Cơ sở di truyền chọn giống cá

Sự cặp đôi của NST tồn tại từ thế hệ này sang thế hệ khác nhờ sự phân chia chính xác các NST trong nguyên phân , sự giảm đi một nửa số lượng NST ở các tế bào sinh dục thành thục và sự ph

Trường đại học thuỷ sản nha trang -


 -

PGS.TS Trần Đình Trọng (chủ biên) & PGS.TS Đặng Hữu Lanh

cơ sở di truyền chọn giống cá

cơ sở di truyền chọn giống cá

PGS.TS Trần Đình Trọng biên soạn các chương:

Chương I Cơ sở vật chất di truyền chọn giống cá

Chương II Di truyền các tính trạng chất lượng của cá

Chương VI Phương pháp chọn giống cá truyền thống

Chương VII Một số hướng chọn giống hiện đại (Phần kỹ thuật NST) Chương VIII Thuần hoá di giống, bảo tồn và lưu giữ vốn gen

PGS.TS Đặng Hữu Lanh biên soạn các chương:

Chương III Di truyền và biến dị các tính trạng số lượng ở cá

Chương IV Di truyền học quần thể

Chương V Di truyền hoá sinh cá

Chương VII Một số hướng chọn giống hiện đại (Phần kỹ thuật gen)

Lời nói đầu

Tổ tiên ta từ cuộc sống du canh du cư, săn bắn, hái lượm chuyển sang định canh định cư, chăn nuôi và trồng trọt Giáo sư V.X Kirpichnikov - nhà di truyền học và chọn giống cá hàng đầu thế giới đã nói rằng: có chăn nuôi và trồng trọt ắt phải có chọn giống vật nuôi và cây trồng; có nuôi cá ắt phải có chọn giống cá So với chăn nuôi và trồng trọt, nghề nuôi cá non trẻ hơn rất nhiều Một số nước châu á nuôi cá khá lâu, nhưng hàng năm phải vớt trứng và cá bột

từ các sông hồ về làm giống ở phương Đông xuất hiện giống cá chép nhà (Cyprynus carpio)

và cá vàng (Carassius auratus) từ lâu Riêng giống cá chép đã có ở Trung Quốc khoảng 2000 năm về trước, nhưng sau đó bị một trong các triều đại phong kiến cấm nuôi do vậy chỉ được phục hồi cách đây không lâu Cá vàng làm cảnh được nuôi ở Trung Quốc và Nhật Bản cách

Từ sau ngày hoà bình lập lại ở miền Bắc Việt Nam (1954) nghề nuôi cá phát triển và

đã đạt được nhiều thành tích quan trọng Diện tích nuôi trồng thuỷ sản mở rộng hầu khắp mọi nơi, tận dụng khá tốt các mặt nước trung bình và hồ ao nhỏ để nuôi cá, đã nhập nội được trên

10 giống loài cá bổ sung vào thành phần các đàn cá nuôi, đặc biệt chủ động sản xuất giống của các loài cá trước đây hàng năm phải vớt ở các sông Từ góc độ giống mà nói, các nhà nghiên cứu và sản xuất cá giống ở miền Nam vài ba thập kỷ qua đã đạt được thành công rất lớn trong việc đảm bảo giống của nhiều loài cá và tôm nuôi, chủ yếu là hai loài cá tra, cá ba sa

và loài tôm sú Những đối tượng này không chỉ đáp ứng nhu cầu thực phẩm của địa phương

mà còn là nguồn xuất khẩu quan trọng, chiếm tỷ trọng không nhỏ trong kim ngạch xuất khẩu của Việt Nam Như vậy ở miền Nam trong thành công về sản xuất cá thịt có thành tích không nhỏ về việc đảm bảo số lượng giống cá và các loại thuỷ sản khác

Tuy nhiên, những ai quan tâm đến nghề nuôi cá đều thấy rõ tồn tại trong quá trình phát triển, đó là vấn đề chất lượng các loài cá nuôi Kể từ năm 1954 hầu như tại các cuộc họp chuyên đề hoặc tổng kết nghề cá (trong đó có nuôi cá) các nhà quản lý đều đề cập đến nhiệm

vụ "lai tạo các giống cá tốt để nuôi - chọn giống" Vậy mà đến nay nhìn lại các đàn cá nuôi của chúng ta đều đang thoái hoá nghiêm trọng, thể hiện ở tốc độ sinh trưởng chậm, kích cỡ cá thương phẩm bé, năng suất không cao v.v…Cá bố mẹ tham gia sinh sản bé, nhiều đàn cá giống sản xuất không đạt quy cách như đã quy định trong các văn bản của nhà nước Nhiều loại cá nuôi bị lai tạp như cá chép, cá mè Hiện khó có thể tìm thấy những cá thuần chủng thuộc các loài vừa nêu Sự cạn kiệt về số lượng hoặc đe doạ tuyệt chủng của một số loài cá quý đang ở mức báo động Tóm lại về mặt nâng cao chất lượng di truyền các loài cá nuôi chúng ta làm chưa tốt, trừ một số loài như chép, rô phi ít nhiều có kết quả trong việc cải tiến giống

Biên soạn cuốn Cơ sở di truyền và chọn giống cá chúng tôi mong muốn được góp phần nhỏ trong công việc khó khăn và lâu dài của nghề nuôi cá, đó là nâng cao chất lượng di truyền các giống - loài cá nuôi ở nước ta Trước đây, công tác chọn giống mang tính bị động với các biện pháp chính là lai tạo và chọn lọc (chọn giống truyền thống) nhằm cải tiến giống

cũ và cải tạo giống mới Ngày nay, do yêu cầu phát triển nghề nuôi cá khoa học công nghệ và nhiều lĩnh vực khác đang hỗ trợ có hiệu quả vào công tác chọn giống và khái niệm về "chọn giống" được mở rộng hơn, bao gồm các biện pháp nâng cao chất lượng giống góp phần tăng năng suất nuôi cá Có thể hình dung công tác nâng cao chất lượng di truyền giống cá như sau: cải tiến giống cũ, tạo giống mới bằng phương pháp truyền thống hay hiện đại, các phương pháp biến đổi giới tính theo yêu cầu nuôi với năng suất cao hơn, ứng dụng những hiểu biết vào việc tránh suy thoái cận huyết và tăng cường hiệu quả của lai kinh tế cá, vấn đề thuần hoá, di

giống, các biện pháp tổng hợp nhằm gia hoá cá hoang dại có giá trị kinh tế bảo tồn và phát triển các nguồn gen cá và động vật thuỷ sản quý hiếm đang bị cạn kiệt số lượng và đe doạ tiệt chủng

Những nhiệm vụ lớn lao của công tác nâng cao chất lượng di truyền cá chỉ có thể thực hiện được trước tiên phải đưa vào đặc tính quan trọng của sự sống nói chung và của cá nói riêng là tính biến dị và di truyền Do vậy có thể nói không một lĩnh vực khoa học cơ bản nào gắn kết chặt chẽ như bộ môn di truyền học với công tác giống và đây cũng là ý nghĩa, nội dung tiêu đề của cuốn sách Muốn làm tốt công tác nâng cao chất lượng giống, người nghiên cứu và sản xuất không thể không có hiểu biết ít nhiều về di truyền học cá; mặt khác, một nhà chọn giống muốn vững tay nghề nhất thiết phải nắm chắc các khâu kỹ thuật nuôi cá

Như trên đã nói, lịch sử nuôi cá và chọn giống cá còn non trẻ so với các ngành chăn nuôi và trồng trọt nên những thành tựu trong sản xuất cũng như lý luận còn khiêm tốn Cho

