Chương 6 CHỌN LỌC TRONG DI TRUYỀN QUẦN THỂ potx

Chương 6 CHỌN LỌC TRONG DI TRUYỀN QUẦN THỂ Lý thuyết về chọn lọc tự nhiên được dựa trên một giả thuyết là một vài kiểu di truyền trong quần thể có một tiến bộ nào đó đối với cái khác tr

Chương 6

CHỌN LỌC TRONG DI TRUYỀN QUẦN THỂ

Lý thuyết về chọn lọc tự nhiên được dựa trên một giả thuyết là một vài kiểu di truyền trong quần thể có một tiến bộ nào đó đối với cái khác trong quá trình sinh tồn và sinh sản (Li, 1982)

Trong đó sự chọn lọc có thể xảy ra một cách mạnh mẽ để có số tổ hợp gen đang hoạt động trong từng cá thể Đối với một locus, có ba alen thì có sáu kiểu gen đang hoạt động trong cây lưỡng bội Nếu xem xét 200 loci, sẽ phải có 6200 kiểu gen có thể xãy ra Nếu có

5000 loci trong 1 hợp tử (zygote), số lượng genotypes sẽ là một con số khổng lồ Do đó xác suất cho sự phối hợp gen là không có giới hạn Điều đáng ngạc nhiên là, không có hai cá thể nào (trừ sinh đôi) giống nhau một cách hoàn toàn trong tất cả các gen, trong quần thể giao phối ngẫu nhiên Do đó, trong quần thể lớn, thời gian đã tạo cho nó trở thành một kho dự trữ khổng lồ về sự biến dị (potential variability) Đặc tính nầy có thể được gọi là tính chất mềm dẽo của một quần thể (plasticity)

Khi điều kiện môi trường thay đổi, các kiểu gen biểu hiện có thể không còn thích hợp, nhưng một quần thể có tính chất “plastic” có thể thông qua một sự tái hợp được gọi là

“genotypical recombination” (tái tổ hợp kiểu gen) để có những loại hình mới, có tính thích nghi hơn Tính chất thích nghi nầy biểu thị một sự đáp ứng cuả quần thể hơn là của cá thể Trong một quần thể lớn, sự chọn lọc có thể được xem như một lực quan trọng nhất đáp ứng với sự thay đổi các tần suất gen

Sự thay đổi nầy là bước đầu tiên cuả quá trình tiến hoá

Trong hầu hết các phần sau đây, chúng ta sẽ xem xét mô thức đơn giản nhất: một cặp alen đơn mà ảnh hưởng cuả nó đối với sự thích nghi của sinh vật được giả định như độc lập đối với tất cả các loci khác

6-1 PHƯƠNG PHÁP CHỌN LỌC

6-1-1 LOẠI TRỪ HOÀN TOÀN TÍNH LẶN

Bảng 6-1: Tỉ lệ của nhiều kiểu gen trong quần thể trước và sau khi chọn lọc

Trước khi chọn lọc

Sau khi chọn lọc

p2

p2

p2 + 2pq

2pq 2pq

p2 + 2pq

q2

0

q

q

1 + q

Đây là quần thể giao phối

để tạo thế hệ kế tiếp Thế hệ kế đo

trước khi chọn lọc 1 (1 + q)2 2q

(1 + q)2 q2

(1 + q)2 q

(1 + q)

Giả sử rằng các cá thể lặn (aa) của một quần thể giao phối ngẫu nhiên và lớn, hoàn toàn bị loại trừ khỏi quần thể và chỉ có những cá thể trội được phép giao phối, sinh sản Như vậy, mối quan hệ giữa hai giá trị liên tục cuả q là

qn+1= - (1)

