Các quy luật di truyền của Morgan và di truyền giới tính SVIP

I. Bối cảnh ra đời thí nghiệm của Morgan

Morgan là Nhà phôi học người Mỹ, ông thường được nhắc đến do các khám phá về vai trò của nhiễm sắc thể trong quá trình di truyền của sinh vật.

Trước những năm 1900, khái niệm về gene vẫn chưa được sáng tỏ. Năm 1907, Morgan nghiên cứu di truyền học và thực hiện thí nghiệm trên đối tượng ruồi quả (ruồi giấm). Đến năm 1910, Morgan cùng nhóm nghiên cứu đã chứng minh các nhân tố di truyền Mendel (sau này được xác định là gene) phân bố thành dãy locus trên nhiễm sắc thể tạo thành nhiễm liên kết, từ đó hoàn thiện học thuyết di truyền nhiễm sắc thể. Luận điểm cơ bản của học thuyết di truyền nhiễm sắc thể là các gene phân bố thành dãy locus trên nhiễm sắc thể, các gene của thế hệ trước được di truyền cho thế hệ sau nhờ cơ chế phân li và tổ hợp các nhiễm sắc thể trong giảm phân và thụ tinh. Thuyết di truyền nhiễm sắc thể đã làm sáng tỏ cơ chế tế bào của các quy luật Mendel, đồng thời bổ sung và hoàn thiện các phương thức di truyền gene. Do những cống hiến khoa học, Morgan đã được trao giải Nobel Sinh Lí học và Y học vào năm 1933.

II. Di truyền giới tính và liên kết với giới tính

1. Di truyền giới tính

Phần lớn tế bào của động vật và một số loài thực vật có hai loại nhiễm sắc thể là nhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính. Nhiễm sắc thể giới tính là nhiễm sắc thể chứa các gene quy định giới tính, các gene quy định tính trạng liên quan đến giới tính và tính trạng không liên quan đến giới tính.

Ngoài các kiểu di truyền giới tính nêu trên, ở một số loài ong và kiến, giới tính được xác định bằng mức bội thể của cơ thể. Ví dụ: Con cái là 2n, con đực là n.

Một số loài như rùa và cá sấu, điều kiện nhiệt độ của môi trường trong quá trình phát triển phôi lại là yếu tố quyết định giới tính.

Cơ chế xác định giới tính dựa vào việc có mặt nhiễm sắc thể giới tính trong tế bào mà bản chất là sự có mặt gene trên nhiễm sắc thể giới tính quy định, ví dụ:

• Ở người, trên cánh ngắn của nhiễm sắc thể Y có gene SRY (sex-determining region Y gene) quy định giới tính nam.

• Ở chim, gene DMRT1 trên nhiễm sắc thể Z quy định giới tính có một bản sao. Phôi có một bản sao gene DMRT1 phát triển buồng trứng, hai bản sao gene phát triển tinh hoàn.

• Ở ống mật, ấu trùng dị hợp về gene xác định giới tính có thể phát triển thành con cái, nếu đồng hợp hoặc chỉ có một gene phát triển thành con đực.

Trong cặp nhiễm sắc thể XY, có những vùng chứa các locus gene giống nhau gọi là vùng tương đồng và những vùng chứa các locus gene đặc trưng cho từng nhiễm sắc thể gọi là vùng không tương đồng.

Di truyền giới tính là sự di truyền nhiễm sắc thể giới tính từ bố, mẹ đến thế hệ con.

2. Di truyền liên kết với giới tính

Morgan bắt đầu công việc của mình với ruồi giấm (Drosophila melanogaster). Ông chọn ruồi giấm vì ngoài đặc tính dễ nuôi, thời gian thế hệ ngắn thì ruồi giấm có số lượng nhiễm sắc thể ít (2n = 8), trong đó, có ba cặp nhiễm sắc thể thường và một cặp nhiễm sắc thể giới tính.

a. Di truyền gene trên nhiễm sắc thể X

Thí nghiệm 

Năm 1910, Morgan phát hiện thấy một con ruồi đực duy nhất có mắt màu trắng, trong khi tất cả các con ruồi khác đều có mắt đỏ. Ông đã lai con ruồi đực mắt trắng này với ruồi cái mắt đỏ (phép lai thuận) và sau đó tiến hành thêm phép lai ruồi đực mắt đỏ với ruồi cái mắt trắng (phép lai nghịch).

Đề xuất giả thuyết

Kết quả phép lai cho thấy tất cả thế hệ lai F₁ đều có mắt đỏ, vì vậy màu mắt trắng là lặn (w) so với màu mắt đỏ (W); trong thế hệ lai F₂​, tính trạng màu mắt trắng chỉ biểu hiện ở các con đực.

