗi vận chuyển điện tử cp-ADN còn kiểm tra một số quá trình tạo màng của lục lạp. Ngoài ra ở lục lạp còn có một số gen chống chịu, . . .. Genom của lục lạp ở thực vật bậc cao thường có kích thước bằng 1/30 đến 1/20 genom của lục lạp ở sinh vật nhân sơ (tảo lam). Như vậy, lục lạp ở thực vật bậc cao bị mất đi nhiều thông tin di truyền so với tổ tiên của chúng và trở nên phụ thuộc lớn vào các gen ở trong nhân của tế bào về nhiều thành phần quan trọng. Nhiều sản phẩm do các gen trong nhân kiểm tra đi vào trong lục lạp nhờ peptit transit. Một số sản phẩm cấu tạo từ các tiểu phần, chúng được kiểm tra bởi gen ở trong nhân và trong lục lạp, VD. enzy, RDP carboxilase, được cấu tạo bởi 2 tiểu phần, một tiểu phần do gen trong nhân kiểm tra, tiểu phần còn lại do gen ở trong lục lạp kiểm tra. cp-ADN mã hoá cho nhiều hợp phần quan trọng của các hệ quang hợp I, H và các chuỗi vận chuyển điện tử. Vì thế những hiểu biết về cấu trúc, chức năng của cp-ADN là rất quan trọng, mặc dù cp-ADN khó tách ra để nghiên cứu hơn so với ADN ty thể. cp-ADN của Marchantia polymonpha và Nicotiana tabacum được nghiên cứu khá kỹ, chúng có chiều dài tương ứng 121.024 và 155.884 đôi nucleotit với số lượng gen tương ứng là 136 (ở M. polymonpha) và 150 (ở N. tabacum). Theo các gen đơn bản tổ chức trong genom lục lạp của 2 loài thực vật này, đã quan sát thấy sự giống nhau đáng kể, mặc dù chúng rất xa nhau về mức độ tiến hoá. Những sai khác chủ yếu giữa chúng tìm thấy ở các vùng chứa các gen trựng lặp rARN. Nhiều nghiên cứu sử dụng các enzym giới hạn cẳt cp-ADN với mục đích phân tích sự đa dạng di truyền của lục lạp. Kết quả cho thấy, các lục lạp ở các cá thể của một loài là đồng nhất về di truyền. VD: ở cây Panicum maximum cp-ADN ở thịt lá và ở bao phấn là 154 giống nhau, các lục lạp chỉ khỏc nhau về hình dạng. Như vậy, trong quá trình phân chia, các lạp thể có xu thế ổn định về tổ chức các gen trên cp-ADN, hạn chế xẩy ra tái tổ hợp. Các kết quả nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng, ở lạp thể đột biến là do những biến đổi trong cấu trúc ADN của lạp thể. ADN lạp thể cũng giống với ADN trong nhân về thành phần cấu tạo, nhưng độc lập với ADN trong nhân về khả năng phân ly và khả năng tái sinh. Tảo lục đơn bào Chlamydomonas Đây là đối tượng rất thuận lợi cho việc nghiên cứu các quy luật di truyền ở lạp thể. Ở tảo Chlamydomonas reinhardtii trong tế bào chỉ chứa một lục lạp. Các tế bào của tảo này thường được nhân lên theo sinh sản vô tính (phân chia nguyên nhiễm). Tuy nhiên, sinh sản hữu tính vẫn xẩy ra bằng cách phối hợp hai tế bào phân biệt nhau theo yếu tố "giới tính", yếu tố này do gen mt ở nhiễm sắc thể kiểm tra. Dạng mt+ phối hợp với dạng mt sẽ hình thành hợp tử. Sau giai đoạn chín, hợp tử tiến hành phân chia giảm nhiễm, kết quả hình thành các tế bào đơn bội theo bộ bốn hay bộ tám tế bào, đó là các bào tử nang, chúng sẽ phát triển thành bào tử đơn bào. Sager (1975) đã phát hiện ra một số gen không có chất kháng sinh và một số gen đột biến ở ADN