Sinh học - Chương 3: Lai xa, phân tích genom và phân tích lệch bội

7/18/15 1 CHƢƠNG 3 LAI XA, PHÂN TÍCH GENOM VÀ PHÂN TÍCH LỆCH BỘI 3.1. Khái niệm, ý nghĩa, các cơ chế cách ly sinh sản giữa các loài và khắc phục sự ngăn cản trong lai xa 3.1.1. Khái niệm, ý nghĩa - Để phân biệt với lai trong loài người ta đưa ra khái niệm lai xa: lai giữa các dạng khác nhau có độ xa cách di truyền tính từ loài phụ trở lên. - Các dạng thuộc dạng trồng trọt x các dạng thuộc loại phụ lân cận nhằm khai thác những đặc điểm quý hiếm mà không tính thấy ở nguồn vật liệu trong loài trồng trọt. Cho tới nay, lai xa là giải pháp cơ bản nhằm tạo ra các vật liệu chọn giống mang những đặc điểm giá trị (chống chịu, chất lượng,...) tạo nên những đột phá mới trong tạo giống mới. 3.1.2. Các cơ chế cách ly sinh sản Sự cách ly sinh sản là một tiêu chuẩn quan trọng nhất để phân biệt các loài khác nhau. 3.1.3. Những ngăn cản trước thụ tinh và giải pháp khắc phục a. Những ngăn cản trước thụ tinh Tính không phù hợp giữa giao tử đực và cái của các loài bố mẹ gây ra nhiều trở ngại trước thụ tinh: + Hạt phấn không nảy mầm trên vòi nhuỵ của cây mẹ + Ống phấn phát triển rất chậm, hạn chế khả năng đưa tinh trùng vào túi phôi để thụ tinh. + Tính không phù hợp di truyền giữa giao tử đực và giao tử cái, thụ tinh không xảy ra. b. Giải pháp khắc phục - Cắt ngắn hoặc khử bỏ vòi nhuỵ cái, đầu nhuỵ cái được gắn với khối aga + đường + genlatin, rồi thụ phấn. - Thụ phấn sớm hoặc muộn để tránh phản ứng bất hợp - Ghép cây mẹ lên cây bố - làm gần sinh học - Xử lý nhuỵ cái bằng các chế phẩm tăng quá trình thụ phấn - Trộn hạt phấn: hạt phấn cây bố + hạt phấn cây mẹ (làm mất sức sống) - hạt phấn bố có cơ hội nảy mầm. - Tứ bội hoá một trong hai bố mẹ - Thụ phấn vào điều kiện thuận lợi - Lai với loài trung gian - Chiều thụ phấn 3.1.4. Những ngăn cản sau thụ tinh và giải pháp khắc phục a. Những ngăn cản sau thụ tinh - Đình trệ sự phát triển của hợp tử - Tiêu phôi - Phôi bị ngừng phát triển ở giai đoạn nào đó mà chưa đạt tới giai đoạn phôi trưởng thành. - Nội nhũ phát triển không hoàn chỉnh - xuất hiện các không bào ở tế bào chất, bào chất nghèo cơ quan tử... - Cây lai có sức sống yếu, bất dục b. Giải pháp khắc phục - Nuôi cấy phôi non ở môi trường nhân tạo (cứu phôi) - Dung hợp tế bào trần - Đa bội hoá - hữu dục (cây song lưỡng bội) - Tổ hợp lai hợp lý Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 3.2. Đặc điểm của con lai xa, di truyền tính trạng và biến dị trong lai xa 3.2.1. Những đặc điểm của con lai xa Phát triển không bình thường, bất dục, cây dị dạng, giảm phân có những bất thường. Kết quả của giảm phân thu được rất nhiều biến loạn. Chỉ có xác suất rất nhỏ F1 giảm phân bình thường – thu được cây lai. 3.2.2. Đặc điểm di truyền tính trạng - Có sự kết cặp nhưng tần số