Di truyền học Mendel và mở rộng học thuyết Mendel SVIP

I. Bối cảnh ra đời thí nghiệm của Mendel

Gregor Johann Mendel (1822 – 1884) được công nhận là “cha đẻ của di truyền học hiện đại” vì những nghiên cứu của ông về đặc điểm di truyền của đậu hà lan từ rất lâu, trước khi các nhiễm sắc thể hoặc gene được biết đến.

Vào những năm 1800, quan điểm về sự di truyền cho rằng vật chất di truyền của bố mẹ được truyền nguyên vẹn cho thế hệ con, trong cơ thể con, vật chất di truyền của bố mẹ hòa trộn vào nhau nên mỗi cá thể con sinh ra giống cả bố và mẹ. Tuy nhiên, quan điểm về sự di truyền này không thể giải thích được hiện tượng một tính trạng nào đó không được biểu hiện ở thế hệ con nhưng đến thế hệ cháu lại xuất hiện. Trong bối cảnh đó, Mendel đã tìm ra con đường nghiên cứu riêng, đó là tiến hành các phân tích định lượng, có sử dụng cỡ mẫu lớn để nghiên cứu riêng rẽ từng tính trạng của các thế hệ lai trên đối tượng đậu hà lan từ năm 1857. Kết quả phân tích đã giúp Mendel hình thành học thuyết khoa học năm 1866.

@202912154180@

II. Các thí nghiệm của Mendel

Mendel đã chọn đậu hà lan (Pisum sativum) làm đối tượng nghiên cứu chính vì các đặc điểm sau đây:

• Là loài tự thụ phấn, dễ tiến hành lai tạo.
• Thời gian thế hệ ngắn, sinh sản nhiều, cho nhiều hạt.
• Có nhiều đặc điểm đối lập (như hoa tím - hoa trắng, hạt trơn - hạt nhăn,...).

1. Thí nghiệm lai một tính trạng

a. Bố trí thí nghiệm

Lựa chọn và xét riêng bảy tính trạng đối lập (màu hoa, hình dạng hạt, chiều cao cây, màu hạt, hình dạng quả, màu quả, vị trí hoa trên cây). Mỗi tính trạng đều có hai đặc tính khác biệt nhau.

Thực hiện phép lai một tính trạng với từng tính trạng trên. Các bước tiến hành như nhau.

Ví dụ: Thí nghiệm với tính trạng màu hoa

• Bước 1: Tạo các dòng hoa tím thuần chủng và hoa trắng thuần chủng bằng cách cho các cây hoa tím và hoa trắng tự thụ phấn qua nhiều thế hệ.
• Bước 2: Tiến hành các phép lai thuận (♀ cây hoa tím x ♂ cây hoa trắng) và phép lai nghịch (♀ cây hoa trắng x ♂ cây hoa tím). Quy trình thí nghiệm lai và kết quả lai tính trạng màu hoa như sau:

​@202908642680@

​Giải thích kết quả:

• Ở F₁: Chỉ xuất hiện đặc tính trội, không có đặc tính lặn.

• Ở F₂: Đặc tính lặn tái xuất hiện.

⇒ Chứng tỏ: Vật chất di truyền quy định tính trạng không hòa trộn vào nhau mà tồn tại độc lập với nhau trong tế bào cơ thể → Bác bỏ thuyết di truyền pha trộn.

• Kết quả lai ở F₂: 

F2	F2 tự thụ cho đời con F3
\(\dfrac{1}{4}\) số cây hoa tím	100% cây hoa tím → Cấu trúc di truyền giống thế hệ P (kiểu gene trội thuần chủng)
\(\dfrac{2}{4}\) số cây hoa tím	Tỉ lệ phân li 3 : 1 → Cấu trúc di truyền giống cây lai F1 (kiểu gene dị hợp)
\(\dfrac{1}{4}\) số cây hoa trắng	100% cây hoa trắng → Cấu trúc di truyền giống thế hệ P (kiểu gene lặn thuần chủng)

⇒ Đời F₂ có tỉ lệ 1 : 2 : 1 (\(\dfrac{1}{4}\) trội thuần chủng : \(\dfrac{2}{4}\) giống F₁ : \(\dfrac{1}{4}\) lặn thuần chủng).

b. Đề xuất và chứng minh giả thuyết

Đề xuất giả thuyết mới

• Mỗi tính trạng của cây do một cặp nhân tố di truyền quy định.
• Các nhân tố di truyền tồn tại riêng rẽ, không pha trộn với nhau và được truyền nguyên vẹn từ bố mẹ, qua giao tử, sang con cái.
• Mỗi cây tạo ra hai loại giao tử với tỉ lệ bằng nhau, mỗi giao tử chỉ chứa một trong hai nhân tố di truyền, hoặc của bố, hoặc của mẹ.
• Sự kết hợp ngẫu nhiên của các giao tử trong quá trình thụ tinh dẫn đến sự phân li tính trạng ở đời con.