Thông số chung qn sau n thế hệ loại trừ hoàn toàn các cá thể lặn sẽ là

Trong đó q0 là tần suất gen khởi đầu trước khi chọn lọc Mức thay đổi cuả q trong từng thế hệ

là

Thí dụ, có một sự loại trừ hoàn toàn một kiểu gen đồng hợp tử nào đó trong tự nhiên có chứa gen gây chết (lethal) và gen bất dục (sterility) Giá trị q giảm rất nhanh khi q lớn, mức độ giảm này kém đi khi q trở nên nhỏ Cũng như vậy, từ phương trình (2), chúng ta thấy qn= 1/2q0 khi nq0 = 1 Nói cách khác, tần suất gen bị giảm một nửa trong giai đoạn n = 1 / q0 các thế hệ

6-1-2 CHỌN LỌC KHÔNG HOÀN TOÀN ĐỂ LOẠI TÍNH LẶN

Giả sử các cá thể tính trội có nhiều ưu điểm trong chọn lọc Đối với con lai có chứa các gen trội, thì số con lai có chứa gen lặn là (1-s) Trong đó s là số dương nằm giữa 0 và 1

thường được gọi là hệ số chọn lọc (coefficient of selection) đối kháng lại tính lặn Nó là một

phép tính: cường độ chọn lọc

Giá trị cuả biến s biến thiên rất lớn đối với những tính trạng khác nhau

s = 1 đối với gen lặn gây chết (lethal) Đối với nhiều con ruồi Drosophila thuộc loại

nửía chết (semilethals), s ≤ 0.90, trong khi ở các tính trạng không mong muốn khác s biến thiên từ 0.50 đến 0.10

s = 0 đối với tính trạng trung tính (neutral), không tốt, không xấu

Tỉ lệ con lai được tạo ra do dominants và recessives : 1 / (1-s) được gọi là “fitness” (tính thích nghi), “giá trị sinh tồn”, “giá trị thích nghi”, “mức độ sinh sản” của cả 2 nhóm cá thể Ảnh hưởng chọn lọc không hoàn toàn trên tần suất gen cuả quần thể giao phối ngẫu nhiên được trình bày như sau:

Bảng 6-2: Chọn lọc không hoàn toàn để loại các cá thể lặn

Tỉ số ban đầu

Relative fitness

p2

1

2pq

1

q2 1-s

1

Sau khi chọn lọc p2 2pq q2(1-s) 1-sq2

Mối quan hệ giữa hai tần suất gen này:

Trong đó pn + qn = pn+1 + qn+1 = 1

Giá trị q giảm do việc chọn lọc cá thể aa

q

q q q

q q

+

−

=

− +

= Δ

1 1

2

n sq

p

n 1 2

1−

=

+

n sq

sq q

1

) 1 (

−

−

=

+

2

2 1

1

) 1 (

sq

q sq q q

q

−

−

−

=

−

=

Δ

(5)

Chọn lọc với một cường độ định sẵn (s cố định) cho hiệu quả tốt nhất đối với các tính trạng thông thường trong một quần thể, nhưng không có hiệu quả đối với các tính trạng hiếm Thí dụ, nếu s = 0.20 để loại cá thể aa, thì giá trị Δq sẽ là:

Khi q quá nhỏ, Δq = -sq2 Nếu chọn lọc ưu tiên cho cá thể lặn, công thức sẽ đổi lại dấu (1 - s) thành (1 + s)

6-1-3 CHỌN LỌC TỪ TỪ ĐỂ LOẠI TÍNH LẶN (slow selection)

Nếu hệ số chọn lọc để loại cá thể lặn nhỏ, sự thay đổi tần suất gen sẽ là một quá trình xảy ra rất chậm chạp trong sự tiến hoá cuả nó

Sự thay đổi q ở từng thế hệ do áp lực chọn lọc:

Δq = -sq2(1 - q)

Δq tối đa khi q = 2/3

Để tính Δq, chúng ta thay nó bằng dq/dt, trong đó t là thời gian của mỗi thế hệ

; Trong n thế hệ:

(7) (7')

6-1-4 CHỌN LỌC Ở MỨC ĐỘ GIAO TỬ (GAMETIC) VÀ DỊ HỢP TỬ TRUNG GIAN (INTERMEDIATE HETEROZYGOTE)