trao đổi chéo rất thấp so với lai trong loài - giảm hình thành tái tổ hợp. - Tỷ lệ phân ly ở F2 hoặc trong lai phân tích khác biệt so với lai trong loài. Vì: + Tỷ lệ các giao tử hình thành khác nhau + Khả năng thụ phấn, thụ tinh của các giao tử khác nhau + Sức sống và phát triển phôi khác nhau - Tỷ lệ phân ly khác nhau ở các tính trạng và ở các phép lai 3.2.3. Những biến dị bất thường xuất hiện trong lai xa - Xuất hiện những biến dị mới mà không có ở bố mẹ. Những tính trạng xuất hiện mới trong lai xa mà không thể dự đoán trước được trên cơ sở nghiên cứu loài bố mẹ gọi là những biến dị bất thường. Các nghiên cứu cho thấy đại đa số các tính trạng thuộc những biến dị này thường thể hiện lặn. - Ngoài ra còn có những biến dị xuất hiện do tương tác giữa nhân và tế bào chất – xuất hiện dạng bất dục đực tế bào chất. 3.3. Phân tích tƣơng đồng genom (mức tế bào) 3.3.1. Đánh giá mức độ tương đồng genom của các loài (lân cận) - Genom là toàn bộ vật liệu di truyền tồn tại trong bộ NST của loài. - Để đánh giá mức độ tương đồng genom phải tiến hành lai xa: giả sử trường hợp lai được phôi – con lai xa. Nghiên cứu giảm phân ở F1 thông qua nghiên cứu khả năng kết cặp thể hiện ở hai mặt: + Số lượng NST kết cặp: khả năng kết cặp càng lớn – quan hệ càng gần + Đặc điểm kết cặp – bình thường, kém hoặc không kết cặp a. Các tiêu chí đánh giá mức tương đồng loài A x loài B 2nAA 2nBB Con lai nAnB, nghiên cứu giảm phân, xác định sự kết cặp của các NST A với các NST B - Số kết cặp thực tế/ tổng số lý thuyết - Số đơn trị (không kết cặp) - Số kết cặp không bình thường (không toàn phần) b. Xác định genome phức - Genome phức: gồm 2 genome của 2 loài hình thành bằng con đường lai xa (có nhân đôi bộ NST – song lưỡng bội). 3.3.2. Mét sè vÝ dô vÒ ph©n tÝch genom Ví dụ ở chi Triticum (lúa mì): x=7  T. monococum: 2n=2x=14  T. durum: 2n=4x= 28  T. dicocum: 2n=4x=28  T. timopheevi: 2n=4x=28  T.aestuvum: 2n=6x=48  T. zhukovskyi: 2n=6x=48  ................ a. S¬ ®å h×nh thµnh T.durum? T. durum x T. monococum 2n=28 (AABB) 2n=14(AA) 2x=14(BB) Aegilops speltoides F1: n+n =14+7=21 2n=21[7( )+ 7( )] Gi¶m ph©n 7( )+ 7( ) AA + B T.durum -14(AA) +14(BB) => AABB =28 Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 3 b. T.durum x T.aestivum 2n=28 2n=42 AABB AABBDD 2x=14DD aegilops squaraosa F1: n(AB) +n(....) =35 Gi¶m ph©n: 14( ) +7 ( ) AABB + D Tù thô cña con lai gi÷a 48 x 28 F1: 2n=35 (28AABB +7D) =28+a, b, c, d, e, f,g Tù thô QuÇn thÓ c©y tõ 28 => 42 NST 28+a, 28+aa 28+a,b; 28+aa,bb 28+a, b, c ;28+aa,bb, cc ....... 28+a, b, c ,d ,e ,f ,g; 28+aa, bb, cc, dd, ee,ff,gg c. T. timopheevi x T. monococum 2n=28 (A’A’ - -) 2n=14 (AA) F1: 2n = 21[n(A) +n(- -)] = 7+14 = 21 Gi¶m ph©n: 6( ) +(7+1) ( ) iAA’ G Nh©n ®«i T. zhukovskyi (AAA’A’GG) = 6n Triticum turgidum x T. tauschii AABB, 2n = 28 DD, 2n = 14 AABBDD, 2n = 42 T. aestivum T. spelta d. T.timopheevi x T. zhukovskyi 2n=28(A’A’GG) 2n=42 (A’G--) F1:2n=35 [14( ) +7( )] A’A’GG A e.T.durum x T. timopheevi 2n=28 2n=28 AABB RÊt khã cã F1 - Xem thªm lóa níc vµ b«ng. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 4 3.4. Phân tích các thể lệch bội, các ứng dụng 3.4.1. Khái niệm, những nguyên nhân hình thành các thể lệch bội a. Khái niệm lệch bội và các dạng lệch bội Lệch bội là trường hợp ở bộ NST có sự thay đổi số lượng theo từng cặp NST. Tuỳ vào dạng thay đổi mà có các tên gọi khác nhau.Ngoài lệch bội đơn còn có các lệch bội kép là trường hợp ở hai đôi NST nào đó đều có thay đổi số lượng. Dạng Công thức Thể một 2n-1 Thể ba 2n+1 Thể không 2n-2 Thể bốn 2n+2 Thể một kép 2n-1-1 Thể ba kép 2n+1+2 b. Nguyên nhân hình thành các thể lệch bội - Do giảm phân không bình thường + Trong phân bào nguyên nhiễm hay giảm nhiễm một hay vài NST bị rơi không chạy về hai cực của tế bào. + Ở phân bào giảm nhiễm khi hai NST tương đồng tiếp hợp với nhau mà không phân chia, cả hai dồn về một tế bào từ đó hình thành nên các giao tử thừa và giao tử thiếu theo một NST nào đó - các dạng giao tử thừa, thiếu, bình thường phối hợp với nhau tạo nên các lệch bội khác nhau. - Do lai xa 3.4.2. Ứng dụng các lệch bội trong xác định nhóm liên kết của gen nghiên cứu a. Phân tích thể không - Các thể không có sức sống kém, mức độ bất dục cao, khó duy trì. - Thể không thường xuất hiện khi cho dạng thể một tự thụ - Sử dụng thể không để xác định nhóm lên kết của gen nghiên cứu. + Trường hợp gen nghiên cứu là đột biến lặn Lai đúng: Dạng bình thường (2n) mang gen đột biến làm bố x với các thể không F1 có kiểu hình lặn => gen nghiên cứu thuộc nhóm liên kết của thể không đem lai Lai không đúng: F1 cho kiểu hình trội 7/18/15 5 P × a a a ( ) A A A Kiểu dại F1 P ( ) × a a a Đột biến F1 * Lai không đúng: * Lai đúng + Trường hợp gen nghiên cứu là đột biến trội Lai đúng: Dạng bình thường (2n) mang gen đột biến x với các thể không F1 thể hiện trội F2 cho tỷ lệ phân ly khác bình thường Lai không đúng: F2 cho tỷ lệ phân ly bình thường ( ) × Rg Rg Rg ( ) Rg Rg Rg 24% 73% 3% 2n 2n -1 2n -2 97% trội lặn P F1 F2 * Lai đúng: * Lai không đúng: ( ) × Rg Rg rg rg Rg rg Bình thƣờng (2n) 24% 3 trội : 1lặn Thể một 73% 3 trội :1 lặn Thể không 3% 3 trội : 1 lặn trội P F1 F2 b. Phân tích thể một - Trường hợp gen nghiên cứu thể hiện lặn: Lai đúng: Dạng bình thường mang gen nghiên cứu x các thể một F1 thể hiện kiểu hình lặn × A a Trội P F1 A a a a : Kiểu lặn Kiểu trội * Lai đúng: × A a P F1 : trội trội A A a a A a A a * Lai không đúng: Trường hợp gen nghiên cứu là đột biến lặn 7/18/15 6 - Trường hợp gen nghiên cứu thể hiện trội Lai đúng: Dạng bình thường mang gen nghiên cứu x các thể một F1 đều thể