Sinh học - Di truyền thực vật đại cương

7/18/15 1 DI TRUYỀN THỰC VẬT ĐẠI CƢƠNG Giáo viên: Phạm Thị Ngọc Số đt: 097.267.32.09 TÀI LIỆU THAM KHẢO • Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân. Cơ sở di truyền học, 1998 • Phạm Thành Hổ. Di truyền học, 2007 • Nguyễn Hồng Minh. Di truyền học, 1999 • Gardner E.J., Principles of Genetics, 1991 MỞ ĐẦU Mục tiêu: • Khái quát môn học • Vị trí của các môn học trong các môn cơ sở • Ý nghĩa đối với chọn giống, nông nghiệp hiện đại. I. Đối tƣợng và nhiệm vụ của di truyền học, thế nào là di truyền học hiện đại • Di truyền học nghiên cứu hai tính chất cơ bản, gắn liền của cơ thể sống: tính di truyền và tính biến dị. • Sự thống nhất biện chứng của hai tính chất này thể hiện ở tất cả các mức độ tổ chức của sự sống: phân tử, tế bào, cá thể và quần thể. • Mọi cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống đều được kiểm tra bởi các gen. Như vậy di truyền học hiện đại là môn khoa học nghiên cứu về gen ở các cấp độ khác nhau. 1.Về phương diện lý luận, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: a) Vấn đề tàng trữ thông tin di truyền (TTDT): Nghiên cứu về cơ sở vật chất, cấu trúc, tổ chức của bộ máy di truyền: gen - NST- genome - cấu trúc di truyền của quần thể. b) Vấn đề thực hiện TTDT: Cơ sở biểu hiện của gen, điều hoà hoạt động của gen, vấn đề thể hiện kiểu hình của tính trạng trong mối tương tác kiểu gen - môi trường. c) Vấn đề về cơ chế truyền đạt TTDT qua các thế hệ: Cơ chế phát sinh các dạng đột biến, cơ chế biến đổi định hướng, chuyển nạp gen... 2. Về phương diện ứng dụng, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: - Ứng dụng những cơ sở lý luận về di truyền để tuyển chọn ra những phương thức lai tối ưu nhất, phù hợp với từng đối tượng cụ thể. -Tuyển lựa ra những phương thức chọn lọc hiệu quả nhất để thu sản phẩm: tế bào, dòng, quần thể... - Điều khiển sự phát triển của tính trạng di truyền - Gây các đột biến thực nghiệm, chuyển nạp gen, bảo vệ và sửa chữa những hỏng hóc di truyền. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 2 II. Các giai đoạn phát triển của di truyền học. 1. Giai đoạn trước Menđen và sự ra đời công trình của Menđen: - Thế kỷ thứ V trước CN: + Hippocrate (thuyết di truyền trực tiếp) Vật liệu sinh sản được thu nhận từ tất cả các phần của cơ thể  tất cả các cơ quan đều trực tiếp ảnh hưởng tới các tính trạng của hậu thế. - Thế kỷ thứ IV trước CN: Vật liệu sinh sản không thu nhận từ các bộ phận của cơ thể mà được tạo ra từ chất dinh dưỡng, mà về bản chất chúng ấn định cho sự cấu tạo các phần khác nhau của cơ thể. - Darwin (1809-1882) - Thuyết pangen: Mỗi phần của cơ thể đều sinh sản ra những phần tử nhỏ gọi là chất mầm (genmule), từ các phần của cơ thể chúng theo máu tập trung vềcơ quan sinh dục, qua đó các tính trạng được truyền đạt cho hậu thế. Mỗi cá thể sinh ra do sự hoà hợp đặc tính di truyền của cả bố và mẹ. -1865 Menđen - các thí nghiệm lai ở thực vật: Međen đã chứng minh: sự di truyền có tính giai đoạn, được kiểm tra bởi các nhân tố di truyền mà sau này gọi là gen  đạt nền móng cho sự phát triển của di truyền học. 2. Giai đoạn phát triển của di truyền học kinh điển: - 1900, Hugo de Vries (Hà Lan), Erich Karl Correns (Đức) và E. von Tschermark (Áo) độc lập phát hiện ra các quy luật Menđen  1900 - năm khai sinh của di truyền học. -1902, W. Bateson