Chọn lọc có thể xảy ra ở giai đoạn giao tử (gametic) nhiều hơn ở giai đoạn hợp tử (zygotic stages) Người ta biết rằng một kiểu gamete nào đó sẽ tạo nhiều thuận lợi cho việc thụ tinh sau nầy Nếu sự đóng góp của giao tử A và a vào thế hệ sau là 1: (1 - s), và tần suất cuả chúng trong quần thể là p và q, theo thứ tự, thì trong thế hệ kế tiếp, tần suất này sẽ là p và q(1-s) theo thứ tự

p + q(1 -s ) = 1 - sq

(8)

) 1 (

2

q sq dt

q q

− ) 1 (

2

sn dt s q q

qn

q

−

=

−

=

∫

0 0

2(1 )

) 1 (

) 1 ( log

1 log

1 log 1 1 1

log 1

0

0 0

0

0

0 0

0

q q

q q q

q

q q

q

q q

q q

q q

q q

sn

n

n e

n n

e n

n e n

qn

q e

−

− +

−

=

−

−

− +

−

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

=

sq

q sq q sq

s q

q

−

−

−

=

−

−

−

=

Δ

1

) 1 ( 1

) 1 (

Chọn lọc hợp tử trong trường hợp không có tính trội

Tỉ số ban đầu

Mức thích nghi

tương đối

p2

1

2pq 1-s

q2 1-2s

1

Sau khi chọn lọc p2 2pq(1-s) q2(1-2s) 1-2sq Tần suất trong thế hệ kế tiếp:

(9) Nếu s nhỏ (slow selection), mức giảm của q trong (8) và (9) là

Δq= -sq(1 - q)

Nói cách khác, chọn lọc loại các hợp tử (zygotes) trong điều kiện không có tính trội thì cũng tương đương như chọn lọc loại bỏ trực tiếp các giao tử (gametes)

Do đó:

(10) Thí dụ: cho s = 0.01 trong trường hợp chọn lọc loại bỏ gen a (0.01 đối với Aa và 0.02 đối với aa) Số thế hệ cần thiết để giảm q0 = 0.40 đến qn = 0.04

6-1-5 CÂN BẰNG KHI CHỌN LỌC CÁC DỊ HỢP TỬ CÓ ÍCH

Nếu giá trị thích nghi của các dị hợp tử có ưu thế hơn cả hai thể đồng hợp tử (trội và lặn), thì trạng thái này sẽ khác hơn bốn kiểu chọn lọc trên đây Tần suất gen sẽ tiến đến một trạng thái cân bằng rất ổn định (stable equilibrium value) thay vì tiến đến zero hoặc một giới hạn nào đó (Fisher 1922, 1930, Haldane 1926, Wright 1931)

pq + q2 = q

(11) Khi s1p = s2q, tần suất gen sẽ không thay đổi Δq = 0

(12)

Những giá trị cân bằng nầìy độc lập với tần suất gen ban đầu của quần thể Nó hoàn toàn được xác định bởi các hệ số chọn lọc loại bỏ các đồng hợp tử

sq

q sq q sq

s sq q

q

2 1

) 1 ( 2

1

) 1 (

−

−

−

=

−

−

+

−

=

Δ

sn dt s q q

qn

q

−

=

−

=

∫

0

0 (1 )

) 1 (

) 1 ( log

1 log

0 0

q q q

q sn

n

n e

q

q n

n e

n

−

−

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

=

277 60 0 04 0

96 0 40 0 log 303 2

=

x

x x

n

2 2

2 1

2 1 2

2

2 1

2 2

1

) (

q s p s pq q q s p s

q s q q

−

−

−

=

−

−

−

−

=

Δ

2 1

2 '

s s

s p

+

=

2 1

1 '

s s

s q

+

=

Bảng 6-3: Chọn lọc các dị hợp tử có ích

Tỉ số ban đầu

Relative fitness

p2 1-s1

2pq

1

q2 1-s2

1.00

Sau khi chọn lọc p2(1-s1) 2pq q2(1-s2) 1-s1p2-s2q2

Độ lệch (q - q’) trong một thế hệ là q - s1 / (ss 1+ s2)

