Nghiên Cứu Động Vật - Sinh Vật Nhân Chuẩn Phần 4 pot

Ba mức độ nghiên cứu về đa dạng sinh học có thể là ý đồ của các nhà sinh học phân tử: phần quan trọng nhất là xác định sự đa dạng ở mức độ cá thể sinh vật, tế bào, kiểu gene và kiểu hình

hợp này tài sản trong quá trình trao đổi chất của ADN được sử dụng mạnh trong chiến lược đã định trước và tăng sự đa dạng

Đối với nấm, Selker và các cộng sự của ông ta (1990) đã dùng

Neurospora và Rossignol cùng với các công nhân đã dùng Ascobolus trong thí

nghiệm, nhận thấy việc sử dụng kỹ thuật kết hợp ADN và kỹ thuật chuyển gene đã kết hợp lại các đôi NST tương đồng mà không bị hạn chế bởi quá trình giảm phân Khi nó xuất hiện trong tế bào ở giai đoạn trung gian (sau khi thụ tinh), nó cung cấp giá thể cho phân tử thậm chí methyl hóa ADN Trường hợp Neurospora rất ảnh hưởng trong quá trình biến dị, các gene điều chỉnh

không hoạt động đã đưa đến chết Neurosopra dường như tự nó có sự tổ hợp

và tích lũy ADN Trong khi Ascobolus có quá trình Methyl hóa các đôi khiến

cho sự tái tổ hợp không mạnh mẽ nhưng các gene được mang trên các vùng của NST được thể hiện Sự kết hợp lại của gene dưới sự khống chế của môi trường và phát triển Ở đây có rất nhiều gene được nhân lên khiến cho có sự điều phối của gene ức chế do quá trình tạo phân tử khi cặp đôi Phản ứng sinh hóa chưa giải thích được tại sao r-ARN hay các nhân tố vận chuyển lại không chịu sự chi phối của quá trình này

Nguồn gốc của gene không hoạt động cũng có thể được mang đến từ các nhân tố khuếch tán (chủ yếu là protein) mà không cần sự cặp đôi nào Các nhà sinh học phân tử cung cấp nhiều bằng chứng cho vấn đề này trên tính thuận nghịch của bằng chứng Methyl hoá ADN thường được ghi nhân trên cấu trúc của NST Chúng ta biết rằng quá trình được bắt đầu ở những trung tâm không hoạt động trên NST, nhưng làm sao nó hoạt động và cái gì kích thích nó vẫn còn bí ẩn Điểm quan tâm ở đây là quá trình tổ hợp không cần toàn bộ chiều dài của NST và phần không hoạt động là tạm thời Sự sao chép đó chịu tác động của các yếu tố môi trường

5 Khả ứng dụng di truyền trong việc xác định tính đa dạng sinh học

Chúng ta đều thống nhất rằng con người là loài sinh vật chủ đạo trong giới sinh vật Trong hoạt động của mình, con người đã thực hiện thành công vai trò chủ đạo trong việc quản lý hàng ngàn loài của hệ sinh thái thông qua sự thay đổi liên tục đời sống của các sinh vật xuất hiện trên trái đất Một vấn đề xảy ra rỏ ràng nhất là sự suy giảm nhanh chóng đa dạng sinh học các hệ sinh thái (phá rừng là một dẫn chứng tiêu biểu) Giáo sư F Di Castri và Y Younes (1990) đã tổng kết rằng: Chúng ta chỉ có một ít kiến thức về nguồn gốc của sự đa dạng sinh học, mức độ chịu đựng và ổn định của loài (chỉ ở mức bắt đầu của sự ổn định và quá trình phá hủy) và sự xuất hiện của loài chủ đạo

Ba mức độ nghiên cứu về đa dạng sinh học có thể là ý đồ của các nhà sinh học phân tử: phần quan trọng nhất là xác định sự đa dạng ở mức độ cá thể (sinh vật, tế bào, kiểu gene và kiểu hình) và hoạt động của chúng cùng với tính thích nghi (sinh lý và điều chỉnh), phần thứ hai là các thông tin của các quá trình phân tử và phần cuối cùng là phần suy đoán về hệ sinh thái, đó và việc mà chúng ta chưa có nhiều kinh nghiệm