Sẽ có hai giả thuyết về sự di truyền màu mắt của ruồi giấm:

• Các gene quy định màu mắt nằm trên các nhiễm sắc thể thường.
• Các gene quy định màu mắt nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X.

Kiểm tra giả thuyết

Thông qua thí nghiệm chứng minh giả thuyết gene nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X phù hợp với kết quả thí nghiệm của Morgan.

Cơ sở tế bào học

Gene quy định màu mắt của ruồi giấm nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X, không có locus tương ứng trên nhiễm sắc thể Y.

Các gene nằm trên nhiễm sắc thể giới tính sẽ phân li và tổ hợp cùng với sự phân li và tổ hợp của nhiễm sắc thể giới tính. Sự di truyền các gene trên nhiễm sắc thể giới tính gọi là di truyền liên kết giới tính.

b. Di truyền gene trên nhiễm sắc thể Y

Một số loài có nhiễm sắc thể Y không mang gene hoặc mang rất ít gene. Năm 2023, hệ gene người đã được giải trình tự hơn 59 652 gene, trong đó nhiễm sắc thể Y có hơn 200 gene.

Ở người, một số gene trên nhiễm sắc thể Y không có allele trên X được di truyền từ bố sang con trai và mang tính chất "dòng họ nội". Một số tình trạng hoặc khuyết tật do gene trên nhiễm sắc thể Y mà không có allele trên nhiễm sắc thể X, tất cả các con trai bị bệnh và con gái không bị bệnh. Ví dụ: Tật nhiều lông mọc ở vành tai; tật dính ngón tay 2, 3;...

Ở các loài sinh vật, gene trên nhiễm sắc thể Y không có allele trên X di truyền thẳng theo giới tính dị giao tử.

3. Ứng dụng di truyền giới tính và liên kết giới tính

Những hiểu biết về di truyền giới tính và liên kết với giới tính được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như:

• Trong chăn nuôi, tùy vào từng loài vật nuôi mà giá trị kinh tế của cá thể đực và cái mang lại cho con người là khác nhau. Do đó, việc chọn lựa đực, cái; điều khiển tỉ lệ đực, cái theo mục tiêu sản xuất và giá trị kinh tế mang lại là cần thiết. Để xác định giới tính sớm ở vật nuôi, có thể dựa vào các tính trạng do gene trên nhiễm sắc thể giới tính quy định. Ví dụ: Ở gà, phân biệt gà trống hay mái ngay khi con non mới nở từ trứng dựa vào tính trạng có vằn trên đầu do gene trội trên nhiễm sắc thể Z quy định, do đó, con trống có hai nhiễm sắc thể Z mang hai gene trội thì mức độ vằn rõ hơn so với con mái có kiểu nhiễm sắc thể ZW nên chỉ có một gene.

• Trong y học, nếu biết những bệnh do đột biến gene trên nhiễm sắc thể giới tính X xuất hiện ở bố hoặc mẹ, có thể dự đoán được kiểu hình bệnh ở đời con. Một số bệnh do đột biến gene lặn trên nhiễm sắc thể giới tính X thường gặp như: Bệnh mù màu, bệnh máu khó đông (Hemophilia A, B, C), bệnh teo cơ (loạn dưỡng cơ Duchenne). Dựa vào đặc điểm nhiễm sắc thể giới tính ở người, có thể xác định được một số bệnh, hội chứng ở người do rối loạn phân li của nhiễm sắc thể giới tính như hội chứng siêu nữ, klinefelter, turner,... Từ giai đoạn sớm của phôi thai, từ đó, có phương án thích hợp để tránh sinh ra những đứa trẻ mang khuyết tật.

III. Di truyền liên kết gene và hoán vị gene

1. Liên kết gene

a. Tiến hành thí nghiệm

Morgan đã tiến hành thí nghiệm lai phân tích trên ruồi giấm đực ở thế hệ F₁ của cặp bố mẹ thuần chủng, khác nhau về hai tính trạng tương phản là màu thân và kích thước cánh. Tóm tắt thí nghiệm của Morgan như sau:

b. Đề xuất giả thuyết

Kết quả phép lai cho thấy:

• Allele quy định thân xám là trội (B), thân đen là lặn (b); allele quy định cánh dài là trội (V), cánh cụt là lặn (v).
• P thuần chủng, con lai F₁ dị hợp (Bb, Vv) biểu hiện cả hai tính trạng trội thân xám, cánh dài.