(s1 + s2)(q - q’) = (s1 + s2)q - s1

(s1p - s2q) = s1 - (s1 + s2)q

Nếu cả s1 và s2 đều nhỏ, mẫu số của (11) gần bằng 1

Δq = -(s1+ s2)pq(q - q’) (13)

Kết quả (12) có thể được khái quát hoá trong trường hợp đa alen (multiple alleles) (Wright 1949)

Giả sử tất cả dị hợp tử AiAjcó cùng giá trị “fitness” và “fitness” cuả đồng hợp tử AiAi

là 1 - si Tần suất cuả những alen A1, A2, A3 là q1, q2, q3,

Tổng Σq = 1

Sự thể hiện đối với Δq2 và Δq3 giống như trên Trong trạng thái cân bằng, tất cả Δqi = 0; cho nên siqi = Σsiqi2, hoặc :

s1q1 = s2q2 = s3q3 =

1 1 1

q1 : q2 : q3 : = : : -:

s1 s2 s3

1

s1 Nếu chỉ có hai alen, (14) sẽ trở thành (12)

Điều kiện trong đó sự chọn lọc các dị hợp tử có ích chỉ là một cách Đối với cách nầy, các alen định vị trên một locus có thể duy trì trong một trạng thái cân bằng, ổn định và duy trì các tần suất sau đó trong cùng một điều kiện môi trường Kết quả nầy được biết với thuật ngữ

∑

∑

−

−

=

−

−

−

−

=

−

−

−

−

+ + +

−

= Δ

2 2

2

2 2

1

2 3

2 2

2 1

2 1

1

1 1 1

) 1

( ) 1 1 ( 1

1

3 2

1 1

3 1 2 1 1 ) 1 ( 1

siqi

q s siqi qi

qi si

siqi q

s q

q q

s q s q s

q q q q q s q

“balanced polymorphism” (đa hình cân đối), nó tạo ra tính chất linh hoạt (plasticity) đối với một loài và có thể tạo ra một sự tiến hoá rất to lớn

6-1-6 CHỌN LỌC LOẠI BỎ DỊ HỢP TỬ

Hãy xem xét 1, 1 - s, 1 là fitness cuả AA, Aa, aa trong một quần thể giao phối ngẫu nhiên

Tần suất mới:

Do đó:

(15)

Nếu s: nhỏ và q=1/2 thì Δq = 0, nhưng đó là một điểm cân bằng không bền vững, khi q vượt khỏi 1/2

(16)

6-1-7 CHỌN LỌC TRONG QUẦN THỂ CẬN GIAO

Có hai hợp phần : inbred (cận giao)

random (ngẫu nhiên) Cho W1 và W11 là trung bình fitness của 2 hợp phần cận giao và ngẫu nhiên, theo thứ

tự

W1 = 1 - sq , W11 = 1- sq2

dW1 dW11

- = -s , - = -2sq

dq dq

và W là trung bình fitness của cả quần thể

W = FW1 + (1 - F)W11 = F(1 - sq) + (1 - F)(1 - sq2)

dW dW1 dW11

- = F - + (1 - F) - = -sF - 2sq

dq dq dq

Bảng 6-4: Chọn lọc quần thể cận giao

AA

Aa

aa

Fp

0

Fq

(1 - F)p2 2(1 - F)pq (1 - F)q2

1

1

1 - s

' 2 1 2

1

) 1 (

'

2

spq

spq q spq

q s pq

q

−

−

=

−

+

−

=

) 2 / 1 ( 2 2

1

) 1 2

−

−

=

spq

q spq

q

n

q

q e

pq

q sn

0

) 2 / 1 ( log ⎥⎦⎤

⎢

⎣

=

Tần suất mới của gen lặn trong thế hệ sau là:

q’ = 1/W[pq(1 - F) + q2(1 - F)(1 - s) + qF(1 - s)]

Δq

Rõ ràng là, những giải thích trên đây cho thấy việc chọn lọc có hiệu quả hơn trong quần thể cận giao so với quần thể panmictic (giao phối ngẫu nhiên) bởi vì có sự gia tăng cá đồng hợp tử lặn