Đa dạng sinh vật trên thực vật thể hiện sự thích nghi với môi trường thông qua đa dạng ADN ADN là một đơn vị mà trong cấu trúc của nó cung cấp thông tin về di truyền và quá trình chuyển hóa của tạo sự nhân bản và biến dị Sự nhân bản là cơ sở của sự ổn định về sinh học và phát triển số lượng thông qua sự nhân bản chính xác Biến dị là hoạt động của sự đa dạng Khi thông tin di truyền được tổ chức thành một số gene đặc biệt, sự sắp xếp lại hệ gene, thông qua sự kết hợp của các phân tử ADN ở giai đoạn sinh sản hay sự chuyển gene ở mặt phẳng xích đạo do virus hay sự kết hợp khác loài, sự đa dạng các thế hệ ở mức độ cá thể nhanh hơn sự tích lủy các biến dị di truyền Đưa một tế bào hay một cá thể vào trong các môi trường khác nhau, chúng sẽ có sự thích nghi trong phạm vi cho phép của kiểu di truyền Đa số tế bào biến

động trong thời gian dài hay ngắn để phản ứng với những tác động bên ngoài Phản ứng trong thời gian ngắn được xác định tốt nhất thông qua quá trình trao đổi chất và sự điều khiển trao đổi chất (Kacser và Brrns, 1973) hay hoạt động của enzyme (hoạt tính, ức chế và biến đổi hoá học) Sự thích nghi trong thời gian dài được xác định thông qua các quá trình biến đổi phức tạp của sự điều chỉnh trật tự di truyền (điều khiển sự kích thích, ức chế, sao chép) và sự phân chia tế bào theo qui luật cho đến khi hình thành màng tế bào và hoạt động Sự đa dạng làm giảm khả năng trao đổi di truyền giữa các cá thể và có thể dẩn đến nguy kịch cho loài mới Sự phân bố ngẩu nhiên và sự chọn lọc ở mức độ sinh vật và quần xã sẽ tổ chức lại tính đa dạng sinh học ở mức độ địa lý và số lượng Ngày nay các phương tiện sinh hoá (PCR) tạo điều kiện thuận lợi cho việc xác định tính đa dạng, theo dỏi sự biến đổi và hình thành phân tử cơ bản của quần thể sinh học

III Đa dạng gene và vai trò của nó trong sự tồn tại loài

1 Sự biến đổi trong nguồn gene.

Đa dạng sinh học đôi khi chỉ xác định đơn độc với số loài xuất hiện ở một vùng nào đó, nhưng thật ra thật ngữ này cũng được áp dụng ở mức độ trong loài Mặc dù loài được xác định bởi những đặc tính nhất định nào đó nhưng những thành viên trong loài cũng có thể có nhiều khác biệt Phần khác biệt này do tác động của môi trường nhưng bản chất là do di truyền Sự tồn tại các kiểu di truyền khác nhau là đặc tính cơ bản của loài Sự xuất hiện kiểu hình của các kiểu di truyền có thể làm khác biệt giữa kiểu hình cổ điển với một số kiểu hình hiện nay và đặc tính số lượng với sự phân bố liên tục Từ quan điểm tiến hoá, sự biến động về kiểu di truyền có tầm quan trọng nhất để loài có khả năng thiïch nghi ngắn nhất với điều kiện vô sinh và hữu sinh của môi trường, nếu lâu dài có thể thay đổi trong hệ gene để thích nghi hay phản ứng với những biến động của môi trường

Điều kiện đầu tiên để nghiên cứu vai trò của sự biến động nguồn gene trong những loài còn tồn tại và những loài đã tuyệt chủng là sự hiểu biết về sự biến động ở mức di truyền Thuật ngữ di truyền có nghĩa là xác định số loci

đa hình, số allele, quan hệ ưu thế, kiểu gene và sự phân bố theo không gian của các kiểu di truyền Sự biến động bộ gene ở mức độ cá thể số kiểu gene -có tiềm năng rất lớn Với x loci khác nhau, mỗi loci -có a allele, số kiểu gene g sẽ là

x

a

a

g = 2+ 

) 1 (

Số kiểu gene có thể có thí dụ với 100 loci khác nhau, mỗi có 2 allele thì g sẽ tính được là 5x1047

Bảng 2.4: Sự phân chia trung bình của các loci đa hình (P) và di hợp tử (H) trên cơ sở khảo sát di hợp lặn ở 3 nhóm sinh vật, n là số loài được khảo sát, sai số chuẩn trong ngoặc (theo Hamrick và Godt, 1990 và Nevo cùng cộng tác viên, 1984)