và L. Cuenot: chứng minh quy luật Menđen ở động vật. - 1909 W. Bateson dẫn tới 100 tính trạng ở thực vật và động vật di truyền theo các quy luật Menđen. - 1901, Hugo de Vries đưa ra thuyết đột biến. - Đầu thế kỷ 20 hình thành các quan điểm đầu tiên về vai trò cảu NST đối với sự di truyền. - 1911, T.H. Morgan và cs xây dựng thuyết di truyền NST - 1920, N.I.Vavilov (Nga) thiết lập quy luật “dãy biến dị tương đồng”. - 1925, G.A.Nadson và G.S. Philipov phát hiện ảnh hưởng gây đột biến phóng xạ... - 1933, T. Painter phát hiện ra NST khổng lồ -> cơ sở cho nghiên cứu đột biến cấu trúc NST và thiết lập bản đồ tế bào học của NST. 3. Sự phát triển của di truyền học phân tử và kỹ thuật di truyền: -1944, O. Avery, MC Leod và Mc Carty chứng minh ADN là vật chất di truyền -> sự ra đời của di truyền học phân tử. -1953, J. Oatson và F. Cric phát minh ra mô hình cấu trúc phân tử của ADN. - Những năm 60 xác định toàn bộ 60 codon - 1961, F. Jacod, J. Monod đưa ra mô hình operon giải thích cơ chế điều hoà sao mã ở vi khuẩn  nghiên cứu về cơ chế điều hoà hoạt động của gen. - Từ những năm 70 nhiều tri thức mới trong di truyền ra đời. III. Các phƣơng pháp nghiên cứu di truyền: • Phương pháp lai • Phương pháp toán học • Phương pháp tế bào học • Phương pháp vật lý, hoá học và sinh học khác IV. Ý nghĩa của di truyền học đối với chọn giống và phát triển một nền nông nghiệp bền vững. • Ý nghĩa lớn đối với thực tiễn và các môn khoa học khác (y học, sinh thái...) • Di truyền học là phương thức luận cơ bản của tiến hoá, đặc biệt là cơ sở của chọn giống. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 3 Chƣơng I CẤU TRÖC VÀ TÁI BẢN VẬT CHẤT DI TRUYỀN Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ, TẾ BÀO MỞ ĐẦU: ADN là vật chất mang thông tin di truyền Hiện tượng biến nạp: • Thí nghiệm của Griffith (1928): thí nghiệm trên vi khuẩn diplococcus pneumococcus. • Gồm: + dạng có vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S - smooth) • + dạng không có vỏ bọc, lành (R – rough ) • Tiêm cho chuột : • Dòng R hoặc dòng S bị chết do nhiệt  chuột không nhiễm bệnh. • Dòng R + dòng S bị chết do nhiệt  chuột chết. Kết kuận: tế bào vi khuẩn nòi R đã nhận được đặc tính tạo vỏ ở nòi S. THÍ NGHIỆM CỦA F.GRIFFIT 1944, Oswald Avery, Colin Malead và Maclyn MC Carti đã tách ADN từ nòi S đưa vào môi trường nuôi cấy nòi R  xuất hiện nòi S  ADN nòi S đã biến nạp vào nòi R  Rb có tính tạo vỏ. Kết luận : ADN là vật chất di truyền b. Các chứng minh trên thực khuẩn thể - 1952, Alfred Hershey và Martha Chase: 2 mẫu virus: + một mẫu trên ADN được đánh dấu bằng 32P + mẫu kia trên protein được đánh dấu bằng 35S Sau 1 chu kỳ sinh sản khi cho E. coli phát triển trên môi trường đồng vị phóng xạ 32P và 35S được dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN và protein. 1 dòng E. coli được lây nhiễm phage đánh dấu 32P và dòng kia 35S. Kết quả: 35S nằm lại ngoài tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống rỗng. 32P nằm bên trong tế bào  vi khuẩn sinh sản cho thế hệ virus mới Kết luận: vật chất di truyền của virus là ADN chứ không phải protêin 7/18/15 4 Virus Structure Capsids, Nucleic Acid, Envelope Icosahedral Enveloped Helical Bacteriophages Viruses of bacteria A complex bacteriophage 1.1.1. Thành phần hoá học và cấu trúc không gian của ADN a) Thành phần hoá