Ảnh hưởng chọn lọc tương đương với sự kết hợp giữa chọn lọc giao tử và chọn lọc hợp tử, với tỉ số F : (1 - F)

6-2 CHỈ SỐ CHỌN LỌC (Selection index)

Mục tiêu của chúng ta là chọn những cá thể tốt nhất trong chương trình lai tạo của mình Trong trường hợp đơn giản nhất, các cá thể với các giá trị rất lớn về kiểu hình sẽ được chọn, với mục tiêu là gia tăng giá trị trung bình của tính trạng đó trong những thế hệ sắp tới Nhưng thật ra, giá trị kinh tế của một giống mới tùy thuộc rất nhiều tính trạng khác nhau Làm thế nào biết được ứng cử viên cho việc chọn lọc (tính trạng được xem như tiêu chuẩn chọn lọc) đạt hiệu quả ? Ngay cả, khi chúng ta đánh giá từng tính trạng đơn độc, có rất nhiều nguồn thông tin về giá trị di truyền của ứng cử viên Người ta chỉ có thể biết giá trị có tính chất kiểu hình của những họ hàng thân thuộc với nó Thông tin nầy giúp cho chúng ta gia tăng một cách chính xác các dự đoán về giá trị kiểu gen của cá thể Làm thế nào có cách chọn lọc tối hảo ? Phương pháp tính chỉ số này còn được gọi là thu thập thông tin từ quan hệ họ hàng (information from relatives)

Lý thuyết về chỉ số chọn lọc đã được nghiên cứu để có những giải pháp tốt cho nhà chọn giống (Bulmer 1985, Nordskog 1978, Lin 1978, Nicholas 1987)

6-2-1 Lập chỉ số trong trường hợp chọn giống vật nuôi

Chỉ số của một cá thể được chọn:

l = b1P1 + b2 P2 + b3P3 +

P: giá trị kiểu hình của từng cá thể hoặc một nhóm gia đình

b: hệ số gốc của phương trình tuyến tính

Lập hệ phương trình có chứa các phương sai và hợp sai của những tính trạng có liên quan

b1P11 + b2P12 + b3P13 = A11

b1P12 + b2P22 + b3P23 = A21

b1P31 + b2P32 + b3P33 = A31

P11 , P22 , P33 là những phương sai Trường hợp mẹ và một dòng con lai thuộc dạng “paternal half sister”: thí dụ chọn con đực và con cái để giao phối tốt cho con lai đời sau sản xuất nhiều sữa hoặc trứng:

b2P22 + b3P23 = A21

b2P32 + b3P33 = A31

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

−

=

⎥

⎦

⎤

⎢

⎣

⎡

− +

−

=

−

−

−

−

=

dq

dW F dq

dW W

q q

dq

dW F dq

dW F W

q q

F sq sF W

q q

1 2

) 1

(

11 ) 1 ( 2 / 1 1 )

1

(

) 1 ( )

1

(

Phương sai kiểu hình bằng nhau: P22 = P33 = σ2

A21 là additive covariance của cá thể với mẹ của nó Với giá trị

A31 là additive covariance của cá thể với half sib của nó, với giá trị

Do đó b2 = 1/2h2 ; b3 = 1/4h2

Chỉ số sẽ là:

l = 1/2h 2 P 2 + 1/4h 2 P 3

h2 là hệ số di truyền

Thí dụ: hãy lập một chỉ số chọn lọc bò sữa trên cơ sở năng suất sữa của bò mẹ và 10

bò có nhóm máu của dòng bố (paternal half sister) Giả sử rằng con half sister nầy đều có mẹ khác nhau mà không có quan hệ gì với con bò mẹ nầy Giả sử rằng không mối quan hệ về môi trường giữa những con half sibs nầy Hệ số di truyền của năng suất sữa là 0,35