Khi cho F₁​ lai phân tích để tạo thế hệ F_a, sẽ có hai giả thuyết sau:

• Phân li độc lập: Các gene nằm trên các cặp nhiễm sắc thể khác nhau nên phân li độc lập với nhau.
• Phân li đồng thời: Các gene nằm trên cùng một nhiễm sắc thể nên phân li cùng nhau.

c. Kiểm tra giả thuyết

Kết quả thí nghiệm phép lai phân tích như hình trên cho thấy, giả thuyết phân li đồng thời đã cho kết quả tương ứng với thí nghiệm của Morgan.

d. Cơ sở tế bào học

Các gene trên một nhiễm sắc thể tạo thành một nhóm gene liên kết phân li và tổ hợp cùng nhau trong quá trình giảm phân và thụ tinh đưa đến sự di truyền của nhóm tính trạng do chúng quy định là cơ sở tế bào học của liên kết gene trong thí nghiệm của Morgan.

Hiện tượng các gene cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và di truyền cùng nhau gọi là liên kết gene.

e. Ý nghĩa di truyền liên kết gene

Liên kết gene hoàn toàn đảm bảo sự di truyền ổn định của từng nhóm tính trạng.

Trong công tác chọn giống, có thể gây đột biến chuyển đoạn để chuyển những gene có lợi vào cùng một nhiễm sắc thể, tạo ra giống mới có những đặc điểm mong muốn và di truyền ổn định.

2. Hoán vị gene

a. Tiến hành thí nghiệm

Morgan tiếp tục tiến hành thí nghiệm lai phân tích ruồi cái F₁. Thí nghiệm được tóm tắt như sau:

Kết quả phép lai phân tích, đời con F_a có: 586 thân xám, cánh dài : 465 thân đen, cánh ngắn : 111 thân xám, cánh ngắn : 106 thân đen, cánh dài.

b. Giải thích kết quả thí nghiệm

Kết quả phép lai cho thấy, ngoài các cá thể có kiểu hình giống bố mẹ thì có khoảng 17% số cá thể đời con có kiểu hình tái tổ hợp là thân xám, cánh cụt; thân đen, cánh dài. Morgan cho rằng, thỉnh thoảng đã có sự tách rời các gene trên cùng một nhiễm sắc thể mà sau này gọi là trao đổi chéo, gây nên sự tái tổ hợp các gene liên kết.

Trong thí nghiệm của Morgan cho thấy trao đổi chéo xảy ra ở ruồi cái dị hợp tử về hai cặp gene (Bb và Vv) đã tạo nên các giao tử cái tái tổ hợp (Bv và bV), sự thụ tinh của các giao tử cái này với giao tử đực (bv) đã tạo ra đời con có 17% cá thể có kiểu hình tái tổ hợp là ruồi thân xám, cánh cụt và ruồi thân đen, cánh dài.

c. Cơ sở tế bào học

Trong quá trình giảm phân hình thành giao tử ở ruồi giấm cái thế hệ F₁​, một số tế bào đã diễn ra trao đổi chéo từng đoạn tương ứng giữa hai chromatid khác nguồn trong cặp nhiễm sắc thể kép tương đồng ở kì đầu của giảm phân I, kết quả đã tạo ra các loại giao tử tái tổ hợp (Bv, bV) bên cạnh những giao tử liên kết (BV, bv). Hiện tượng trao đổi chéo từng đoạn tương ứng giữa hai chromatid khác nguồn trong cặp nhiễm sắc thể kép tương đồng dẫn đến đổi chỗ các allele tương ứng của cùng một gene gọi là hoán vị gene.

Thí nghiệm của Morgan trên ruồi giấm cho thấy trao đổi chéo chỉ xảy ra trong phát sinh giao tử cái. Nhưng đó không phải là trường hợp tổng quát cho tất cả các loài. Ở các loài khác, trao đổi chéo có thể xảy ra trong phát sinh giao tử đực hoặc cả giao tử đực và cái hoặc cũng có thể phát sinh trong nguyên phân.

d. Ý nghĩa di truyền hoán vị gene

Hoán vị gene làm tăng biến dị tổ hợp, tạo ra những tổ hợp gene liên kết mới cung cấp nguyên liệu cho chọn giống và tiến hoá.

Căn cứ vào tần số hoán vị gene để thiết lập bản đồ di truyền.

IV. Bản đồ di truyền

Việc phát hiện các gene liên kết và tái tổ hợp gene do trao đổi chéo đã giúp Alfred Henry Sturtevant (học trò của Morgan) đề xuất phương pháp xây dựng bản đồ di truyền đầu tiên năm 1913.