hiện trội F2 phân ly khác bình thường × A a P F1 a A A A : 3A- : 1 aa trội : lặn A A Lƣỡng bội 24% A Thể một 73% Thể không ( ) 3% trội lặn F2 Phân ly rất khác bình thƣờng * Lai đúng: × P F1 : a a A A A a A a 3A- : 1aa Trội : lặn Lƣỡng bội 3A- : 1aa Thể một 3A- : 1aa Thể không 3A- : 1aa Phân ly bình thƣờng: 3A- :1aa trội : lặn F2 * Lai không đúng: c. Phân tích thể ba - Đặc điểm di truyền tế bào + Tuỳ vào khả năng tiếp hợp của các NST mà sẽ hình thành nên một trị ba hoặc theo lưỡng trị với một đơn trị. + Sự phân ly NST có thể xảy ra các trường hợp sau: Hai NST gần nhau đi về 1 cực, NST thứ 3 đi về cực còn lại của tế bào hoặc hai NST ở đầu lần lượt đi về hai cực của tế bào, NST thứ 3 nằm lại vùng xích đạo của tế bào. - Giả sử sự phân ly của các gen gắn liền với sự phân ly của các NST tương đồng, ở cả hai trường hợp đều thu được các dạng giao tử với tỷ lệ bằng nhau. Kiểu gen Các dạng giao tử và ty lệ của chúng AAA 1AA : 1A AAa 1Aa : 1aa Aaa 1AA: 2Aa : 2A :1a aaa 1aa : 2Aa: 2a :1A Vì hạt phấn mang NST thừa (n+1) khó cạnh tranh với những hạt phấn bình thường cho nên về cơ bản hạt phấn chỉ cung cấp cho hậu thế những giao tử mang 1 alen. 3.5. Lai xa và cải biến genome thực vật - Tạo con lai phức bằng con đường lai xa - Công nghệ thay thế NST + Dùng thể không + Dùng thể một - Công nghệ bổ sung NST từ loài lân cận vào loài trồng - Công nghệ chuyển đoạn NST mang gen quan tâm từ loài lân cận vào loài trồng trọt Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 7 [0,5 R + 0,5 D] [0,92 R + 0,08 D], t = 6 Mang VCDT cña gièng nhËn + 1 NST l¹ Dßng nhËn RR + ( ) ThÓ Kh«ng 2n-2 =40+0 Dòng cho DD + (a//a ) Lƣỡng bội 2n = 40+ 2 ThÓ mét RD + (a/ ) 2n-1 = 40 + 1 ThÓ mét RD + (a/ ) 2n -1 = 40+1 ThÓ mét RR (a/ ) 2n -1 = 40+1 ThÓ kh«ng RR + ( ) 2n -2 = 40 + 0  Tù thô phÊn Dßng cã thay thÕ NST : RR + (a//a) 2n = 40 +2 ThÓ mét RR(a/ ) 2n -1 = 40+ 1 Dßng nhËn RR + ( ) 2n - 2 = 40+0 Dßng nhËn RR + ( ) 2n - 2 = 40+0 - Dùng thể một a2 a3 RR( ) x DD( ) a3 a3 a3 RD( ) ; RD( ) a2 a3 a3 a2 RD( ) x RR( ) RD( ) x RR( ) Có thể áp dụng nhưng khó phân biệt 2 thể một có ( ) và ( ). - Công nghệ bổ sung NST từ loài lân cận vào loài trồng Lai lúa mì trồng (2n - 6x=42) x mạch đen (2n=2x =14) F1 3x+1x=21+7 =28 Lưỡng bội hoá F1– dạng song lưỡng bội hữu dục (6x+2x =42+14=56) F1 lưỡng bội hoá x lúa mì trồng 6x+2x = 42+14 6x=42 6x+x =42+7 =49 (trong đó có 7 NST của loài lân cận) Gải sử ký hiệu của 7 NST lạ a, b ,c ,d,e ,f,g Cho dòng 49 NST tự thụ hoặc lai trở lại với lúa mì trồng một số đời Thông qua phân tích tế bào ta thu được thể một và thể hai khác nhau 42+a 42+aa 42+b 42+bb 42+c 42+cc ...... ...... 