Kiểm chứng giả thuyết

Sử dụng phép lai kiểm nghiệm (lai phân tích), chứng minh cặp nhân tố di truyền ở F₁ tồn tại độc lập và được phân li về hai giao tử với tỉ lệ bằng nhau:

Tiến hành phép lai kiểm nghiệm như vậy với 6 tính trạng khác cũng cho kết quả tương tự.

Đề xuất quy luật di truyền

• Mỗi tính trạng đều do một cặp nhân tố di truyền quy định, một có nguồn gốc từ bố, một có nguồn gốc từ mẹ và các nhân tố di truyền tồn tại trong tế bào cơ thể một cách riêng rẽ, không pha trộn vào nhau.
• Khi hình thành giao tử, các nhân tố di truyền phân li nhau về giao tử nên mỗi giao tử chỉ chứa một nhân tố.

c. Hình thành học thuyết khoa học

Từ những phân tích thí nghiệm, Mendel đã khái quát hóa sự tồn tại và vận động của nhân tố di truyền thành quy luật được gọi là "quy luật phân li". Nội dung quy luật được tóm tắt bằng thuật ngữ của di truyền học hiện đại như sau: Mỗi tính trạng do một cặp allele tồn tại độc lập nhau trong mỗi tế bào quy định, một allele có nguồn gốc từ bố, allele còn lại có nguồn gốc từ mẹ. Khi giảm phân, các thành viên của một cặp allele phân li đồng đều về các giao tử, nên 1/2 số giao tử chứa allele này còn 1/2 số giao tử chứa allele kia.

d. Cơ sở tế bào học của quy luật phân li

Cặp nhân tố di truyền có bản chất là cặp allele của một gene. Sự phân li của cặp nhân tố di truyền được thực hiện qua sự nhân đôi và phân li của NST kép tương đồng trong quá trình giảm phân. Kết quả là mỗi giao tử chỉ chứa một trong hai nhân tố di truyền (gene) quy định tính trạng.

 

​@202912155501@

2. Thí nghiệm lai hai tính trạng

a. Bố trí thí nghiệm 

Tiến hành lai các cây thuần chủng khác biệt nhau về hai tính trạng (lai hai tính trạng) ở đậu hà lan.

Ví dụ: Thí nghiệm tính trạng màu hạt và hình dạng hạt

⇒ Kết quả: Tỉ lệ phân li kiểu hình ở F₂:

\(\dfrac{9}{16}\) hạt vàng, vỏ trơn; \(\dfrac{3}{16}\) hạt vàng, vỏ nhăn; \(\dfrac{3}{16}\) hạt xanh, vỏ trơn; \(\dfrac{1}{16}\) hạt xanh, vỏ nhăn.

Giải thích kết quả: Kết quả phân li kiểu hình 9 : 3 : 3 : 1 ở đời F₂ là do:

• Hai cặp nhân tố di truyền quy định hai tính trạng phân li độc lập với nhau về các giao tử.
• Mỗi cây F₁​ tạo ra 4 loại giao tử mang các tổ hợp nhân tố di truyền với tỉ lệ ngang nhau.
• Các giao tử kết hợp ngẫu nhiên tạo ra 16 tổ hợp nhân tố di truyền ở đời F_2​ với xác suất bằng nhau là \(\dfrac{1}{16}\).
• Nhân tố di truyền trội lấn át sự biểu hiện của nhân tố lặn nên chỉ có 4 kiểu hình với tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1.

b. Đề xuất và kiểm tra giả thuyết

Đề xuất giả thuyết mới

Các cặp nhân tố di truyền quy định các tính trạng khác nhau phân li độc lập với nhau trong quá trình hình thành giao tử.

Kiểm chứng giả thuyết

Sử dụng phép lai phân tích, chứng minh các nhân tố di truyền ở cá thể F₁​ phân li độc lập, tạo ra 4 giao tử với tỉ lệ bằng nhau. 

@202913979842@

c. Hình thành học thuyết khoa học

Mendel đã đề xuất quy luật di truyền phân li độc lập, được tóm tắt bằng các thuật ngữ của di truyền học hiện đại như sau: Các cặp allele (nhân tố di truyền) quy định các cặp tính trạng phân li độc lập với nhau trong quá trình hình thành giao tử.

d. Cơ sở tế bào học các thí nghiệm của Mendel

• Mỗi cặp allele quy định tính trạng tương ứng với một cặp nhân tố di truyền của Mendel.
• Các cặp allele nằm trên các cặp NST tương đồng khác nhau → phân li độc lập với nhau trong quá trình giảm phân hình thành giao tử và sự tổ hợp ngẫu nhiên trong thụ tinh, tạo nên các tổ hợp gene khác nhau.