học: ADN là phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi là nucleotide, mỗi nucleotide gồm: • Đường pentose, 5 cacbon (deoxyribose –C5H10O4) • Nhóm phosphates • Bazơ nitơ Nhóm phosphates liên kết với C5, bazơ với C1 7/18/15 5 CÁC GỐC BAZƠ CẤU TRÖC HÓA HỌC CỦA 4 NUCLEOTIDE TRONG ADN Nucleic acids 4 loại nucleotide của ADN: + Dẫn xuất của purine: • Adenine (A) • Guanine (G) + Dẫn xuất của pyrimidine: • Thymine (T) • Cytosine (C) • Tổng các bazơ purine bằng tổng các bazơ pyrimidine: A + G = T + C hay A = T; G = C • Tỷ lệ là 1 chỉ số đặc trưng cho loài (ví dụ: ở người là 1,52; lúa mì – 1,19; nấm men – 1,79) CG TA   James Watson and Francis Crick 7/18/15 6 b) Cấu trúc không gian của ADN 1953, James Watson và Fransis Cric đưa ra mô hình cấu trúc không gian của ADN: + Là hai mạch đơn polynucleotide xoắn nhau (chuỗi xoắn kép), + bazơ nitơ mạch này liên kết với bazơ nitơ mạch kia bằng cầu nối hiđrô, theo nguyên tắc bổ sung + Mỗi vòng của chuỗi xoắn kép dài 34A0 gồm 10 cặp bazơ, khoảng cách giữa 2 bazơ liền nhau là 3,4A0 = 0,34nm. + Các vòng xoắn nối tiếp nhau và cuốn quanh 1 trục dọc chung, các bazơ nằm ngang song song và vuông góc với trục của chuỗi xoắn kép. + Hai sợi trong phân tử ADN có hướng ngược nhau (đối nghịch song song) CÁC DẠNG CẤU TRÖC XOẮN CỦA ADN Kiểu xoắn ốc Số cặp base của 1 vòng xoắn Góc xoắn so với mặt phẳng của base h – khoảng cách giữa 2 base kề nhau (A0) Đƣờng kính của chuỗi xoắn kép (A0) A 11 +32,70 2,56 23 B 10 +360 3,38 19 C 9 +38,60 3,32 19 Z 12 -30,00 3,71 18 3 1 Từ trái qua phải A-ADN, B-ADN và Z-ADN 7/18/15 7 Từ trái qua phải B-ADN, A-ADN và Z-ADN 1.1.2. Những đòi hỏi tất yếu của vật chất di truyền mà ADN đáp ứng được. a) Vật chất di truyền phải tàng trữ tất cả thông tin cần thiết để điều khiển những cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của tế bào. b) Vật chất di truyền được tái bản một cách chính xác để truyền đạt thông tin cho các thế hệ tế bào sau. c) Vật chất di truyền phải có khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, thông tin khi đã biến đổi phải được ổn định và di truyền được 1.2. Các dạng kiến trúc các trật tự nucleotide trong ADN nhiễm sắc thể 1.2.1. ADN kiến trúc đơn bản  Genome của virus và vi khuẩn chỉ chứa dạng ADN đơn bản  Là phần ADN chính của genome.  Hầu hết các gen của genome được mã hõa bởi ADN trật tự đơn bản (trừ một số gen như gen histon, ARN ribosome) 1.2.2. Các dạng ADN kiến trúc lặp bản, các ý nghĩa của chúng • ADN có các trật tự lặp lại với bội số trung và cao. + Trung bình: số bản sao 20 – 50 + Cao: số bản sao 250 – 6000 hoặc 105 • ADN có các trật tự lặp lại với bội số rất cao :106 bản • Ý nghĩa: Tham gia vào quá trình tiếp hợp của đôi NST tương đồng, tham gia vào quá trình trao đổi chéo gen, quá trình tái cấu trúc của NST và quá trình hoạt hoá gen. Ngoài ra còn bảo vệ các gen qua trọng, bảo toàn khối liên kết gen... 1.3. Tái bản ADN 1.3.1. Nguyên lý bản bảo toàn Trong cơ chế tái bản bán bảo toàn, chuỗi xoắn kép được tách ra 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn của ADN gốc được dùng làm khuôn cho tổng hợp 1 mạch mới. Kết quả 2 chuỗi kép được hình thành, mỗi một trong chúng chứa một mạch gốc và một mạch mới. CÁC GIẢ THIẾT TÁI BẢN ADN a) Kiểu bảo toàn; b) Kiểu bán bảo toàn; c) Kiểu phân tán 7/18/15 8 THÍ NGHIỆM CỦA MESELSON - STAHL (1957 ) Dựa vào hiệu lực của đồng vị phóng xạ nặng 15N và kỹ thuật tách các đại phân tử trên cơ sở trọng lượng: + Nuôi E. coli qua một số thế hệ với nguồn độc nhất chứa 15N. + Đặt một mẫu các tế bào vi khuẩn chứa 15N trong môi trường 14N đến khi ADN tái bản trở lại  đưa ADN này vào ly tâm siêu tốc. + Một thế hệ thứ 2 lại được cho phát triển trong môi trường 14N  ADN lại được đưa vào siêu ly tâm. (Dung dịch chloride cesium – CsCl  được dùng trong siêu ly tâm, nó tạo thành 1 gradien nồng độ liên tục. Khi cho ADN vào chúng sẽ lắng xuống với 1 hàm lượng tương đương với nồng độ chúng). Kết quả: • Các mẫu thí nghiệm chứa nhiều ADN nhẹ hơn. • Thế hệ thứ nhất: ADN lai có tỉ trọng nằm giữa ADN nặng 15N và ADN nhẹ 14N. • Thế hệ thứ 2: ½ số phân tử ADN là lai, nửa còn lại là ADN nhẹ 14N. Kết luận: ADN được tái bản theo kiểu bán bảo toàn 1.3.2. Cơ chế tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ Là một quá trình phức tạp, trải qua các cơ chế chung sau: • Tách rời hai mạch • Phải có đoạn mồi (primer): là đoạn ADN hay ARN mạch đơn ngắn bắt cặp với mạch đơn khuôn • Đủ 4 loại nucleosid triphosphat (dATP, dGTP, dTTP, dCTP) bắt cặp bổ sung với các nucleotide mạch khuôn • Mạch mới tổng hợp theo hướng 5’P  3’OH • Các nucleotide mới được nối với nhau bằng liên kết cộng hóa trị để tạo mạch mới 7/18/15 9 Hệ enzyme tái bản ADN: ADN – polymerase I : 400 phân tử trong 1 tế bào, TLPT- 109.000 dalton Chức năng: sửa chữa ADN ADN - polymerase II: 100 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- 120.000 dalton Chức năng: xác định sự bắt đầu tổng hợp 1 phân đoạn mới ADN và kết thúc sự tổng hợp ADN. ADN - polymerase III: 10 phân tử trong 1 tế bào. TLPT- 180.000 dalton. Chức năng: gia tăng chiều dài của sợi mới được tổng hợp. Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn) Năm 1969 R. Okazaki chứng minh kiểu tái bản nửa gián đoạn của ADN: Bằng cách đánh dấu nhanh ADN đang tái bản với 3H - thimidin Okazaki đã chứng minh: ADN mới tái bản đều ở dạng những đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu (đoạn okazaki). Đoạn okazaki được bắt đầu bằng một đoạn ngắn (10 đơn vị), ARN mồi. Đoạn mồi dùng làm chất mồi kéo dài tiếp chuỗi polydeoxyribonucleotit, Nu gắn vào đầu 3’–OH tự do và kéo dài, theo chiều 5’–3’ .Sau khi loại bỏ ARN và lấp đầy khoảng trống dưới tác dụng của ADN- polymerase I các đoạn okazaki được nối lại với nhau bằng enzim nối ADN ligase. I. Quá trình tháo xoán chuỗi kép: • Enzyme gyrase (một loại enzyme topoizomerase) cắt ADN làm tháo xoắn. • Enzyme helicase (rep) tham gia tách mạch tạo chạc ba sao chép (helicase sử dụng năng lượng ATP làm đứt các liên kết hydro) • Các protein làm căng mạch SSB (single Strand binding) gắn vào các mạch đơn ADN làm chúng tách nhau và thẳng ra. Mỗi SSB bám vào 8 bazơ của sợi đơn ADN. Cơ chế tái bản ADN ở E.coli Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn) II. Quá trình lắp ráp các nuleotit ở chạc tái bản:  ADN-polymerase III gắn vào mạch khuôn và lắp các nucleotide bổ sung vào vị trí tương ứng  Mạch khuôn có đầu 3’ được tổng hợp ngay mạch bổ sung 5’  3’ (mạch trước – leading trand) hướng vào chạc ba.  Mạch khuôn 5’  3’ (mạch khuôn sau) được tổng hợp phức tạp hơn theo hướng từ chạc ba ra ngoài. 