Động vật không xương sống 0.375 (0.011) 371 0.100 (0.005) 361 Động vật có xương sống 0.226 (0.006) 596 0.054 (0.003) 551

Hầu hết sự hiểu biết của chúng ta về khiïa cạnh gene đều dựa vào kỹ thuật điện di protein Phương pháp này cho phép chúng ta phát hiện các kiểu gene khác nhau ở mức độ phân tử Phân tử prortein có một nguồn tỉnh điện,

do vài bộ phận của acid amin, có thể là điện âm hay điện dương, nó sẽ di chuyển trong trường điện từ Sau khi điện di và nhuộm màu, các protein đặc biệt sẽ hiện ra Sự biến động gene ở mức độ ADN dựa và protein có thể được phát hiện bằng sự di chuyển đến các vị trí khác nhau khi điện di, ít nhất khi thay đổi một nhóm acid amin sẽ dẩn đến sự thay đổi về tỉnh điện Sự khác nhau về di truyền ở mức độ ADN gây ra bằng các base đơn độc cũng được phát hiện bằng điện di Chỉ có những base đơn độc thay đổi sẽ dẩn đến sự thay đổi phân tử protein và có thể được phát hiện vì mỗi phân tử protein được

xác định bằng các kỹ thuật nhuộm mày riêng biệt, do đó các gene khác nhau được phát hiện ở các loci khác nhau Khi chọn lọc rất nhiều cá thể cho nhiều loci thì chúng ta có thể tính được sự đa dạng gene, phương pháp này thích hợp cho việc xác định số lượng kiểu gene khác nhau

Những thông tin thu thập được từ kết quả nghiên cứu về dị hợp tử cho thấy quần thể động vật và thực vật biến động rất lớn Bảng 2.5 cho biết về dị hợp của nhiều loài, nhưng trong nghiên cứu về một loài cũng thấy sự khác biệt về di hợp tử Thí dụ côn trùng sẽ có mức độ biến động gene cao hơn thực vật, Khoả tử có nguồn gene biến động lớn Chim và những động vật ăn thịt thì ít có sự biến động trong nguồn gene

Bảng 2.5: Thí dụ về những loài không có biến đổi gene đã được phát hiện

Voi biển phiïa bắc

(Mirounga angustirostris)

24 Bonnell và Selander (1974)

Báo săn

(Acinonyx jubatus)

52 O’Brien và cộng sự (1985)

Chó biển

(Phoca vitulina)

30 Swart và Van Delden (1994)

Bảng trên cho biết vài loài có số loci tập trung cao nhưng không có sự biển đổi về di hợp Đối với Báo săn, sự đa dạng genen tương ứng với tính phức tạp của tổ chức mô

2 Những áp lực tác động lên sự biến đổi di truyền.

Sự biến trong quần thể hiện nay được lưu giữ khi số các điều kiện hoàn thành Định luật Hardy Weinberg thể hiện lại hiện tượng này Hơn nữa nó cũng nói lên sự tương thích của kiểu gene dựa trên tần số allele Bảng 2.6 cho thấy ảnh hưởng của sự thay đổi kiểu gene tạo nhiều áp lực cho quần thể Một gene biến đổi sẽ xuất hiện đột biến và gene sẽ chuyển từ các quần thể di truyền khác Chọn lọc chống lại tính trạng lặn sẽ hạn chế sự thay thế allele và dẫn đến đơn hình trong từng locus

Dưới mô hình quá ưu thế này, cũng như các dạng chọn lọc cân bằng khác như trong vài trường hợp tần số phụ thuộc vào sự chọn lọc, sự khác biệt kiểu gene được bảo vệ Mất đi sự biến động kiểu gene sẽ xuất hiện khi sự thay đổi tần số di truyền và lai gần là ưu thế

Bảng 2.6: ảnh hưởng của áp lực tiến hóa lên tần số allele

Biến động trong quần thể Biến động giữa các quần thể

+/-3 Sự biến đổi tần số di truyền

Theo lý thuyết, có một mô hình để phân tích các quá trình đã được lưu

ý ở trên về số lượng Chúng ta tập trung vào vấn đề biến đổi tần số di truyền

và giao phối cận huyết Aính hưởng của hiện tượng này xảy ra khi số lượng cá thể trong quần thể thấp Giảm