Như vậy, di truyền học hiện đại đã làm sáng tỏ bản chất của các quy luật di truyền của Mendel là cơ sở của hiện tượng lai cơ bản. Vì vậy, Mendel được coi là người đã đặt nền móng cho ngành Di truyền học hiện đại.

​@202913983711@

III. Ý nghĩa của các quy luật của Mendel 

Mendel đã chứng minh sự di truyền tính trạng chính là sự truyền đạt nhân tố di truyền. Nhờ công trình của Mendel, các nguyên tắc cơ bản về sự phân li và tổ hợp của các nhân tố di truyền đã được sáng tỏ.

Các quy luật di truyền của Mendel đặt nền móng cho di truyền học hiện đại. Các tiến bộ của sinh học phân tử ngày nay chứng minh các "nhân tố di truyền" mà Mendel đề cập đến chính là gene chiếm một vị trí xác định trên nhiễm sắc thể gọi là locus. Các dạng khác nhau của cùng một gene gọi là allele. Gene mang thông tin di truyền để tổng hợp nên một loại protein xác định, từ đó hình thành nên tính trạng tương ứng.

Sự truyền đạt "nhân tố di truyền" của Mendel chính là sự phân li và tổ hợp các gene cùng với sự phân li và tổ hợp nhiễm sắc thể trong giảm phân, thụ tinh. Hai quy luật phân li và phân li độc lập với cơ sở là sự phân li của gene trên một nhiễm sắc thể và trên các nhiễm sắc thể khác nhau là nội dung phân lớn các quy luật di truyền được phát triển cho sau này.

Quy luật phân li độc lập cho thấy các cặp allele phân li độc lập, tổ hợp tự do trong quá trình hình thành giao tử tạo nên một số lượng lớn các loại giao tử với các tổ hợp allele khác nhau, thông qua thụ tinh, các giao tử kết hợp ngẫu nhiên sẽ tạo ra một số lượng lớn các tổ hợp chứa các kiểu gene khác nhau, dẫn đến sự đa dạng di truyền; đảm bảo các loài sinh sản hữu tính có khả năng thích nghi cao trước sự thay đổi của môi trường, đồng thời giải thích vì sao khó có thể tìm được hai cá thể hoàn toàn giống nhau.

IV. Mở rộng học thuyết Mendel

1. Mở rộng học thuyết của Mendel cho một gene

Các thí nghiệm của Mendel cho thấy tính trạng do gene quy định, mỗi gene có hai allele trội, lặn hoàn toàn. Các nghiên cứu sau này cho thấy mỗi gene có thể có nhiều hơn hai allele, các allele của cùng một gene (gene allele) tương tác với nhau theo nhiều cách mà bản chất sự tương tác giữa các gene allele là sự tương tác giữa các sản phẩm của gene.

a. Trội không hoàn toàn và đồng trội

Ở trường hợp trội không hoàn toàn, trong đó, một allele cho sản phẩm protein chức năng bình thường, allele còn lại không tạo ra sản phẩm protein bình thường. Ở trạng thái dị hợp, một allele tạo ra sản phẩm thì lượng sản phẩm tạo ra bằng một nửa so với thể đồng hợp hai allele cùng tạo sản phẩm protein nên không đủ để hình thành kiểu hình bình thường.

Một biến thể khác của mối quan hệ giữa các gene allele là đồng trội (di truyền tương đương) khi hai allele đều có giá trị như nhau. Ví dụ: Nhóm máu ABO của người. Gene quy định nhóm máu có ba allele, trong đó allele I^A, I^B quy định kháng nguyên A, B trên bề mặt hồng cầu, allele I^O không quy định kháng nguyên A, B. Người có kiểu gene I^AI^B có cả hai loại kháng nguyên A và B trên bề mặt hồng cầu.

b. Gene đa allele

Phần lớn các gene tồn tại ở nhiều dạng allele khác nhau. Ví dụ: Gene quy định tính trạng màu mắt của ruồi giấm có nhiều allele như: W⁺ quy định đỏ đại, W^bl quy định đỏ máu, W^ch quy định đỏ chery, w quy định trắng,…

c. Tác động của một gene lên nhiều tính trạng

Trường hợp một gene chi phối nhiều tính trạng được gọi là tính đa hiệu của gene. Nghiên cứu bệnh α - thalassemia và β - thalassemia do đột biến nhiều allele nằm trên nhiễm sắc thể thường. Người bệnh thiếu máu hồng cầu nhỏ; màng xương dày và cong hoặc biến dạng xương mặt/ sọ; gan to; lách to. Bệnh Phenylketonuria (PKU) do đột biến nằm trên nhiễm sắc thể số 12. Người bệnh có thể hiện nhiều tính trạng khác biệt: Chậm phát triển trí tuệ, co giật; tăng trương lực cơ; tích tụ phenylalanine trong máu; tử vong nếu không được phát hiện và điều trị; trí tuệ chậm phát triển.