đến nay những cuốn sách chuyên khảo mang tính tổng hợp về di truyền chọn giống cá chưa vượt qua con số 10 Trong số này, có hai cuốn mang nội dung phong phú hơn cả là cuốn di truyền và chọn giống cá V.X Kirpichnikov (1987) và cuốn di truyền và giống cá C.E Purdom (1993) Đặc biệt cuốn di truyền và chọn giống cá của Kirpichnikov được rất nhiều người hâm

mộ vì nó tổng hợp đầy đủ và sâu sắc các kết quả riêng lẻ về di truyền và chọn giống cá (sách với gần 4000 tài liệu tham khảo và được tái bản hai lần bằng tiếng Nga, xuất bản bằng tiếng Anh và tiếng Đức)

Trong qúa trình biên soạn cuốn sách này chúng tôi dựa vào một phần không nhỏ nội dung của cuốn di truyền chọn giống cá của Kirpichnikov, tham khảo các tài liệu mới được công bố, cố gắng đưa vào những thông tin cập nhật về công tác nâng cao chất lượng giống cá

ở nước ta Đây là cuốn sách đầu tay mới mẻ không những đối với chúng tôi mà cả với ngành nuôi cá và chọn giống cá ở nước ta nên không tránh khỏi nhiều thiếu sót Mặc dù vậy, chúng tôi cũng muốn được bày tỏ hy vọng sách này sẽ có ích với các cơ sở đào tạo có ngành nuôi trồng thuỷ sản (có thể tinh giản nội dung tuỳ theo đối tượng học viên), các cán bộ nghiên cứu khoa học về di truyền chọn giống cá và những ai quan tâm đến vấn đề di truyền chọn giống cá Chúng tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến các cơ quan quản lý, nghiên cứu, sản xuất và các bạn đồng nghiệp đã giúp đỡ nhiều tài liệu quý Rất mong được bạn đọc góp nhiều

ý kiến quý báu, xin trân trọng cảm ơn

Hà nội, ngày 24 tháng 09 năm 2005

Các tác giả

phần Một

di truyền cá

Chương I cơ sở vật chất di truyền cá

I cấu trúc nhiễm sắc thể và chức năng của chúng trong di truyền và hoạt động sống của sinh vật

1 Cấu trúc nhiễm sắc thể

Những ai quan tâm đến sinh vật học đều hiểu hiện tượng thụ tinh và phát triển phôi của sinh vật sinh sản hữu tính: các tế bào sinh dục đến thới kỳ chín chuẩn bị cho thụ tinh chỉ mang 1/2 số nhiễm sắc thể (NST) so với các tế bào bình thường của bố và mẹ; hầu hết các tính trạng của thế hệ con được quy định bởi số NST kết hợp từ 2 giao tử đực và cái Điều này chứng tỏ ý nghĩa của NST - cầu nối giữa 2 thế hệ; cho nên có thể khẳng định NST là cấu trúc quan trọng bậc nhất trong việc đảm bảo di truyền tính trạng của các sinh vật nhân chuẩn Chúng dễ nhìn thấy qua kính hiển vi quang học trong quá trình nguyên phân, đặc biệt ở kỳ giữa bằng cách nhuộm màu Đến nay, người ta đã biết được kiểu nhân (karyotype) của gần 1800 loài cá NST của những loài cá khác nhau về kích cỡ và hình dạng Có 4 kiểu NST:

1 NST tâm mút - Acro (telo) centric (a) - có tâm động ở gần sát mút NST, ở kiểu này vai dài hơn vai ngắn từ 6 lần trở lên

2 NST lệch tâm - Subtelocentric (st) - tâm động nằm cách đầu mút NST không xa lắm,

có thể phân biệt được 2 vai của NST, vai ngắn bắng khoảng từ 1/3 đến 1/6 vai dài

3 NST hơi lệch tâm - Submetacentric (sm) - tâm động nằm gần giữa NST, vai dài bằng 1,6 đến 3 lần vai ngắn

4 NST cân tâm - Metacentric (m) - tâm động nằm chính giữa NST, hai vai tương đối bằng nhau về chiều dài (hình 1)

Hình 1 Các kiểu NST thường gặp ở cá:

A Sơ đồ B Các NST của Megupsilon aporus (họ cá sóc) (Uyeno Miller, 1971) Các nhiễm sắc tử liên kết ở vùng

tâm động 4 kiểu NST: a tâm mút (a); b tâm lệch (st); c tâm hơi lệch (sm); d tâm cân (m)

ở một số loài cá trong giai đoạn trung kỳ nguyên phân chỉ toàn thấy NST hình que, bao gồm NST tâm mút (a) và lệch tâm (st); ở một số khác lại chỉ có NST cân tâm (m) và hơi lệch tâm (sm) Nhưng nói chung trong các bộ NST của cá thường gặp 2 - 3 hoặc cả 4 kiểu NST Một số loài cá xương, đặc biệt cá sụn (cá đuối, cá mập) và sụn thứ cấp (cá tầm) bên cạnh NST to có rất nhiều NST "hình chấm" rất khó xác định số lượng và hình dạng Người ta còn

A

B

tìm thấy ở bộ NST của cá hồi và một số cá khác một kiểu NST đặc biệt có kèm theo "vệ tinh" một phần tương đối nhỏ tách khỏi phần chính của NST và dính nhau bằng một đoạn mảnh

Bên trong mỗi NST có thể thấy 2 cấu trúc, bề ngoài giống nhau nằm song song với nhau, đó là 2 nhiễm sắc tử (chromatid) Mỗi một nhiễm sắc tử bằng một hay nhiều sợi nhiễm sắc (chromonem) và trên NST thấy nhiều quãng phình ra gọi là hạt nhiễm sắc (chromomere) Sợi nhiễm sắc là sợi kép rất dài xoắn nhau trong tế bào đang phân chia và ở mức độ nhất định sợi ấy được mở xoắn trong nhân tế bào ngừng phân chia (interphase) Trong các nhân "yên tĩnh" ấy các sợi nhiễm sắc chiếm gần như toàn bộ, tạo thành một màng lưới phức tạp, khó quan sát dưới kính hiển vi với những chất nhiễm sắc (chromatin) quánh đặc riêng rẽ - 1 hoặc 2 tiểu hạch (nucleolus) Mạng lưới này không rối rắm, cách phân bổ các NST trong nhân được quy định rất chuẩn xác Sự liên hệ với tiểu hạch được thực hiện nhờ bộ phận đặc biệt của một trong các NST gọi là cơ quan tiểu hạch (mucleus organiser) Các thành phần chủ yếu của các NST và các sợi nhiễm sắc cấu thành chúng là các protein dạng histon, các protamin (có lẽ với chức năng cấu tạo và điều hoà chủ yếu) và ADN (acid desoxyribonucleic) ADN giữ vai trò quan trọng bậc nhất trong các quá trình sinh học và trước hết là di truyền Cấu tạo của nó đã

được Watson và Crick phát hiện từ năm 1953 (hình 2a, b, c)

Hình 2 Cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN

a, b Mô hình cấu trúc không gian của ADN (xem tiếp trang 6)

Khe lớn

Khe bé

(b)

Hình 2 Cấu trúc xoắn kép của phân tử ADN

c Chuỗi xuắn kép ADN

2 Cấu trúc ADN - Thành phần chủ yếu của NST

Phân tử ADN gồm 2 mạch polinucleotid mà mỗi nucleotid được cấu tạo nên bởi 3 thành phần: gốc photsphat, đường pentose (desoxyribose, C5H10O4) và 1 trong 4 gốc base nitơ,

đó là Adenin, Guanin (dẫn xuất của purin), Timin và Xitozin (dẫn xuất của pirimidin) Nhóm photsphat gắn vào gốc cacbon số 5' của đường desoxyribose, còn base nitơ gắn với cacbon số 1' Trong các nucleotid cấu tạo nên AND, gốc photphat và đường hoàn toàn giống nhau, chỉ khác nhau về bazơ nitơ, nên người ta dùng tên của base nitơ để gọi tên nucleotid Có 4 loại nucleotit chủ yếu: Desoxyadenozin-5'-photsphat, Desoxyguanozin-5'-photsphat, Desoxytimidin-5'-photsphat và Desoxyxitizin-5'-photsphat; viết tắt theo thứ tự: A, G, T, X Cũng còn có một số nucleotit nữa ít gặp Thành phần của chúng bao gồm các gốc biến dạng về hoá học