7/18/15 10 Các bước tổng hợp mạch khuôn 5’  3’ • Enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10 nucleotide có trình tự bổ sung với mạch khuôn • ADN-polymerase III nối theo mồi ARN tổng hợp các đoạn ngắn 1000 – 2000 nucleotide – các đoạn Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại. • Enzyme ADN-polymerase I nhờ hoạt tính exonuclease 5’  3’ cắt bỏ ARN mồi, lắp các nucleotide của ADN vào chỗ trống và thực hiện polymer hóa hƣớng 5’  3’. • Khe hở giữa các đoạn okazaki được nối liền nhờ enzyme ADN ligase. Mạch được tổng hợp theo hướng từ chạc ba ra ngoài gọi là mạch sau (lagging strand). CHẠC TÁI BẢN 3 Polymerase III Leading strand base pairs 5’ 5’ 3’ 3’ Supercoiled DNA relaxed by gyrase & unwound by helicase + proteins: Helicase + Initiator Proteins ATP SSB Proteins RNA Primer primase 2 Polymerase III Lagging strand Okazaki Fragments 1 RNA primer replaced by polymerase I & gap is sealed by ligase MÔ HÌNH HIỆN TƢỢNG TÁI BẢN CỦA ADN E.COLI MÔ HÌNH HIỆN TƢỢNG TÁI BẢN CỦA ADN E.COLI 7/18/15 11 MÔ HÌNH TÁI BẢN ADN DẠNG VÕNG CỦA E.COLI 1.3.3 Tái bản ADN ở sinh vật nhân chuẩn • Quá trình chung giống như ở Prokaryote • Tái bản ADN ở eukaryote phức tạp hơn và có tốc độ chậm hơn • Khởi sự tái bản xảy ra từ nhiều điểm (đơn vị tái bản - replicon) và thường diễn ra theo hai chiều. • Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao chép, điểm nào đã sao chép qua 1 lần rồi thì không lặp lại trước khi toàn bộ ADN được sao chép hoàn toàn. MÔ HÌNH TÁI BẢN ADN Ở EUKARYOTE 1.3.3 Tái bản theo cơ chế vòng lăn • ADN vòng được khía (cắt) 1 mạch tại điểm khởi đầu sao chép bởi 1 loại protein khởi đầu • Protein khởi đầu luôn bám ở đầu 5’, còn đầu 3’ như là mồi (primer) cho sự tổng hợp ADN được diễn ra dưới tác động của ADN- polymerase III. • Trên mạch đơn không bị cắt sự tái bản được diễn ra liên tục theo vòng tròn. • Mạch bị cắt đứt sự tổng hợp ADN diễn ra không liên tục, theo từng đoạn okazaki gồm các bước sau: + ARN polymerase bám vào điểm khởi đầu và tổng hợp ARN mồi. + ADN polymerase III nối theo ARN mồi tổng hợp các đoạn okazaki. + ADN polymerase loại bỏ các đoạn ARN mồi + Enzyme ADN lygase gắn các đoạn okazaki tạo 1 vòng ADN kép hoàn chỉnh. TÁI BẢN THEO KIỂU VÕNG LĂN Rep protein (plasmid encoded) dso (double strand replication origin) DNA pol III sso (single strand replication origin) RNA primer (primase) Elongation 1. DNA pol I 2. DNA pol III 7/18/15 12 1.4 Tế bào nhân sơ và tế bào nhân chuẩn 1.4.1 Đặc điểm cấu trúc nhiễm sắc thể ở sinh vật nhân sơ • Sinh vật nhân sơ (prokaryote) bao gồm vi khuẩn (bacteria), xạ khuẩn (actinobacteria) và khuẩn lam (cyanophyta). • Tế bào sinh vật nhân sơ chưa có nhân hoàn chỉnh – chưa có màng bao bọc. • Cấu tạo tế bào: màng tế bào, khối nguyên sinh, thể nhân, ribosome và mezosome (ty thể dạng sơ khai) • Thể nhân chứa ADN trần dạng vòng được bao quanh bởi chất nhân (nucleoplasma). Prokaryotic flagella Nucleoid region (DNA) Ribosomes Plasma membrane Cell wall Capsule Pili SƠ ĐỒ CẤU TẠO VI KHUẨN CÁC DẠNG VI KHUẨN Escherichia coli (e.coli) • DNA dạng vòng, dài 1mm gồm 4 x 106 đôi base chứa khoảng 1500 gen. • Trong thể nhân, DNA được tổ chức dưới dạng các cấp co xoắn. • Phương thức truyền đạt vất chất di truyền cho thế hệ sau: + Phân chia đơn giản hoặc phân cắt sau quá trình tự nhân đôi của NST. + Ngoài NST chính, vi khuẩn còn có các plasmid mang ADN vòng, kép có khả năng tự sao độc lập với NST. Bacteria DNA Plasmid KHUẨN LAM (CYANOPHYTE BACTERIA) Cấu tạo: + Vùng phía ngoài chứa thể sắc lạp thực hiện chức năng quang hợp + Vùng phía trong chứa thể nhân + Khuẩn lam có chứa ribosome và mezosome. 