đi về số lượng trong quần thể là một tình trạng đang xảy ra sự cạnh tranh của nhiều loài Bị săn bắt, độc tố hóa học hay mất đi vùng cư trú là một trong những nhân tố hạn chế lượng quần thể Một quần thể chịu sự tác động của điều kiện bất lợi, thường trở nên nhỏ hơn, bị phân cắt hay cách ly và do đó nó có sự biến đổi thích hợp trong bộ máy di truyền Sự biến đổi trong bộ máy di truyền xuất hiện khi quần thể nhỏ Khi quần thể có số lượng thấp, tần số allele của các cá thể trong thế hệ mới sẽ khác với thế hệ trước Sự biến đổi này được thể hiện trong hình 2.5 Với số lượng của quần thể phụ bao

0

1

2

3

4

Hình 2.5: Sự biến đổi tần số allele của một quần thể lưỡng

bội N=2, tần số ban đầu là 0.5

gồm mỗi thế hệ có 2 cá thể, theo đó có 4 allele ở locus A Mỗi quần thể phụ bắt đầu bằng allele 2A và 2a, như thế tần số allele ban đầu là 0.5 Do sự biến đổi

di truyền, tần số allele thay đổi theo các thế hệ và cuối cùng trong mỗi nhóm phụ được xác định bằng cơ hội cho mỗi allele và tổng các đồng hợp tử xuất hiện Sự biến đổi di truyền làm mất đi tính đa dạng di truyền trong các quần

thể cách ly Quần thể trung gian xuất hiện nhiều tần số allele khác nhau trong số các quần thể nhỏ sẻ tăng cho đến khi sự kết hợp trở nên hoàn toàn Ước tính 1/2 số quần thể phụ sẽ được xác định cho allele a và 1/2 cho

A khi tần số ban đầu là 0.5 Một vấn đề quan trọng ở mức độ gene là tỉ lệ của đồng hợp tử trong quần thể trung gian sẽ cao hơn tính toán dựa trên định luật Hardy-Winberg Trong thí dụ với quần thể có N của 2 thì ảnh hưởng của sự biến dị rất lớn Ở quần thể lớn, nó cần rất ít thế hệ để hoàn thành một sự kết hợp của các quần thể

phụ và làm tăng tốc độ

đồng hợp tử ở quần thể

giữa, kết quả thể hiện

trong hình 2.6

Khả năng mất đi số

allele thông qua sự biến

dị liên quan đến tần số

của nó Những allele hiếm dễ bị mất, hình 2.7 thể hiện tốc độ mất của các allele trong trường hợp a4 và a12

Hình 2.6: Sự suy thoái quần đàn do suy thoái di truyền

trong từng thế hệ với giá trị N khác nhau.

Hình 2.7: Sự mất đi allele trong từng thế hệ do suy thoái di truyền của quần thể ổn định với N=6, số allele ban đầu là 4 và 12

- Số lượng cá thể trong quần đàn ảnh hưởng đến sự biến dị di truyền: sự biến

đổi về tần số di truyền phụ thuộc rất lớn vào số lượng của quần thể, nhưng quần thể trong tự nhiên không chỉ ra mức độ biến đổi, theo lý thuyết của thí dụ về sự giảm nhanh quần thể trong quá khứ được tái hiện lại ảnh hưởng mức độ biến di đến số lượng của quần thể hiện nay

Để xác định mức độ biến đổi trong một tình trạng như thế, sự hiểu biết về ảnh hưởng của quần thể, mối quan hệ giữa Ne và cở quần thể N1, N2 Nt ở thế hệ











+ + +

=

t

N

1

1 1 1 1

2 1

với Ne có thể nhỏ

hơn N trong từng thế hệ Như trong quần đàn bướm được theo dỏi trong 5 năm và có số cá thể tham gia sinh sản trong từng năm là 10, 20, 100, 20 và 10

thì

500

31 ) 10

1 20

1 100

1 20

1 10

1

(

5

1

e

1 16

31

500 =

=

e

N , từ đây cho thấy quần đàn hiệu quả trong 5 năm (16) cao hơn

quần đàn thấp nhất (10) nhưng thấp hơn quần đàn tối đa (100) và quần đàn trung bình (32)