Bản đồ di truyền (bản đồ gene) là sơ đồ phân bố các gene trên các nhiễm sắc thể của một loài. Trình tự và khoảng cách các gene trên cùng một nhiễm sắc thể được xác định dựa vào tần số trao đổi chéo giữa các locus di truyền.

Bản đồ di truyền được chia thành các đơn vị bản đồ hay centiMorgan (cM), trong đó, tần số tái tổ hợp là 1% tương ứng với 1 cM.

Trong chăn nuôi, trồng trọt, dựa vào thông tin về tần số tái tổ hợp ở giống vật nuôi, cây trồng, có thể dự đoán được tỉ lệ xuất hiện các tổ hợp gene mới ở thế hệ con cháu trong các phép lai, có ý nghĩa trong công tác chọn giống.

Trong y học, dựa vào bản đồ di truyền người cho phép xác định vị trí các gene, có ý nghĩa trong việc tìm ra gene gây bệnh và trong công tác chẩn đoán, điều trị bệnh.

IV. Quan điểm của Mendel và Morgan về tính quy luật của hiện tượng di truyền

Morgan đã chứng minh "nhân tố di truyền" của Mendel chính là gene. Mỗi gene có vị trí xác định trên nhiễm sắc thể gọi là locus. Các gene phân bố theo chiều dọc trên một nhiễm sắc thể tạo thành một nhóm gene liên kết. Trên một nhiễm sắc thể, các allele nằm gần nhau có xu hướng luôn phân li cùng nhau, các allele càng xa nhau thì xác suất xảy ra trao đổi chéo giữa các allele cùng locus gene trên hai nhiễm sắc thể kép trong cặp tương đồng càng lớn, do đó, tần số hoán vị gene càng lớn.

1. Th.H. Morgan là người đầu tiên làm sáng tỏ khái niệm về gene và xác định gene phân bố thành dãy locus trên nhiễm sắc thể tạo thành nhóm gene liên kết và luôn phân li cùng nhau.

2. Nhiễm sắc thể giới tính là nhiễm sắc thể chứa các gene quy định giới tính, tính trạng giới tính và tính trạng thường. Sự di truyền các tính trạng do gene trên nhiễm sắc thể giới tính quy định gọi là sự di truyền liên kết với giới tính.

3. Cơ chế xác định giới tính dựa vào việc có mặt nhiễm sắc thể giới tính trong tế bào mà bản chất là sự có mặt gene trên nhiễm sắc thể giới tính quy định.

4. Trong tế bào sinh dưỡng của một số loài động vật, nhiễm sắc thể giới tính ở một giới có hai chiếc giống nhau (XX hoặc ZZ) giảm phân tạo ra một loại giao tử; giới còn lại có hai chiếc khác nhau (XY hoặc ZW) hay có thể chỉ một chiếc (XO) giảm phân cho hai loại giao tử. Thông qua thụ tinh, tổ hợp các giao tử với xác suất ngang nhau là cơ sở giải thích tỉ lệ giới tính trong tự nhiên theo lí thuyết thường là 1:1.

5. Người ta dựa vào nhiễm sắc thể giới tính để xác định những bệnh, hội chứng liên quan tới bất thường nhiễm sắc thể ở người.

6. Trong chăn nuôi và trồng trọt, có thể dựa vào các tính trạng liên kết với giới tính để sớm phân biệt được đực, cái; điều chỉnh tỉ lệ đực, cái theo mục tiêu sản xuất.

7. Liên kết gene là hiện tượng các gene cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và di truyền cùng nhau.

8. Hoán vị gene là hiện tượng các allele tương ứng của một gene có thể đổi chỗ cho nhau giữa hai chromatid khác nguồn trong cặp nhiễm sắc thể tương đồng. Cơ sở tế bào học của hoán vị gene: Ở một số tế bào đã diễn ra trao đổi chéo từng đoạn tương ứng giữa hai chromatid khác nguồn trong cặp nhiễm sắc thể tương đồng ở kì đầu của giảm phân I, kết quả đã tạo ra các loại giao tử mang gene hoán vị. Tỉ lệ các giao tử mang gene hoán vị phản ánh tần số hoán vị.

9. Bản đồ di truyền là sơ đồ phân bố các gene trên các nhiễm sắc thể. Bản đồ di truyền cho biết vị trí tương đối của các gene trên nhiễm sắc thể.

10. Quy luật di truyền của Mendel và Morgan nói riêng và tất cả các quy luật di truyền nói chung là quy luật vận động các gene trên một cặp nhiễm sắc thể và trên nhiều cặp nhiễm sắc thể.