7/18/15 13 Xạ khuẩn (Actinobacteria; tiếng Anh: Actinomycetes) là một nhóm vi khuẩn thật (Eubacteria) phân bố rất rộng rãi trong tự nhiên. Trước kia được xếp vào Tản thực vật (tức nấm), nhưng ngày nay chúng được xếp vào vi khuẩn (Schizomycetes) Xạ khuẩn có nhiều nét khác với nấm nhưng giống vi khuẩn: * Có giai đoạn đơn bào và có giai đoạn đa bào * Kích thước rất nhỏ * Nhân giống với vi khuẩn, không có màng nhân và tiểu hạch * Vách tế bào không chứa cellulose hoặc kitin, giống với vi khuẩn * Phân chia tế bào giống với vi khuẩn (kiểu Amitose) * Xạ khuẩn không có giới tính (không có tế bào đực cái) * Hoại sinh và ký sinh Xạ khuẩn sống trong đất, tham dự vào quá trình chuyển hóa tự nhiên của nhiều hợp chất trong đất. MỘT SỐ LOÀI XẠ KHUẨN Xạ khuẩn chi Streptomyces 1.4.2 Đặc điểm cấu trúc nhân của sinh vật nhân chuẩn (Eukaryote) - Tế bào có cấu trúc nhân hoàn chỉnh – nhân có màng bao bọc, có từ 2 NST trở lên. - Nhân tế bào: + Màng nhân + Dịch nhân: dạng keo, là nơi chứa chất nhiễm sắc, tiểu hạch + Chất nhiễm sắc: là vật chất di truyền của tế bào (ADN và protein) – chromatin. + Tiểu hạch - Phương thức truyền đạt vật chất di truyền cho thế hệ sau: Phương thức hoạt động chính xác của các NST trong nguyên phân và giảm phân với các cơ chế sinh học chặt chẽ như cơ chế tự nhân đôi, phân ly và tổ hợp của các NST. Có khối lượng nhiều loại protein khác nhau kết hợp với ADN trong NST (80%): + Protein histon (protein bazơ). + Protêin không có histon (protein axít). MÀNG NHÂN • Là màng sinh học kép, có các lỗ thông với bào chất, có tính bán thấm. • Cấu trúc: gồm 2 lớp màng lipoproteit: màng trong và màng ngoài. Giữa 2 lớp màng là xoang quanh nhân. CẤU TRÖC MÀNG NHÂN TIỂU HẠCH • Phần bắt mầu hiện rõ ở pha tĩnh kỳ • Mỗi nhân thường có 1 tiểu hạch • Khi tế bào phân chia tiểu hạch tan và được khôi phục lại ở mạt kỳ. • Đoạn ADN đi qua tiểu hạch luôn ở trạng thái chức năng, chứa nhiều bản gen ARNr. • Là nơi sản xuất ra ARNr. • Cấu tạo: ribonucleoproteit dạng hạt, ribonucleoproteit dạng sợi, các protein không định hình, sợi cromatin. 7/18/15 14 Cytoskeleton Ribosomes Centriole Lysosome Flagellum Not in most plant cells Nucleus Smooth endoplasmic reticulum (ER) Golgi apparatus Rough endoplasmic reticulum (ER) Mitochondrion Plasma membrane • Mô hình tế bào động vật • An idealized plant cell Cytoskeleton Mitochondrion Nucleus Rough endoplamsic reticulum (ER) Ribosomes Smooth endoplasmic reticulum (ER) Golgi apparatus Plasmodesmata Plasma membrane Chloroplast Cell wall Central vacuole Not in animal cells MÔ HÌNH CẤU TẠO NHÂN 1.5. Cấu trúc trên phân tử của sợi nhiễm sắc 1.5.1. Thành phần hoá học của sợi nhiễm sắc • Sợi ADN dài (mỗi NST bình quân dài khoảng 4 cm, ở trung kỳ dài khoảng 4µm). • Các protein histon • Protein phi histon • ARN (gọi là các ARN nhân) • Một số ion kim loại: Ca2+, Mg2+, Na+ 1.5.1. Thành phần hoá học của sợi nhiễm sắc Histon: là các protein có phân tử ngắn, chứa khoảng 100 – 200 axit amin Có 5 loại histon: H1, H2A, H2B, H3, H4 + H1: giàu lizin, 21 kdalton + H2A, H2B + H3, H4 : giàu acginin , 10-15 kdalton +Tỷ lệ H1: H2A: H2B: H3: H4 – 1:2:2:2:2 1.5.2. Cấu trúc cơ bản (bậc 1) của