Hình 2.8 mô tả sự khác nhau giữa N và

Ne cho từng trường hợp Theo kết quả về sự biến dị của ruồi dấm Drosophila thì

một quần đàn có 500 cá thể có sự cân bằng giữa sự mất đi tính đa dạng gene và sự biến dị tăng tỉ lệ dị hợp tử và từ đó hình thành luật 50/500 tức là quần thể phân tán cần ít nhất là 50 cá thể và tốt nhất là 500 Luật này khó áp dụng trong thực tế vì ở đây giả định quần thể có N cá thể và khả năng sinh sản trong từng

Hình 2.8: Aính hưởng của sự giảm mạnh di

truyền trong đàn qua 5 thế hệ N là số cá thể

trung bình và Ne là quần đàn thành công

cá thể trong quần đàn như nhau Thực tế các cá thể trong quần đàn không như nhau do khác biệt về tuổi, sức khoẻ, dinh dưỡng

- Tính giảm nhanh những biến dị di truyền (genetic bottlenecks): Một quần

thể có thể giảm nhanh sự biến dị di truyền là do môi trường hay số lượng trong quần thể có thể gây chết toàn bộ hay chỉ còn một vài cá thể sống sót Khi quần thể giảm nhanh tính biến dị di truyền thì những allele hiếm sẽ mất đi nếu số cá thể mang gene này chết tất cả, nếu những allele này còn tồn tại thì giảm tỉ lệ dị hợp tử và giảm sức sống Thí dụ về quần đàn Sư tử Ngorongoro Crater ở Tanzania có 60-75 con, khi bệnh ruồi bùng nổ vào năm 1962 chúng chỉ còn có 1 con đực và 9 con cái Hai năm sau 7 con đực khác nhập cư vào, từ đó không còn sự gia tăng nào nửa, một quần đàn mới được hình thành, sự khác biệt trong quần đàn và sự khác biệt về sinh sản khiến cho sự giảm nhanh

di truyền xuất hiện mặc dù số lượng cá thể trong đàn tăng lên 75-125 Nếu so với quần đàn Sư tử Serengeti ở gần đó thì quần đàn này giảm nhanh di truyền là do tinh trùng bị biến dạng và giảm tỉ lệ sinh sản

- Tỉ lệ giới tính trong quần đàn cũng ảnh hưởng đến biến di di truyền: Một lý

do khác làm cho Ne nhỏ hơn N là tỉ lệ không tương đương giữa con đực và

con cái tồn tại trong những thế hệ kế tiếp như trong quần đàn động vật có một vài con đực và rất nhiều con cái sẽ ảnh hưởng đến biến đổi di truyền mạnh hơn ở các thế hệ sau

Hình 2.9: Số lượng quần đàn thành công Ne giảm đi khi tổng số con

đực và con cái là 100 nhưng gia tăng không đều.

Thí dụ một quần đàn chung thủy (1 đực :1 cái cùng sống lâu dài) như ngổng có 20 con đực và 6 con cái thì chỉ có 12 con có khả năng tham gia sinh sản Một quần đàn khác có quan hệ mạnh, như một con Voi đực có khả năng khống chế nhiều con cái và ngăn chặn sự tiến tới của những con đực khác hay Chó hoang

ở Châu Phi với con cái mạnh có thể tham gia sinh sản với nhiều con đực và từ

đó giá trị quần đàn thành công Ne được tính như sau

f m

f m e

N N

N N N

+

chung, tỉ lệ giới tính của các cá thể sinh sản không tương đượng khiến cho tỉ lệ quần đàn hiệu quả với tổng số cá thể (Ne/N) cũng giảm (hình 2.9)

4 Lai gần

Mối quan hệ rất gần với hiện tượng suy thoái và cũng có nhiều liên quan với số lượng của quần thể Lai gần được xác định khi có một tác động

cùng dòng máu hơn là xác định quần thể Mức độ lai được xác định bằng hệ số lai gần F được xác định là tần số mà hai allele ở một locus trong một cơ thể lưỡng bội sao chép từ một hay cùng một allele tổ tiên Trường hợp lai gần có 33% số cá thể chết cao hơn lai xa

Quan hệ của sự biển đổi gene và lai gần được xác định bằng hệ số F để đánh giá Mức độ lai gần trong quần thể được đánh giá thông qua N Trong

Hình 2.10: Suy thoái di tuyền ảnh hưởng mạnh đến quần đàn có kích thước

nhỏ Quần đàn 500 cá thể có tỉ lệ 90% tỉ lệ dị hợp so với ban đầu trong khi

quần đàn 20 con chỉ còn lại 5% sau 100 thế hệ.