Hai mạch đơn polynucleotit xoắn nhau thành một chuỗi xoắn kép trong đó base nitơ của mạch này liên kết với base của mạch kia bằng cầu nối hydro theo nguyên lý bổ sung Nghĩa là nucleotit adenin nhất thiết phải gắn với timin bằng 2 liên kết hydro, Guanin gắn với Xytozin bằng 3 liên kết hidro và ngược lại

Trong bất kỳ phân tử ADN nào tổng số các base thuộc nhóm purin phải bằng tổng số base pirimidin; A = T tức A/T = 1 và X = G tức X/G = 1 hay A + G/T+ X = 1 (định luật Chagaffe) Rõ ràng ADN có cấu tạo đa phân (polymer) do nhiều đơn phân (monomer) hợp thành (hình 3)

ở mỗi loài, ADN có số lượng nucleotit khác nhau Có thể từ 5000 ở một loài virus đơn giản đến 3,0 tỷ nucleotit trong bộ gen đơn bội của người Tỉ lệ các nucleotit có mặt trong ADN của mỗi loài cũng khác nhau Tỉ số A + G/T + X khác 1 hay gọi là tỉ số base cũng là 1 trong các đặc trưng ADN của mỗi loài (bảng 1)

Khe lớn

Khe bé

C trong chuỗi phophat-ester

C & N trong các bases (gốc)

(c)

H×nh 3 CÊu tróc ADN

A, G - c¸c gèc Adenin vµ Guanin (Purin); T, X - Timin vµ Xitozin (Pirimidin)

P - acid phosphoric, D - ®−êng desoxyribosa; H - Hydrogene, cÇu nèigi÷a c¸c gèc

B¶ng 1 Thµnh phÇn Baz¬ trong ADN mét sè loµi

T A

Các loài khác nhau có trình tự sắp xếp các nucleotit khác nhau Một đặc điểm quan trọng của mô hình cấu trúc ADN là tính chất định hướng ngược chiều của 2 mạch đơn trong phân tử ADN và đặc biệt là liên kết 3'-5' photsphodieste dẫn đến tính chất phân cực đối nghịch song song nhau của 2 mạch từ 3'-5' và ngược lại từ 5'-3' Nói cách khác đầu 3' của mạch này nằm đối diện với đầu 5' của mạch kia và ngược lại

Các đoạn của đại phân tử ADN thường gặp từ 500 - 1500 nucleotit (theo các số liệu mới gần đây thì có thể lên đến 8000 hoặc nhiều hơn nữa) phù hợp với một đơn vị di truyền cơ bản là GEN ở cá và các động vật có xương mỗi NST chứa hàng trăm, có khi tới hàng ngàn gen

Trong thành phần của nhiễm sắc chất (chromatin) ngoài ADN và protein còn có các acid ribonucleic (ARN), khác với ADN ở cấu tạo đường (đường desoxyribose được thay bằng

đường ribose) và 1 trong 4 base nitơ (timin) được thay bằng base nitơ khác (uraxin) Nếu ADN gồm 2 mạch xoắn kép thì ARN chỉ có một mạch đơn Theo khái niệm hiện đại thì trong các NST xoắn là các thể nhân (nucleosome) hay còn gọi là glubola Mỗi glubola cấu tạo từ 8 phân

tử protein (các histon thuộc 4 kiểu H2A, H2B, H3 và H4) và 2 vòng xoắn ADN ở mặt ngoài của nhân histon (hình 4a,b) Đoạn ADN của mỗi nucleosome chứa 170 cặp base nitơ Hai nucleosome ở cạnh nhau được liên kết với nhau bởi các đoạn ADN ngắn gọi là ADN linker

Đoạn này còn được đính với các phân tử của 1 protein histon H1 (Cornberg, Klug, 1981), có vai trò quan trọng tạo sự bền vững trong liên kết của các nucleosome để hình thành cuộn xoắn bậc 2, còn được gọi là solenoit có đường kính khoảng 250 - 300Å

Trong NST ở kỳ giữa soleonit được cuộn xoắn lần nữa, tạo nên một ống rỗng, đường kính khoảng 2000Å chứa ADN với chiều dài đã co xuắn theo một hệ số khoảng 18 Cuối cùng

là một lần cuộn xoắn tiếp của ống 2000Å thành cuộn xoắn lớn hơn có đường kính 6000Å, đây chính là các nhiễm sắc tử (chromatit) ở kỳ trung gian

Cấu trúc cơ bản của cuộn soleonit được phát hiện qua phương pháp phân huỷ từng phần các NST bằng các enzyme nuclease; enzyme này cắt sợi ADN ở các đoạn nối các nucleosome để phát hiện ra các thể nucleosome đơn, nuclesome thể đôi, nucleosome thể ba, v.v Kết quả này cho ta thấy làm thế nào mà một sợi ADN với chiều dài khoảng 1cm hoặc hơn nữa có thể nằm gọn trong một NST ngắn, mập với kích cỡ khoảng vài ba micromet của tế bào lúc phân chia

ADN của NST và một số thành phần cấu trúc của tế bào (mitochondrie và plastit) thực hiện 2 chức năng sinh học quan trọng nhất: chức năng thứ nhất là đảm bảo sự di truyền các vật chất sống và chức năng thứ 2 là điều khiển sự tổng hợp một cách nghiêm ngặt một tập hợp các liên kết cao phân tử cần thiết cho sự phát triển và hoạt động sống của sinh vật, trước hết là các acid ribonucleic và các protein

3 Chức năng của ADN

Khả năng được coi là đặc biệt kỳ lạ của ADN trong quá trình tái bản (replication), nghĩa là tái sản xuất một cách chính xác cấu trúc của mình trong mỗi lần phân bào đảm bảo sự truyền đạt các thông tin di truyền từ thế hệ nọ sang thế hệ kia, từ bố mẹ đến con cái Quá trình tái bản được bắt đầu bởi việc đứt dần các mối liên kết hydro giữa các cặp base nitơ bổ sung, nghĩa là có sự tách đôi 2 mạch của phân tử ADN (với sự tham gia của các protein "tách") Các nucleotit bổ sung mới đến gắn với các base vừa được giải phóng (hình 5) Thay vì một chuỗi

đơn (từ phân tử mẹ) hình thành chuỗi kép với toàn bộ chiều dài có trình tự các cặp base nitơ giống hệt phân tử mẹ (hình5) Việc tái bản các NST là quá trình phức tạp với sự tham gia của

số lượng lớn các enzyme, trong đó có enzyme ADN polymerase I và III làm nhiệm vụ liên kết các nucleotit nhờ các liên kết photsphodieste 3'-5' và ADN linker nối các đoạn ngắn của các mạch con (gọi là phân đoạn Okazaki) Quá trình này có thể tìm hiểu thêm trong các sách giáo khoa hay sách chuyên khảo về di truyền

Một cơ chế khác khó hình dung đó là đảm bảo chính xác sự tồn tại cấu trúc đặc thù của chất cao phân tử phức tạp trong quá trình sinh sản Sự hoàn thiện cơ chế tái bản ADN giải thích tính đa năng của nó, gìn giữ (những nét chung) trong quá trình tiến hoá lâu dài của các sinh vật sống trên trái đất

Chức năng thứ 2 của ADN là điều khiển tổng hợp các protein theo từng giai đoạn ở giai đoạn đầu (sao mã) một phân tử mạch đơn ARN mẫu hay còn gọi là ARN thông tin (mARN hay iARN) được tạo nên theo nguyên lý bổ sung từ 1 trong 2 mạch đơn của phân tử ADN Khi kết thúc tổng hợp phân tử này(mARN) tách khỏi NST và đi vào tế bào chất; trong

tế bào thường có lượng dự trữ các loại mARN ở giai đoạn 2 (dịch mã) mARN làm nhiệm vụ khuôn mẫu để tạo nên các chuỗi protein, gọi là các polypeptit Đến nay, chúng ta mới chỉ có khái niệm chung nhất về dịch mã cực kỳ phức tạp chứ chưa thể phân tích một cách hoàn chỉnh