lục lạp của Chlamydomonas. Để tiến hành các phân tích di truyền của lục lạp, người ta đã tiến hành phân lập các dòng Chlamydomonas có các yếu tố di truyền kiểm tra sự phối hợp trong sinh sản hữu tính (mt+, mt). Khi xẩy ra kiểu giao phối mt+ là mẹ kháng streptomycin (sr), thì tất cả đời con thể hiện tính kháng. Trường hợp ngược lại mt+ là mẹ mẫn cảm với streptomycin (ss), thu được đời con mẫn cảm. Như vậy, đã xẩy ra sự di truyền theo hệ mẹ, tính kháng streptomycin do gen ở lục lạp kiểm tra. Sở dĩ thu được kết quả là chỉ của dạng mt+ được giữ lại. Tuy nhiên vẫn xẩy ra trường hợp ngoại lệ khoảng 1% hợp tử thu được cả 2 dạng lục lạp của 2 bố mẹ. Bào chất chứa cả 2 dạng ADN lục lạp này gọi là bào chất dị hợp. Tần số thu được dị hợp có thể lên tới 50% khi sử dụng tia cực tím chiếu vào các bào mang gen mt+ vào thời điểm ngay trước khi xẩy ra sự phối hợp giữa các tế bào mt+. Bào chất dị hợp sử dụng trong các phân tích di truyền đối với các gen lạp thể. Bên cạnh đó, đã phát hiện gen đột biến ac2 - kìm hãm quá trình quang hợp, dạng đột biến này phát triển ở môi trường nuôi cấy có bổ sung axetat (gen ac1 - bình thường). Người ta đã sử dụng 2 cặp gen ngoài nhiễm sắc thể trong lai phân tích nhằm phát hiện ra các cá thể tái tổ hợp. Cho giao phối hai bố mẹ ac1ss x ac2sr, ở đời con đã sử dụng các chỉ thị (marker/indicator) để nhằm phân biệt kiểu phân ly của các gen lục lạp với kiểu phân ly của các gen trên nhiễm sắc thể. Kết quả theo dõi cho thấy, hai cặp gen ac1/ac2 và sr/ss đã phân ly, dẫn tới xuất hiện cả 2 dạng bố mẹ ac1ss, ac1rs và dạng tái tổ hợp ac1cr, ac2ss. Kết quả của nhiều phân tích khác cho phép Sager (1975) thiết lập được bản đồ về nhóm gen liên kết dạng vòng của lục lạp Chlamydomonas reinhardti. Sự di truyền của ty thể ADN ty thể Ty thể trung tâm cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống của tế bào thông qua các quá trình photphoril hoá - oxy hoá, vận chuyển điện tử, quá trình oxy hoá axit citric và các axit béo. Phân tử ADN trong ty thể có dạng vòng (các ADN ty thể ký hiệu là mt.ADN), có thành phần cấu tạo giống ADN trong nhân nhưng độc lập với ADN trong nhân khi phân chia và tái sinh. So với các ADN lạp thể thì các mt.ADN dễ dàng tách ra hơn để nghiên cứu những đặc điểm về cấu trúc. Ở các sinh vật khác nhau, các mt.ADN có kích thước biến 155 động rất lớn, từ 16Kb ở động vật cho tới mấy trăm Kb ở thực vật bậc cao (VD. ở ngô mt.ADN có độ lớn 570Kb). Trong mỗi ty thể thường chứa nhiều bản sao mt.ADN. VD. Dòng tế bào nuôi cấy Hela ở người, mỗi tế bào có khoảng 800 ty thể, trong mỗi ty thể có thể chứa tới 10 bản sao mt.ADN. Số lượng ty thể rất khác nhau ở các tế bào của cơ thể, đặc biệt số lượng ty thể tăng mạnh ở các tế bào trứng (để đảm bảo năng lượng cho quá trình phát triển của hợp tử) và tế bào hạt phấn (để đảm bảo cho sự nảy mầm và phát triển của ống phấn). VD. tế bào trứng của động vật có vú có số lượng ty thể rất lớn, mt.ADN chiếm tới 1/3 tổng lượng ADN của tế bào. Nấm men bánh mỳ saccharomycess cervisea