Phương trình của chỉ số :

b2 P22 + b3P23 = A21

b2P32 + b3P33 = A31

Việc trừ đi 1 nhằm vào cá thể được chọn lọc, chưa đo đếm: số 2 tượng trưng cho bò

mẹ và số 3 tượng trưng cho trung bình của half sister

P22 = σ2 (là phương sai kiểu hình)

P23 = P32 = 0 vì mẹ và half sister được giả định rằng không có quan hệ gì về môi trường

P33 = Kσ2, trong đó K = [1 + (n - 1)t] / n

A21 là additive covariance của cá thể với mẹ = r2σ2A = r2h2σ2

Trong đó r2 =1/2A31

A31 là additive covariance của cá thể với trung bình của half sister

A31 = r3h2σ2. , trong đó r3 =1/4

Như vậy:

b2 + 0 = r2h2σ2

0 + b3Kσ2=r3h2σ2

Từ đó

b2 = r2h2 =1/2h2

b3= r3h2/K = 1/4h2K

Bây giờ, ước tính K:

t - 1/4h2 = 0.0875 Với n =10

1 +(9 x 0.0875)

K = - = 0.17875

10

Thay K vào phương trình Với h2 = 0.35

l = 0.175 P2 + 0.490 P3

Thí dụ:

Hãy dự đoán mức độ cải tiến năng suất sữa trong mỗi thế hệ Nếu 1 trong 20 con bò đã được chọn lọc với chỉ số theo kết quả thí dụ trên, và một trong hai con bò mẹ được chọn lọc với năng suất sữa của riêng nó Cho biết độ lệch chuẩn của năng suất sữa là 696 kg Giả định rằng

sự chọn lọc được thực hiện với số lượng đo đếm rất lớn

Hai cường độ chọn lọc không thể kết hợp lại với nhau vì độ lệch chuẩn của chỉ số không trùng nhau về năng suất

σ2 l = b2A21 +b3A31

= b2r2h2σ2 + b3r3h2σ2

= (b2r2 + b3r3)h2σ2

= [(0.175 x 0.5) +(0.490 x 0.25)] x 0.35 x σ2

= 0.0735σ2

σl= 0.2711 x 696

=188.69

Chọn 5% con bò với i = 2.063 (xem bảng phụ lục)

Giá trị chọn giống trung bình của những con bò được chọn là

iσl = 2.063 x 188.69 = 389.3

Chọn 50% con mẹ với i = 0.798

Giá trị chọn giống bò mẹ

Ih2σp = 0.798 x 0.35 x 696 = 194.4

Cả hai giá trị chọn giống đều lệch với giá trị trung bình của quần thể và kết quả dự đoán sẽ là trung bình cộng của hai giá trị trên:

R = 1/2(389.3 +194.4)

= 292 kg

6-2-2 Lập chỉ số trong trường hợp chọn giống cây trồng

Hiệu qủa chọn lọc (genetic advance hoặc genetic gain) trong trường hợp một tính trạng được tính theo công thức sau:

GA = i.h2 σp

Trong đó i là giá trị chuẩn của cường độ chọn lọc

Cường độ chọn lọc (%) Giá trị chuẩn của cường độ chọn lọc

1

2

5

10

20

30

2.64 2.42 2.06 1.76 1.40 1.16

h2 là hệ số di truyền nghĩa rộng

σp là căn số của phương sai theo kiểu hình

Từ công thức GA, người ta muốn biết hiệu qủa chọn lọc của nhiều tính trạng mục tiêu ngay một lúc Để làm được điều này, chúng ta phải dựa vào phương pháp lập chỉ số chọn lọc

Thoạt tiên, chúng ta phải thiết lập hai ma trận kiểu gen và kiểu hình chứa đựng các giá trị của phương sai và hợp sai tương ứng với cáctính trạng mục tiêu

Những tính trạng như vậy còn được gọi là tiêu chuẩn chọn lọc (selection criteria) Gọi [G] là ma trận của kiểu gen

Và [P] là ma trận của kiểu hình

Smith (1936) đã định nghĩa giá trị H theo công thức sau

H = a1G1 + a2G2 + + anGn