được Ba nucleotit nằm kề nhau trong phân tử mARN có nhiệm vụ thông tin làm sao để một trong 20 axit amin "buộc" phải đi vào thành phần của chuỗi polypeptit đang được tổng hợp Như vậy, ở đây trật tự các base nằm trong các codon có ý nghĩa quyết định Tất cả có 64 codon (số tổ hợp theo 3 trong 4 loại base nitơ) Sự tương quan về trình tự các nucleotid trong gen và trình tự các acid amin trong chuỗi protein được gọi là mã di truyền hay mã sinh học Trong AND chỉ có 4 loại nucleotid (A, T, G, X), nhưng trong protein có khoảng 20 loại axit amin Bằng cả lý thuyết và thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng mã di truyền là mã bộ

ba, tức là cứ 3 nucleotid đứng kế tiếp nhau trong AND quy định 1 axit amin trong protein

H×nh 5 M« h×nh AND tù t¸i b¶n

B¶ng 2 M· di truyÒn

UUU tyr UCC UAA K.T (*)

UAG K.T

UGU cys UGC UGA K.T UGG trp

CAU his CAC CAA glin CAG

CGU CGC arg CGA CGG

AAU asp AAC AAA lys AAG

AGU ser AGC AGA arg AGG

GAU asp GAC GAU glu GAG

GGU GGC gly GGA GGG

Mã là "thoái hoá"; một số acid amin được mã hóa bởi 2, 3, 4 thậm chí 6 tổ hợp các bộ

ba mã hoá khác nhau "Chữ" thứ 3 của bộ ba kém ý nghĩa hơn Ba codon được gọi là "vô nghĩa" vì chúng không chứa thông tin về sự gắn kết các acid amin, mà làm nhiệm vụ "đọc" kết thúc tổng hợp phân tử protein (termination) Mã được giải đầy đủ từ thập niên 60 của thế kỷ trước và người ta được biết rằng nó là chung cho cả động vật, thực vật và vi sinh vật ý nghĩa của mã trong việc đảm bảo các quá trình sống khó mà đánh giá hết được

Trong đa số các trường hợp thì một sản phẩm cuối cùng của sinh tổng hợp, tức là polypeptit, tương ứng với 1 gen Tuy nhiên, cũng có những ngoại lệ, thí dụ, ở một số virus phức tạp sự "sao mã" (transcription) có thể bắt đầu từ những điểm khác nhau trên cùng một

đoạn của phân tử ADN, sự kết thúc sinh tổng hợp cũng có thể trùng hợp với các nucleotit khác nhau Kết quả dẫn đến sự hình thành một số mARN và tương ứng với một số protein hoạt

động tích cực dưới sự kiểm soát của một gen

Quá trình tổng hợp protein có những nét chung như sau (hình 6): ARN mẫu (mARN) -

1 đoạn sao theo nguyên lý bổ sung từ ADN (gen) sau khi di chuyển vào tế bào chất thì tiếp cận với các ribosome - các thể nội bào không lớn, cấu tạo từ các acid nucleic ribosome đặc thù (rARN) và protein Trong liên kết mARN với các ribosome thì các phân tử tương đối nhỏ của loại ARN vận chuyển đặc biệt (tARN), mỗi phân tử mang theo một trong số 20 axit amin lần lượt tiếp cận với ribosome Lúc này phân tử mARN dường như bị "căng" qua các ribosome, các axit amin kết dính với nhau thành một chuỗi liên tục, tạo nên polypeptit và các ARN vận chuyển bị gạt bỏ Các phân tử tARN và mARN sau khi được giải phóng có lẽ sẽ tái tham gia trong việc chuyển thông tin và tổng hợp các polypeptit Tính chính xác của quá trình sinh tổng hợp được đảm bảo ở chỗ mỗi một codon của mARN tương ứng với một codon đối mã (anticodon) của tARN Trong một thời gian ngắn các gốc nitơ bổ sung cho nhau của codon và anticodon liên kết với nhau Đối với tất cả các codon đang hoạt động của mARN trong tế bào chất đều có các tARN đặc thù ARN vận chuyển (tARN) với anticodon xác định là đối tượng mang acid amin riêng biệt và chuẩn xác

Hình 6 Sơ đồ sinh tổng hợp protein

ADN trong bộ nhân (genom) của sinh vật chuẩn, đặc biệt là thực vật và động vật đa bào có số lượng gấp nhiều lần so với nhu cầu cần thiết để tổng hợp tất cả protein trong cơ thể

Sự không phù hợp này vẫn chưa được giải thích hoàn chỉnh, có thể là:

1 Hoàn toàn không phải tất cả các gen trong các nhiễm sắc thể đều có sản phẩm cuối cùng của mình là protein Nhiều trường hợp kết thúc bằng sự sao mã (transcription) tạo nên các phân tử ARN (mARN, tARN và một số khác) tham gia tích cực vào việc tổng hợp protein, nhưng không phải dùng làm khuôn mẫu để cấu tạo nên các phân tử protein Nhu cầu

đối với các ribonucleic này ở trong tế bào là rất lớn và trong bộ nhiễm sắc thể của nhân có hàng trăm, thậm chí hàng ngàn gen giống nhau tương thích với mỗi kiểu ARN

2 Các gen trong phân tử ADN của các sinh vật bậc cao thường bị tách nhau bởi những

đoạn "đệm" lớn (spacer) Trên những đoạn này các ARN thông tin hoàn toàn không được hình thành

Trong các genom của tất cả các sinh vật nhân chuẩn đều có các trình tự nucleotit lặp lại thuộc 3 kiểu:

a Các trình tự ADN lặp lại cao:

Các trình tự này chiếm 10 - 15% hệ gen của động vật và không mã hoá cho protein Chúng liên quan đến chất dị nhiễm sắc cơ cấu (constitutive heterochromatine) Việc phân tích trình tự nucleotid cho thấy chúng gồm 3 loại:

- Loại đầu tiên, chiếm phần lớn các trình tự ngắn (5 - 1bp) sắp xếp lặp lại nối tiếp Các trình tự lặp lại nối tiếp nhiều lần

- Loại thứ hai tương ứng với các trình tự lặp lại nối tiếp nhưng với các đoạn dài hơn (100 - 200bp) Có nhiều trình tự lặp lại cao phân tán phía ngoài chất dị nhiễm sắc

- Các trình tự lặp lại cao xung quanh tâm động (trình tự cen) và ở các đầu mút của NST (trình tự tel)

b Các trình tự lặp lại trung bình:

Loại trình tự này chiếm 25 - 40% hệ gen người Chúng cũng gồm các trình tự lặp lại nhưng dài hơn (100 - 1000bp) và đa dạng hơn nhiều so với loại lặp lại cao Các trình tự này phân tán trong hệ gen và nếu cắt hệ gen thành đoạn 20 - 40kb thì có 90 - 100% số đoạn có trình tự lặp lại trung bình Trong số này có các trình tự mã cho nhiều loại rARN, có các gen histon, tARN

c Các trình tự độc nhất

Các trình tự độc nhất chiếm phần lớn hệ gen, gồm 2 loại:

- Các gen mã hoá protein

- Các gen giả (pseudogen)

3 Thời gian gần đây được biết nhiều gen của các sinh vật nhân chuẩn bậc cao chứa những đoạn lớn (tới 80 - 90% chiều dài của gen) không được phản ánh trong các sản phẩm cuối cùng của sinh tổng hợp, nghĩa là trong các polypeptit Trong quá trình "chín" của phân tử mARN (gọi là proccessing, sự tách ARN thừa), từ đó tách ra các vùng riêng biệt bằng các enzyme đặc biệt và trong lúc tổng hợp protein phân tử mARN chín tỏ ra ngắn hơn rất nhiều so với các phân tử mARN vừa mới được hình thành (hình 7)