2. Mở rộng học thuyết của Mendel cho hai hay nhiều gene

Các gene khác nhau (gene không allele) cùng nằm trên một nhiễm sắc thể hoặc trên các nhiễm sắc thể khác nhau tương tác với nhau cùng quy định một tính trạng. Thực chất sự tương tác giữa các gene không allele là tương tác giữa các sản phẩm của gene với nhau. Các gene có thể tương tác với nhau theo nhiều cách khác nhau:

• Các gene không allele tạo ra các sản phẩm khác nhau, trong đó, sản phẩm của gene này có thể làm thay đổi sự biểu hiện của sản phẩm mà gene khác tạo ra. Kiểu tương tác này được phát hiện khi nghiên cứu di truyền màu lông ở chuột nhảy (Meriones unguiculatus). Tính trạng màu lông được di truyền bởi hai cặp gene không allele thuộc hai nhiễm sắc thể khác nhau, A quy định màu đen, a quy định màu trắng, B quy định màu lông sẫm, b không có khả năng loại bỏ sắc tố. Khi kết hợp gene đen, cây AAbb có màu trắng.

  

• Các gene không allele tạo ra các sản phẩm khác nhau, các sản phẩm đó tham gia vào một chuỗi phản ứng nối tiếp nhau để tạo ra các sản phẩm trung gian và kết thúc tạo nên sản phẩm cuối cùng. Kiểu tương tác này được phát hiện khi nhà di truyền học RS Emerson nghiên cứu sự di truyền màu sắc hạt ngô (Zea mays). Có hai cặp gene không allele thuộc hai cặp nhiễm sắc thể khác nhau quy định màu sắc hạt ngô. Những cây có đủ hai gene trội (A_B_) có hạt màu tím, những cây không đủ hai gene trội (A_bb; aaB_; aabb) có hạt màu trắng.

• Các gene không allele tạo ra các sản phẩm tương tự nhau, các sản phẩm đó kết hợp với nhau theo cách mỗi sản phẩm góp một phần như nhau để tạo ra sản phẩm cuối cùng. Sự biểu hiện của sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào số lượng allele trội hay allele lặn có mặt trong kiểu gene. Kiểu tương tác này được nhà di truyền học Thụy Điển Nilsson – Ehle phát hiện trong nghiên cứu sự di truyền màu sắc hạt lúa mì. Ông đã nhận thấy những cây có kiểu gene A₁A₁A₂A₂ có màu đỏ đậm; các cây có ít allele trội hơn thì sắc tố đỏ sẽ nhạt hơn và chuyển sang màu hồng, càng ít allele trội thì màu hồng càng nhạt; cây không có allele trội (a₁a₁a₂a₂) có màu trắng. Như vậy mỗi sản phẩm của một allele trội đóng góp một phần như nhau để tạo ra sản phẩm cuối cùng quy định sắc tố đỏ ở hạt lúa mì.

1. Mendel đã dùng phương pháp phân tích các thế hệ lai để tiến hành thí nghiệm lai riêng lẻ từng tính trạng trên đối tượng đậu hà lan. Kết quả phân tích thí nghiệm là cơ sở hình thành quy luật phân li và phân li độc lập. Các quy luật di truyền của Mendel đã đặt nền móng cho di truyền học hiện đại.

2. Nội dung quy luật phân li được tóm tắt bằng các thuật ngữ của di truyền học hiện đại "Mỗi tính trạng do một cặp allele quy định. Khi giảm phân, các thành viên của một cặp allele phân li đồng đều về các giao tử nên 1/2 số giao tử chứa allele này còn 1/2 số giao tử chứa allele kia".

3. Sự phân li của cặp nhiễm sắc thể trong giảm phân dẫn đến sự phân li của cặp allele tương ứng là cơ sở tế bào cho quy luật phân li.

4. Khi Mendel phân tích kết quả thí nghiệm lai hai tính trạng đã xây dựng "quy luật phân li độc lập". Nội dung quy luật phân li độc lập được tóm tắt bằng các thuật ngữ của di truyền học hiện đại "Mỗi cặp allele phân li độc lập với cặp allele khác trong quá trình hình thành giao tử".

5. Sự phân li độc lập và tổ hợp tự do của các cặp allele không tương tác với nhau trong quá trình di truyền của Mendel là cơ sở tế bào học cho quy luật phân li độc lập.

6. Trong cơ thể, các gene tương tác với nhau. Bản chất sự tương tác giữa các sản phẩm của gene nên allele khác nhau sẽ tạo ra các sản phẩm khác nhau có thể có sự tương tác với nhau.