sợi nhiễm sắc • Mức đơn giản nhất là nuclesome: cấu tạo từ 8 phân tử histon (octamer), được cuộn quanh bởi ADN. • Octamer histon gồm: + 2 phân tử H3 và 2 phân tử H4 liên kết ở vùng trung tâm. + 2 phân tử H2A và 2 phân tử H2B liên kết phía ngoài • Trong mỗi nucleosome, octamer histon được quấn bởi 1 ¾ vòng sợi ADN, mỗi vòng dài 80 cặp Nu, làm thành vòng quấn 146 cặp Nu của ADN quấn quanh 8 phân tử histon. • Mỗi nucleosome có đường kính 110A0, như vậy sợi ADN cuộn tròn, quấn quanh histon được giảm chiều dài theo hệ số 7. • Nucleosome này nối với nucleosome kia bằng ADN nối (15 - 100 cặp Nu) -> Sợi cơ bản của NST (100A0) 7/18/15 15 MÔ HÌNH 1 VÕNG XOẮN CỦA NST General model for the nucleosomal core Nucleosome core particle Structure of the Nucleosome (1997) 7/18/15 16 1.5.3. Cấu trúc solenoid (bậc 2) và các mức kết tụ, ý nghĩa • Solenoid: mức xoắn bậc hai của sợi NS (đường kính 300A0). • Mỗi bước cuộn xoắn của solenoid trung bình 6 nucleosome. • Trong NST trung kỳ, solenoid cuộn xoắn một lần nữa (bậc ba)  một ống rỗng (đường kính 2000A0)  ADN với chiều dài đã co giảm theo hệ số 18. • Ống 2000A0 cuộn xoắn tiếp  cuộn xoắn lớn hơn – bậc bốn (đường kính 2000A0)  cromatit ở kỳ giữa. Ý nghĩa: Giải quyết hai vấn đề cơ bản: • Hoạt hoá gen - thể hiện thông tin di truyền. • Vận động – phân phối đều và chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào. Kết luận: Cấu trúc trên phân tử của sợi NST và quá trình kết tụ của nó có ý nghĩa lớn trong sự hoạt hoá gene - thể hiện thông tin di truyền, và trong sự vận động phân phối đều và chính xác vật chất di truyền cho các thế hệ tế bào. ADN, với mô hình cấu trúc ở cấp độ phân tử, và mô hình về cấu trúc trên phân tử (NST) của nó đã chứng tỏ tính hoàn thiện tối cao của vật chất mang thông tin di truyền - vật chất trung tâm của sự sống. 1.6. Cấu trúc nhiễm sắc thể ở trung kỳ 1.6.1. Cấu trúc hình thái NST trung kỳ - Dạng kép (do có sự nhân đôi sợi NS). - Kích thước lớn nhất. 7/18/15 17 HÌNH THÁI NHIỄM SẮC THỂ Ở TRUNG KỲ  Tâm động(centromere): + Là khối ADN – protein bền vững, có nhiều ADN dạng kiến trúc trùng lặp với bội số cao. + Là nơi đính vào của các sợi tơ vô sắc để NST tách ra và chạy về hai cực của tế bào. + Thường mỗi NST có 1 tâm động. Vị trí của tâm động quyết định hình dáng NST.  Vai NST  Eo thắt (secondnary constriction)  Thể kèm (Satellite): vai trò trong tổng hợp ARN riboxom của tế bào. Chỉ cí một số NST có eo thắt và thể kèm. CÁC DẠNG NHIỄM SẮC THỂ • Dạng cân • Nhiều tâm • Dạng lệch • Không tâm • Tâm mút 1.6.2. Kiểu nhân • Khái niệm: Bộ NST đầy đủ các đặc điểm về hình thái và số lượng cụ thể gọi là kiểu nhân (Karyotype) của loài đó. • Đôi NST tƣơng đồng: 1 chiếc có nguồn gốc từ bố (giao tử đực), chiếc kia có nguồn gốc từ mẹ (giao tử cái). • Thiết lập nhân đồ (idiogram): thiết lập hình vẽ diễn tả đặc điểm hình thái, kích thước, các băng đặc trưng của từng cặp NST tương đồng và xếp chúng theo thứ tự. Kiểu nhân của Ngô (Zea may) Kiểu nhân của lúa (Rice) Kiểu nhân cà chua 7/18/15 18 1.6.3. Chất nguyên nhiễm sắc, chất dị nhiễm sắc, phân lập các NST Chất nhiễm sắc: ADN với protein histon và protein phi histon. Do tính chất kết tụ của sợi ADN với các protein ở các vùng nào đó trên NST là khác biệt so với bình thường làm cho vùng bắt màu đậm hơn – vùng dị nhiễm sắc (heterochromatin) và vùng bình thường