42+g 42+gg Cũng có thể thu được thể một kép và thể hai kép Công nghệ chuyển đoạn NST mang gen quan tâm từ loài lân cận vào loài trồng trọt - Một số kiểu chuyển đoạn: + Một đoạn NST lạ (của loài lân cận) được chuyển xen vào NST của loài trồng + Chuyển đoạn thuận nghịch: một đoạn NST của loài trồng và một đoạn NST lạ chuyển trao đổi cho nhau. - Một số phương pháp xử lý phóng xạ các dạng chuyển NST lạ + Xử lý phóng xạ dòng thể một ở giai đoạn ngay trước giảm nhiễm. Sau đó thu hạt phấn thụ cho cây mẹ bình thường. Ở đời con tiến hành nghiên cứu, phân tích tế bào để xác định đoạn NST chuyển. + Xử lý phóng xạ hạt phấn của dòng thể hai. Sau đó thụ phấn cho cây mẹ bình thường. Hậu thế nghiên cứu phát hiện những dạng mang gen cần chuyển. + Xử lý hạt của dòng thể hai: Từ các cây xử lý phóng xạ ta thu hạt thông qua tự thụ phấn để nghiên cứu những cá thể ở hậu thế, phát hiện dạng mang gen cần chuyển. Câu hỏi ôn tập chƣơng 3 1. Vì sao trong các chương trình tạo giống cần thiết tiến hành lai xa? Những yếu tố nào quyết định thành công trong lai xa. 2. Chỉ tiêu gì được xem là căn bản nhất để phân biệt các loài? Nêu những nguyên nhân và giải pháp cơ bản khắc phục những ngăn cản trước thụ tinh khi lai xa. 3. Nêu những biến cố xảy ra trong qua trình phát triển và giảm phân của con lai xa. Bằng những phương thức nào con lai xa bất dục trở thành hữu dục 4. Sự di truyền các tính trạng trong lai xa có những đặc điểm gì? Thế nào là những biến dị bất thường xuất hiện trong lai xa, ý nghĩa. 5. Những căn cứ cho phép đánh giá mức tương đồng genom. Nêu ví dụ về phân tích genom (ở lỳa mỳ). 6. Trình bày những nguyên nhân xuất hiện các thể lệch bội 7. Trình bày nguyên tắc về thực nghiệm bổ sung và thay thế nhiễm sắc thể 8. Chuyển đoạn nhiễm sắc thể của loài lân cận vào NST của loài trồng. 9. Nguyên tắc sử dụng thể khụng và thể một trong xác định nhóm liên kết của gen nghiên cứu. 10. Di truyền thể ba, ứng dụng thể ba trong xác định nhúm liên kết của gen nghiên cứu. 11. Bộ nhiễm sắc thể của một loài cây trồng 2n có mang một số nhiễm sắc thể lạ (A, B,) . Cho tự thụ hai kiểu sau đây: (1) 2n +A ; (2) 2n + A + B, hậu thế của chúng có các bộ nhiễm sắc thể như thế nào? Khi: a. Trường hợp các giao tử đực đều có khả năng cho thụ tinh bình thường b. Trường hợp các giao tử đực có nhiễm sắc thể thừa không có khả năng cho tự thụ. c. Từ những trường hợp trên, anh (chị) rút ra kiểu lệch bội nào có ý nghĩa ứng dụng cao và ổn định về bộ nhiễm sắc thể qua các đời tự thụ. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 8 12. Ở ngô, để xác định nhóm liên kết của gen trội kháng bệnh (S), sau đó thụ phấn dòng đồng hợp tử trội (SS) cho lần lượt tám dòng thể ba mẫn cảm (lặn). Các F1 được lai phân tích, kết quả hậu thế được trình bày dưới đây: Thể ba của II III V VI VII VIII IX X Kháng 275 240 300 350 405 215 280 265 Mẫn cảm 250 268 287 321 770 201 297 277 Gen nghiên cứu thuộc nhóm liên kết nào? Trình bày sơ đồ của thực nghiệm.