là đối tượng được nghiên cứu rất kỹ về ADN ty thể. Cấu trúc của mt.ADN ở động vật bậc cao thường ít biến động, trong khi đó cấu trúc của mt.ADN ở thực vật bậc cao và ở sinh vật bậc thấp nhân chuẩn rất đa dạng. Ở người, chuột, động có sừng (trâu, bò) mt.ADN có độ dài tương ứng là 16.569, 16275 và 16.336 đôi nucleotit, chúng là các vòng rất nhỏ. Điều đáng lưu ý là tổ chức các gen của 3 loại mt.ADN nêu trên, về cơ bản là giống nhau, mỗi mt.ADN chứa 2 gen rARN, 22 gen tARN và khoảng 13 gen mã hoá các protein. Nấm men bành mỳ Saccharomycess cervisea có mt.ADN dài khoảng 84Kb, gần 5 lần mt.ADN ở động vật có vú. Tuy nhiên, sự tổ chức các gen trên mt.ADN của nấm men thể hiện tương tự như mt.ADN ở động vật có vú. Độ dài của mt.ADN nấm men tăng hơn có thể là do sự có mặt của nhiều đoạn intron lớn. VD. Đoạn ADN chứa 2 gen mã hoá cho cytochrom b và tiểu phần 1 của cytocchrom ozydase có độ dài gần bằng mt.ADN nguyên vẹn của động vật có vú, ở vùng này chứa một đoạn intron rất dài. Hơn thế nữa, ở mt.ADN nấm men tổ chức các tARN được phân tách bởi nhiều đoạn giữa các gen, trong đó 16 gen tARN tổ chức thành một cụm, 10 gen khác phân tán khắp genom. Ngoài ra, số lượng gen mã hoá các protein ở mt.ADN nấm mem có thể lớn hơn so với mt.ADN động vật có vú, tuy nhiên vấn đề này cũng còn chưa được xác định rõ. ADN ty thể có thể tái bản độc lập, các ty thể tái bản độc lập với chu kỳ phân bào, ADN ty thể mã hoá cho một số nhóm gen sau: Các thành phần của bộ may sinh tổng hợp protein của ty thể có các riboxom đặc trưng, các t.ARN, các enzym aminoxil-t. ARN-synthetase. Những gen mã hoá cho một số sản phẩm khác, như một số cấu trúc mang trong ty thể (một phần nhỏ) tham gia vào chuỗi hô hấp và một số gen khác. ARN polymerse ty thể thực hiện sao mã (VD. ở mt.ADN của động vật có vú kích thước nhỏ) theo phương thức từ một điểm khởi đầu ARN được sao mã thành một đơn vị liên tục, sau đó nó được enzym endpnuclease phân cắt để hình thành nên các phân tử tARN, rARN và các mARN (mã hoá các protein). Như vậy, mt.ADN nguyên vẹn ở đây tương đương như một operon ở vi khuẩn. Cấu trúc riboxom của ty thể khác với riboxom ở tế bào chất, tuy nhiên ở các sinh vật khác nhau cấu trúc của riboxom ty thể biến động mạnh: Tiểu phần lớn của riboxom có hằng số lắng đọng 40S-60S (ở vi khuẩn và lạp thể 50S, ở tế bào nhân chuẩn là 60S), tiểu phần nhỏ có hằng số lắng đọng 30S - 55S (vi khuẩn và lạp thể 30S, tế bào chất của tế bào nhân chuẩn 40S). Ty thể là một bào quan thực hiện chức năng quan trọng và phức tạp, ở đó chứa một lượng lớn các protein. mt.ADN chỉ mã hoá cho một lượng nhỏ protein (VD. 13 loại đối với mt.ADN động vật có vú). Vì thế, số lượng lớn các protein ty thể do các gen ở trong nhân kiểm tra. Các protein nhập vào ty thể để thực hiện các chức năng của mình nhờ peptit-tranzit. Một số protein có cấu trúc từ các tiểu phần do các gen ở trong nhân và ở ty thể kiểm tra. VD. enzym malatdhydrogenase cấu tạo từ 2 tiểu phần, trong đó một tiểu phần do 156 ... - tailieumienphi.vn