vùng nguyên nhiễm sắc (euchromatin). Vùng dị nhiễm sắc tập trung nhiều dạng ADN có dạng kiến trúc trùng lặp bội số cao. • Vị trí: Ổn định và không ổn định. • Gen ở vùng dị nhiễm sắc thường bất hoạt • Dựa vào vùng dị nhiễm sắc ổn định để phân biệt NST khi chúng có kích thước, hình dạng giống nhau. Tiêu chuẩn để phân lập các NST: + Hình dạng NST + Kích thước NST + Vị trí các băng ổn định 1.7. Chu kỳ tế bào và phân chia nguyên nhiễm 1.7.1. Chu kỳ tế bào Khái niệm: là quá trình hoạt động của tế bào từ lần phân chia này tới lần phân chia tiếp theo.Gồm 2 giai đoạn: tĩnh kỳ và giai đoạn phân chia Tĩnh kỳ: + Giai đoạn trước tổng hợp ADN (G1): tế bào chuẩn bị cơ sở vật chất để bước vào tổng hợp ADN. + Giai đoạn tổng hợp ADN (S): tái bản ADN NST,tổng hợp protêin. + Giai đoạn sau tổng hợp ADN (G2): tích lũy năng lượng, chuẩn bị vất chất để bước vào giao đoạn phân chia. Giai đoạn phân chia (M): • Phân chia nguyên nhiễm (mitosis) + Tiền kỳ + Hậu kỳ + Trung kỳ + Mạt kỳ Kết quả từ một tế bào (2n)  2 tế bào (2n) • Phân chia giảm nhiễm (meiosis) + Giảm phân I +Giảm phân II 1.7.2. Phân chia nguyên nhiễm. Cơ chế và ý nghĩa • Khái niệm: là phương thức phân chia cơ bản và phổ cập nhất của tế bào. Quá trình phân chia gồm 4 giai đoạn, kết quả từ một tế bào mẹ cho hai tế bào con có số lượng NST ko đổi. • Các dạng tế bào phân chia nguyên nhiễm ở thực vật: + Tế bào hợp tử + Tế bào mô phân sinh + Tế bào mô sẹo + Tế bào tiểu bào tử và đại bào tử Tiền kỳ (prophase) Centrosome separation beginning Intact nuclear envelope Centrosomes Condensing chromosomes Condensing chromosomes Intact nuclear envelope NST bắt đầu co xoắn, màng nhân và hạch nhân tan dần. Cuối tiền kỳ, bộ máy hữu ty hình thành, NST ngắn và rộng, mỗi NST gồm 2 sợi cromatid đính với nhau ở tâm động. 7/18/15 19 Trung kỳ (metaphase) Spindle poles Spindle poles Metaphase plate Pole Pole Pole Pole Metaphase plate Đầu trung kỳ Trung kỳ Hậu kỳ (Anaphase) Metaphase plate Pole Pole Pole Pole Metaphase plate Hai sợi cromatid của NST tách nhau tại tâm đông và chuyển động về 2 cực nhờ hoạt động của tơ kéo. Tế bào chất bắt đầu được phân chia. Mạt kỳ (telophase) Đầu mạt kỳ, các NST tụ lại ở 2 cực tế bào và bắt đầu tháo xoắn. Màng nhân và hạch nhân được hình thành. Early Prophase Early prophase Early mitotic spindle Pair of centrioles Centromere Aster Chromosome, consisting of two sister chromatids Late prophase Fragments of nuclear envelope Polar microtubules Kinetochore Kinetochore microtubule Spindle pole Late Prophase Metaphase Metaphase plate Spindle Metaphase Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/ 7/18/15 20 Daughter chromosomes Anaphase Anaphase Telophase and Cytokinesis Telophase and cytokinesis Nucleolus forming Contractile ring at cleavage furrow Nuclear envelope forming 1.7.2. Phân chia nguyên nhiễm. Cơ chế và ý nghĩa Ý nghĩa của nguyên nhiễm: • Xây dựng lên cơ thể đa bào từ tế bào ban đầu. • Các TTDT được truyền nguyên vẹn vì vậy mọi tế bào của cơ thể đa bào có bộ máy di truyền như nhau. • Các gen khác nhau hoạt động ở các nhóm tế bào - tế bào phân hóa chức năng do có cơ chế hoạt hóa diễn ra trong quá trình phát triển cá thể • Qua phân bào gene mới hoạt hóa. Lớp Học Phần VNUA ( Khoa Nông Học ) - Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam https://sites.google.com/site/lophocphank57vnua/