Các đoạn gen giữ chức năng mã hoá (gián tiếp qua mARN) các axit amin được gọi là các exon, các đoạn không mã hoá axit amin gọi là intron còn toàn bộ quá trình tách các intron khỏi ARN là splysing (Hình 7) Sự có mặt của các exon được một số nhà khoa học coi như là

sự thích nghi đảm bảo tần số tái tổ hợp cao giữa các gen và bằng cách đó đẩy nhanh quá trình tiến hóa (Chambon, 1981)

Hình 7 Các giai đoạn thải intron

a intron, b exon, c mũ, trình tự ở các đầu phân tử mARN trong quá trình thải loại intron,

1-7 số thứ tự các exon Tất cả các đặc điểm cấu trúc genom vừa nói trên của sinh vật nhân chuẩn bậc cao, trong đó có cá, cho phép ở mức độ nhất định giải thích sự không tương xứng giữa hàm lượng ADN trong các NST và số lượng các protein khác nhau cùng tồn tại trong cơ thể sinh vật

II Các quy luật hoạt động của nhiễm sắc thể

1 Cặp đôi của NST và hoạt động NST trong nguyên phân và giảm phân:

Trong các kiểu nhân của cá (cũng như của đa số động vật và thực vật lưỡng bội) tất cả NST, trừ NST giới tính, đều thành cặp giống nhau về hình dạng và kích cỡ Sự có mặt các NST

đồng dạng dễ nhận biết khi nghiên cứu các kiểu nhân trong tế bào thuộc các cơ quan và tổ chức khác nhau Sự cặp đôi của NST tồn tại từ thế hệ này sang thế hệ khác nhờ sự phân chia chính xác các NST trong nguyên phân , sự giảm đi một nửa số lượng NST ở các tế bào sinh dục thành thục và sự phục hồi số lượng gốc khi kết hợp tinh trùng và trứng

Nguyên phân (mitosis), còn gọi là gián phân ở các tế bào cá cũng giống như ở các

động vật khác Sau 4 giai đoạn phân bào - kỳ trước, kỳ giữa, kỳ sau, kỳ cuối - từ một tế bào mẹ hình thành 2 tế bào con, trong nhân của mỗi tế bào này chứa bộ NST với số lượng như ở nhân

tế bào mẹ Sau kỳ cuối, tiếp đến là kỳ trung gian (interphase) Trong quãng thời gian này các NST trong nhân duỗi ra (mở xoắn) Khi quan sát dưới kính hiển vi quang học đa phần không nhìn thấy bởi chúng quá mảnh

Kỳ trung gian thường chia làm 3 kỳ nhỏ: trước tổng hợp ADN (G1), tổng hợp ADN (S)

và sau tổng hợp (G2) Tại kỳ S ở nhân tế bào diễn ra sự tái bản NST, chính ở thời điểm này, hoạt động tổng hợp ARN mạnh mẽ nhất

Trong tất cả NST có thể phát hiện cái gọi là các vùng dị nhiễm sắc chất (heterochromatin), nơi đó các sợi nhiễm sắc (và ADN) xoắn nhiều và việc tổng hợp ARN khó khăn Nhưng những vùng nằm kề các tâm động và ở một trong các NST nằm kề cơ quan tiểu hạch là những vùng dị nhiễm sắc chất ổn định thực sự

a

b

c

Do kết quả xuất hiện trong các NST những vùng ADN xoắn mạnh như vậy mà nhiều gen trong genom ở thời điểm ấy không thực hiện được tổng hợp mARN (còn gọi là sao chép gen) (phiên mã) Các gen khác nhau hoạt động ở những mô (tổ chức) khác nhau và ở các giai

đoạn phát triển khác nhau Hoạt tính của chúng được điều chỉnh bởi các cơ chế đặc biệt mà chúng ta sẽ không xem xét ở đây

ARN của ribosome (rARN) được tổng hợp với số lượng lớn trong các tiểu hạch dưới sự kiểm tra của các gen đặc biệt được lặp lại nhiều lần nằm trong cơ quan tiểu hạch ở đây, có lẽ cũng là nơi hình thành nên các ribosome

Giảm phân (meiosis) bao gồm 2 lần phân chia tế bào sinh dục kế tiếp nhau Kết qủa từ mỗi đôi NST đồng dạng chỉ còn một chiếc đi vào tế bào sinh dục thành thục (hình 8)

Hình 8 Sơ đồ sinh trứng và sinh tinh cá Giảm số lượng NST trong meiosis

Các tế bào sinh dục nguyên thuỷ được phân chia nhiều lần theo kiểu nguyên phân nhằm nhân lên nhiều về số lượng Sau đó bắt đầu lớn và trong nhân chúng diễn ra sự tái tạo phức tạp các NST Trong tuyến sinh dục đực các tinh nguyên bào dần chuyển thành tinh bào cấp I, ngay sau đó chúng chuyển sang phân bào lần thứ nhất (giảm phân I) Người ta chia giảm phân I thành một số giai đoạn đặc trưng: Leptonem hay Leptotene (giai đoạn các sợi nhiễm sắc

bé, mảnh), Zigotene (giai đoạn tiếp hợp những cặp NST đồng dạng), Pachytene (giai đoạn các NST co ngắn và to ra), Diplotene (bắt đầu tách các NST tiếp hợp) và Diakinese (dần dần các NST mở xoắn) ở giai đoạn Diplotene các NST của mỗi đôi vẫn còn dính nhau tạo nên các hình đặc biệt gọi là Chiasma (thể chéo) Trong quá trình tách các chiasma các NST đồng dạng

có thể trao đổi với nhau các đoạn tương đồng, người ta gọi là trao đổi chéo hay crossing-over (sự bắt chéo) ở cá các nhà khoa học đã phát hiện trao đổi chéo khi nghiên cứu di truyền một

số cá cảnh thuộc họ Poecilidae, cá chép Cyprimus carpio và cá bơn

Trong quá trình sinh tinh (hình 8), tinh bào lưỡng bội cấp I qua giảm phân và tạo nên 2 tinh bào cấp II nhỏ hơn về kích cỡ Trong các tinh bào này (cấp II) đã chứa 1/2 số NST (đơn

Phân bào lần thứ 2

Thể cực 2

Các NST của tế bào sinh dục (2n = 4)

Sinh trứng Noãn

bội) Lần phân bào thứ 2 (giảm phân II) dẫn đến hình thành 2 tinh tử, rồi dần dần các tinh tử này biến thành các tinh trùng có khả năng vận động Sự giảm số lượng NST chỉ diễn ra ở lần phân bào I Các tinh trùng cũng chỉ chứa kiểu nhân đơn bội

Đến thời kỳ sinh đẻ, phần lớn các tinh nang của cá xương chứa đầy tinh trùng, nhưng ở cá đực đẻ rồi trong tuyến sinh dục cũng còn thấy các ống chứa tinh với nhiều tinh trùng, tinh bào cấp II hoặc cấp I và những chỗ với các tinh nguyên bào đang tiếp tục phân cắt

Sự sinh trứng (hình 8) khác với sinh tinh trước hết ở chỗ bắt đầu giảm phân trứng đã

đạt kích cỡ rất lớn nhờ vào tích luỹ noãn hoàng Hai lần phân bào (I và II) diễn ra cuối thời kỳ sinh trưởng lâu dài của tế bào trứng Trong giai đoạn sinh trưởng tế bào chất (sinh trưởng nhỏ), noãn nguyên bào biến thành noãn bào sơ cấp với kích cỡ lớn gấp nhiều lần nhờ việc tăng khối lượng tế bào chất Giai đoạn sinh trưởng này kéo dài nhiều tháng, thậm chí 1, 2 hay 3 năm tuỳ theo loài cá và các điều kiện môi trường nơi cá sống; trong thời gian này tế bào trứng được cung cấp một lượng lớn noãn hoàng làm cho trứng lớn gấp hàng chục lần (sinh trưởng lớn) Sự phân bào lần thứ nhất thường trùng hợp với thời gian rụng trứng, trứng rụng vào xoang bụng hay noãn sào Lúc này ta thấy hiện tượng "chảy" trứng, trứng có khả năng thụ tinh và tiếp tục phát triển Giảm phân lần II của trứng diễn ra cùng lúc với việc tinh trùng tiếp cận và chui vào trứng hoặc ngay lập tức sau đó Trong giảm phân I, 1/2 số NST được ở lại trong tế bào chất của trứng, 1/2 thứ 2 trở thành một thể cực nhỏ bé, chỉ có thể nhìn thấy dưới kính hiển vi ở lần giảm phân II, một thể cực thứ 2 như vậy cũng được tách ra từ nhóm NST ở lại trong tế bào chất của trứng Noãn bào sơ cấp với lưỡng bội NST biến thành tế bào trứng đơn bội Nhân cái

đơn bội (pronucleus) kết hợp với nhân đực đơn bội tạo thành nhân lưỡng bội của tế bào trứng

đã được thụ tinh Mỗi noãn bào trong quá trình chín chỉ cho 1 tế bào trứng, chứa số lượng noãn hoàng cần thiết cho sự dinh dưỡng của phôi cá Các thể cực đều bị huỷ

Sự giảm số lượng NST trong giảm phân đặc trưng cho đa số các loài cá với quá trình sinh dục bình thường Kết quả giảm phân 1/2 số tế bào được nhận 1 trong 2 NST của mỗi cặp, còn nửa khác nhận NST kia Sự kết hợp ngẫu nhiên của NST của các đôi trong kết hợp hạch tế bào sinh dục (thụ tinh) thuộc nội dung của định luật 2 hay định luật phân ly ở đời thứ 2 khi tạp giao các cá thể khác nhau về một tính trạng di truyền nào đó với tỷ lệ 3:1 hay 1:2:1

Giảm phân có khi không xuất hiện ở các cá sinh sản theo kiểu phụ hay mẫu sinh, khi

mà một trong hai nhân tế bào sinh dục (cái hoặc đực) không tham gia phát triển phôi Trong những trường hợp này, nhân của tế bào sinh dục (trứng) có cùng một số lượng NST như ở nhân

tế bào cơ thể mẹ Sự thiếu vắng giảm phân ngẫu nhiên ở cá có quá trình sinh dục bình thường dẫn đến sự hình thành các tế bào sinh dục đực và cái lưỡng bội Kết quả thụ tinh có thể làm xuất hiện cá biệt các phôi tam bội (3n), thậm chí tứ bội (4n)

2 Tính đặc thù của NST

Các NST của mỗi đôi khác nhau về kích cỡ và cấu tạo Những khác nhau ấy có thể tìm thấy ở vị trí tâm động (centromere) (ở giữa hoặc cuối NST) tạo nên sự tương quan chiều dài các vai, ở sự xuất hiện các đoạn thắt, các vệ tinh và ở các đặc điểm cấu tạo khác Các phương pháp tế bào học như tiêm vào cá một lượng nhỏ colchicine trước khi cố định các mô và chuẩn

bị các tiêu bản ép tế bào đã tạo điều kiện để phân tích các NST khác nhau Gần đây, các nhà tế bào học sử dụng rộng rãi phương pháp nhuộm phân hoá NST (banding) cho phép phát hiện chi tiết trong cấu trúc các đôi NST riêng rẽ (hình 9) Các kết quả đáng tin cậy thu được nhờ xử lý tiêu bản bằng kinacrine tạo sự phát huỳnh quang ở một số vùng của NST (phương pháp phân

đoạn Q) Bằng cách này người ta đã phát hiện được những khác biệt rất rõ giữa các đôi NST một số loài thuộc họ cá hồi Salmonidae Người ta còn áp dụng phương pháp phân đoạn G bằng cách xử lý tripcine ở NST với việc nhuộm giemsa tiếp theo, cũng như phương pháp nhuộm phân đoạn C

Hình 9 Đặc thù của NST, nhuộm phân hoá G (Theo Kirpichnikov, 1987)

a NST người ở giai đoạn trung kỳ; b NST của cá hồi Đại tây dương (Salmo salar)

Phân bố độc lập NST trong thời kỳ giảm phân: ở đa số động vật và thực vật, cũng như ở người NST thuộc các đôi khác nhau phân bố ở các tế bào con hoàn toàn không phụ thuộc vào nhau khi chín các tế bào sinh dục Quy luật này là cơ sở của định luật 3 của Mendel

- Định luật phân bố độc lập các tính trạng ở thế hệ thứ 2 sau tạp giao, nó hoàn toàn phù hợp với cá Số lượng các tổ hợp NST trong giao tử được quy định bởi số lượng các cặp NST (n) và bằng 2n, số lượng các tổ hợp NST ấy ở trong nhân của các hợp tử bằng 4n ở hơn 1/2 số cá

được nghiên cứu có kiểu nhân từ 48 đến 50 NST (n = 24 hoặc 25) Khi n = 24 số lượng các kiểu giao tử khả dĩ lớn hơn 16 x 106, còn số hợp tử đạt đến 1014 ở các loài cá chép và các su-gan đa bội với số NST gần 100 (n = 50) số lượng các giao tử sẽ lên đến 1060 Hiện tượng đa dạng các kiểu hợp tử khả dĩ trong sinh sản hữu tính của cá có ý nghĩa đảm bảo ở mức độ cao tính biến dị di truyền các tính trạng hình thái, sinh lý và sinh hoá

Cũng có những trường hợp trái với quy luật phân ly độc lập các NST, thí dụ thuộc dạng này được phát hiện ở một loài cá châu á - Shaerichthys osphromonoides (họ Belontiidae, Perciformes) Loài này chỉ có những NST lớn trong đó có 14 NST cân tâm Trong các tinh tử

a

b

những NST này tạo thành 5 cấu trúc, 3 bivalent bình thường, 1 tetravalent (dạng vòng) và 1 hexovalent; ở trường hợp sau, 6 NST liên kết thành các vòng nhỏ và tạo thành 1 vòng lớn Có

lẽ đối với các loài chuyên hoá cao này, sự phân bố NST không ngẫu nhiên làm hạn chế biến dị

di truyền

3 ổn định số lượng NST

ở nguyên phân trong nhân tế bào con, số lượng NST vẫn được giữ nguyên như ở nhân

tế bào mẹ (2n) Giảm phân, như chúng ta thấy, dẫn đến sự giảm số lượng NST một nửa và sau khi thụ tinh không những xuất hiện các cặp NST đồng dạng mà cả số lượng NST đặc trưng cho loài cũng được phục hồi Mỗi loài đặc trưng số lượng NST (hình 10) nhưng cũng có trường hợp ngoại lệ ở một số nhóm thấy có hiện tượng đa hình NST do một số NST có khả năng liên kết và tách nhau ra ở vùng tâm động (gọi là liên kết hoặc tách tâm động) Trong trường hợp này, số lượng vai NST không đổi

Cũng còn những sai lệch khác nữa mà ở cá gặp nhiều hơn ở chim và các động vật có

vú Nhưng nhìn chung không trái với nguyên tắc ổn định số lượng NST Do vậy, các quy luật cơ bản liên quan đến cấu trúc và hoạt động NST trong nguyên phân và giảm phân vẫn đúng với cá

III đột biến nhiễm sắc thể

Bộ NST của cá trong cả quá trình tồn tại không phải bất biến mà luôn luôn có các biến

đổi về cấu trúc di truyền ở trong nhân và các gen Có các đột biến khác nhau :

1 Đột biến gen hay đột biến điểm làm thay đổi cấu tạo các gen ở một vùng xác định của gen một trong các nucleotit có thể thay thế bằng một nucleotit khác (thí dụ Guanin được thay thế cho Timin) do lúc tái bản bị lỗi, loại bỏ một hoặc một số nucleotit trong chuỗi ADN hay ngược lại, một số nucleotit được thêm vào (cả hai trường hợp này xảy ra do sự đứt ngẫu nhiên của chuỗi ADN) Nếu ở một trong những biến đổi ấy nằm ở giữa gen làm cho 1 triplet (3 nucleotit) mã hoá axit amin thành codon vô nghĩa thì ở chỗ này sẽ loại trừ việc tổng hợp protein và phân tử ptotein được tạo nên ngắn lại không có chức năng bình thường Các trường hợp khác chỉ làm thay đổi trật tự sắp xếp các acid amin trong protein Sự thay đổi chỉ một hoặc hai acid amin có thể gây hậu quả nhưng không lớn lắm đối với hoạt động sống của cá thể và

đột biến có thể được giữ lại trong quần thể hoặc bị đào thải do chọn lọc

Các tài liệu về đột biến gen ở cá chưa có nhiều, nhưng có lẽ không lớn lắm Thí dụ, ở cá chép khi theo dõi 260.000 cá thể không tìm thấy một đột biến nào về các gen quy định kiểu vẩy (Xoi và c s, 1974)

Thậm chí nếu cho rằng trong đàn cá này xuất hiện một đột biến (không quan sát được) thì tần số đột biến mới chỉ bằng 4.10-6 Chúng ta chỉ đánh giá về quá trình xuất hiện đột biến của cá trong tự nhiên bằng quan sát gián tiếp Các quần thể của nhiều loài cá có thể chứa nhiều dạng đột biến gen làm khuôn mẫu cho sự tổng hợp các protein rất khác nhau Điều này

được nói lên bởi sự xuất hiện nhiều biến dị di truyền các tính trạng hình thái, sinh lý cũng như

sự phát hiện trong các quần thể cá tự nhiên nhiều dạng dị hình

2 Biến đổi cấu trúc NST

Biến đổi cấu trúc NST thuộc nhóm 2 của đột biến Các đột biến NST gồm chuyển đoạn (translocation) - trao đổi các đoạn trong phạm vi một hay nhiều NST khác nhau; đảo đoạn (inversion) - các đoạn NST bị đảo ngược 1800, lặp đoạn (duplication) - nhân các gen hoặc các

đoạn nhỏ NST và mất đoạn (deletion) - mất đi các đoạn riêng rẽ

Chuyển đoạn là một kiểu cấu trúc lại NST mà đoạn nhiễm sắc thể đứt ra chuyển đến vị trí mới trong cùng một NST hoặc trao đổi đoạn giữa những NST đồng dạng hay không đồng dạng Ngày nay để phân biệt với hiện tượng trao đổi chéo người ta định nghĩa : Chuyển đoạn

là hiện tượng chuyển một đoạn NST gắn vào một vị trí mới trên cùng một NST hoặc vào NST khác không đồng dạng Chuyển đoạn có lẽ diễn ra khá thường xuyên, bởi các loài cá (có khi là các chủng trong cùng một loài) gần như khác nhau về cấu trúc kiểu nhân và sự khác nhau ấy trong nhiều trường hợp là kết quả của sự cố định tiến hoá của các chuyển đoạn Những cá thể

có sức sống tốt với các chuyển đoạn trao đổi không bị mất các đoạn NST hoặc thêm vật chất

di truyền (hình 11 a,b) Các chuyển đoạn tương hỗ NST có ý nghĩa tiến hoá rất lớn và có thể kèm theo sự giảm hoặc tăng các vai (mặc dù không phải thường xuyên) Có khi các cá thể có thêm đoạn NST vẫn sống được Có thể cái gọi là chuyển đoạn Robertson hay là "dung hợp tâm

động" còn quan trọng hơn và diễn ra thường xuyên hơn Một NST tâm mút bị đứt cạnh tâm

động và một NST khác cũng tâm mút, nguyên vẹn hoặc gần nguyên vẹn, gắn vào chỗ bị đứt Một hoặc hai đoạn nhiễm sắc thể không lớn ở gần tâm động (với 1 hoặc 2 tâm động) bị mất đi

và kết quả hai NST tâm mút này biến thành một NST cân tâm Trong trường hợp này số vai của bộ nhiễm sắc thể vẫn không thay đổi (hình 11d) Đôi khi cũng diễn ra quá trình ngược lại, tách tâm động (hình11g), trường hợp này muốn có được cần phải có tâm động thừa ra (hình 11e) Theo các thông báo gần đây thì có thể trực tiếp tách tâm động ra làm 2 NST con

Đảo đoạn (hình 11g-k) có thể chia làm 2 kiểu chính Đảo đoạn phía ngoài vùng tâm

động, trường hợp này khó phát hiện Đối với cá có lẽ xảy ra thường xuyên hơn, nhưng chỉ có thể nhận biết khi phân tích các gen di truyền liên kết Hiện tượng đảo đoạn kèm theo tâm động

được phổ biến rộng rãi Nếu hai điểm bị đứt xảy ra ở các vai NST với quãng cách đến tâm

động bằng nhau thì không thể phát hiện được (nếu không phân tích bằng các gen đánh dấu) Khi các điểm đứt không đối xứng thì tương quan về độ dài các vai và thậm chí số lượng vai NST cũng bị thay đổi

Hình 11 Biến đổi cấu trúc NST (chuyển đoạn và đảo đoạn của cá)

a Chuyển đoạn giữa NST không thay đổi số vai; b Chuyển đoạn giữa NST giảm số vai; c Chuyển đoạn giữa NST tăng số vai; d Liên kết tâm động (fusion) kiểu Robertson với giảm số lượng vai; e Tách tâm động (fission) với tăng số vai; g Đảo đoạn ngoài tâm động không tăng số vai; h Đảo đoạn gần tâm động; i Đảo đoạn gần tâm

động với tăng số vai; k Đảo đoạn không phân biệt

Việc lặp lại các quãng NST ở cá nhất định có diễn ra nhưng không thường xuyên Sự xuất hiện các gen kép được tìm thấy đơn thuần bằng phương pháp di truyền, dưới kính hiển vi khó mà phát hiện được Cơ chế nhân đôi rõ nhất là sự vắt qua (crossing-over) lệch, nghĩa là sự trao đổi giữa các phần vắt qua của NST không đối xứng Nhiều nhà nghiên cứu coi việc lặp

đoạn các NST có ý nghĩa đặc biệt trong tiến hoá cá (Ohno, 1970 và cộng sự) Hiện tượng mất

đoạn (deletion) có lẽ thường gặp hơn là lặp đoạn Đa phần cá thể mất đoạn kém sức sống, do vậy, chúng bị đào thải nhanh chóng khỏi các quần thể

Tần số đột biến gây nên sự thay đổi cấu tạo NST cá còn chưa rõ

3 Biến đổi bội số NST

Nhóm đột biến thứ 3 là thay đổi bội số NST Bên cạnh các cá thể bình thường với 2n NST có các cá thể với số lượng NST giảm đi một nửa, gọi là đơn bội (n) hoặc ngược lại, xuất hiện các cá thể với bội số NST tăng hơn, thí dụ tam bội (3n), tứ bội (4n) Đồng thời cũng gặp một số trường hợp lệch bội lẻ (aneuploid)

Các thể đơn bội có sức sống kém Khi các tế bào trứng thành thục được kích thích bởi các tinh trùng bị khử hoạt hoá nhân thì phôi phát triển theo đơn bội với các biểu hiện dị hình hoặc kết thúc bởi sự tử vong của phôi ở giai đoạn cuối

Thường xuất hiện nhiều nhất là tam bội Có lẽ ở tất cả các loài cá, việc sản sinh ra các giao tử lưỡng bội có tần số khá cao Nguyên nhân cơ bản của hiện tượng này là sự kết dính

hạch của tế bào trứng với thể cực cấp 2; do vậy, sự giảm NST ở tế bào sinh dục cái không xảy

ra Sự kết hợp nhân kiểu ấy với tinh trùng bình thường (cũng như việc chui vào tế bào trứng tinh trùng lưỡng bội hoặc thụ tinh một trứng bình thường với 2 tinh trùng cùng một lúc) (đa tinh trùng) cũng dẫn đến việc xuất hiện thể tam bội Cá tam bội có sức sống rất tốt, thí dụ một

số dòng cá diếc bạc Carassius auratus gibelio tam bội (hình 12) và một số nòi cá đẻ con Poeciliopsis và Poecilia thuộc họ cá Khổng tước Poeciliidae Các cá thể tam bội được tìm thấy cách đây không lâu ở cá Hồi hoa, cá Chép Caliphornia Hesperoleucus symetricus và cá Chạch hoa Cobitis taenia Sức sinh sản kém của cá tam bội với cả 2 giới tính (do không có sự phân ly

đều số NST trong giảm phân) và có khi hoàn toàn không có khả năng sinh sản, có lẽ đây là nguyên nhân của sự thiếu vắng chúng trong các quần thể tự nhiên của nhiều loài Tam bội cũng thường được sinh ra khi lai xa

a

b

Hình 12 Tam bội thể ở cá diếc bạc Carassius auratus gibelio (Theo Kobayashi và c.s, 1980)

a Kiểu nhân lưỡng bội (2n = 100); b Kiểu nhân tam bội (2n = 156)

Tứ bội có lẽ cũng xuất hiện do kết hợp hạch của các giao tử lưỡng bội đực và cái Tần

số xuất hiện của chúng trong tự nhiên hiện chưa có dẫn liệu

Cách đây không lâu, người ta còn nghi ngờ khả năng có mặt các dạng dị bội thể Nhưng sự có mặt các cá thể thuộc loài Golsa (2n = 84) với số lượng NST khác: 85 NST trong

đó có 3 NST mang gen đánh dấu Ldh-Ba cho phép nhận xét rằng các cá thể với 3 NST tương

đồng (trisomic) trong một số trường hợp có thể sống được Nói chung, trong quá khứ cá đã tiến hoá trải qua con đường đa bội hoá bộ gen của chúng

Các công trình nghiên cứu của nhiều tác giả từ những năm 30 đến 80 của thế kỷ 20 cho thấy việc chiếu tia Rơnghen (tia χ) và tia Gama (tia γ) lên sản phẩm sinh dục đã dẫn đến sự xuất hiện các đột biến gen và NST Anders và cộng sự (1971) đã chỉ ra rằng dưới ảnh hưởng của tia Rơnghen ở cá kiếm có thể xuất hiện đột biến huỷ hoại tính nhạy cảm điều hoà hoạt

động của gen điều khiển phát triển tế bào sắc tố đen (melanophore) kết quả tạo ra các u tiền melanom theo kiểu con lai giữa cá Poecilia với cá kiếm thường

Tác nhân đột biến hoá học rất có hiệu quả, đặc biệt là:

Nếu tinh trùng hay trứng được xử lý bằng NEU (nitrozoethylurê) thì ở phôi cá xuất hiện nhiều huỷ hoại NST mà ta có thể thấy được khi xem các tế bào nguyên phân ở thời kỳ phôi nang Điều này chứng tỏ tần số đột biến khá cao (Xoi, 1969) Tần số đột biến gen được xác định ở cá chép với gen S và n là 0,02 - 0,04% (dưới tác động của Dimethylsulfat) trong thí nghiệm với NEU đã thu được 40 gen n trên 11500 cá hay 0,36% (Xoi 1971, 1974) Nhưng rõ rằng gen đột biến n là do sai hình NST (mất đoạn) ở trường hợp sau xuất hiện tần số đột biến khá cao và có thể giải thích bởi hiện tượng mất đoạn nơi có đoạn NST chứa gen n chứ không phải do đột biến điểm (gen) Dù sao thì những thí nghiệm nói trên cũng cho thấy tốc độ đột biến do ảnh hưởng của các tác nhân đột biến có thể tăng hàng chục, thậm chí hàng trăm lần

Tác động lên trứng ngay sau khi thụ tinh bằng cách tăng hay giảm nhiệt độ (gây sốc nhiệt) nhân của trứng thường hay kết hợp với thể cực thứ cấp tạo nên nhân lưỡng bội Sau khi liên kết nhân này với tinh trùng, phôi trở thành thể tam bội Sử dụng phương pháp này cho phép tăng số lượng tam bội và tứ bội trong nhóm phôi cá đang phát triển Sốc tăng hay giảm nhiệt có thể được thay thế bằng xử lý xitochalazin ở trứng hoặc dùng áp lực thuỷ học Việc gây áp lực lên phôi cá trong giai đoạn phân bào đầu tiên có thể làm xuất hiện hàng loạt phôi tứ bội (Purdom, 1984)

Nhờ chiếu xạ, tác động hoá học, nhiệt học và cơ học có thể tăng mạnh biến dị đột biến

ở cá Một số thể đột biến, trong đó có tam bội thể, có thể dùng trong chọn giống các loài cá kinh tế

IV tiến hoá kiểu nhân của cá miệng tròn và cá

1 Số lượng NST và hàm lượng AND trong NST cá miệng tròn và cá

Số lượng NST của cá miệng tròn và cá đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu Có rất nhiều công trình chứa các thông tin về số lượng NST và vai NST (hàng trăm công trình) Nhưng rất đáng tiếc là chưa có công trình nào hoàn chỉnh về mặt lý luận, nhiều vấn đề tranh luận vẫn đang bỏ ngỏ Cho đến thời điểm này, đã có tới gần 1800 loài cá được xác định số lượng NST (ở Việt nam được hơn 40 loài, chủ yếu là các loài cá nước ngọt, Nguyễn Dương Dũng (1992) Nguyễn Thị Nga (1989)) Một số khái niệm về biến dị kiểu nhân giúp ta tìm hiểu

về phân bố số lượng của các nhóm phân loại đại diện (bảng 3) Các kiểu nhân rất khác nhau,

số lượng lưỡng bội dao động trong phạm vi 12 - 250; hàm lượng ADN có trong nhân tế bào biến đổi còn nhiều hơn, tính theo kiểu nhân đơn bội (n) từ 0,42pg (0,4.10-12g) của một trong

đại diện họ cá nóc (Tetraodontidae) đến 163pg ở cá lưỡng tiêm, nghĩa là gấp 400 lần (bảng 4)

Sự biến dị khác thường như vậy có thể giải thích là cá và cá miệng tròn là nhóm động vật cổ xưa, hoàn toàn dị hợp và đã phân ly qua hàng trăm triệu năm theo các hướng rất khác nhau

2 Quy luật biến đổi kiểu nhân của cá

Bây giờ ta hãy xem các quy luật biến đổi tiến hóa kiểu nhân của các cấp độ phân loại khác nhau đã được nghiên cứu Trước hết cần lưu ý 2 nhóm cá: Mixyni và Viên khẩu; trong quá trình tiến hóa chúng đã tách xa nhau ở cá Mixyni (Mixinidae) có số NST không lớn với hàm lượng ADN khá cao còn Viên khẩu (Petromyzoniformes), ngược lại số NST nhiều, đặc biệt các nhóm sống ở Bắc bán cầu (Nygren, Jahnke, 1972 a, Robinson và c.s, 1974, 1975), nhưng hàm lượng ADN không lớn (Hinegardner, 1976 b) Cơ chế phân ly nhiễm sắc thể còn chưa rõ

Trong bản thân lớp cá (Pisces) các nhóm nguyên thủy nhất có cá sụn (cá mập, cá đuối

và cá Himer) đã tiến hóa theo hướng tăng số lượng nhiễm sắc thể đồng thời tăng hàm lượng ADN ở một số cá đuối kiểu nhân có gần 100 nhiễm sắc thể (Nigrin và c.s, 1971); chỉ trừ cá

điện thuộc họ Torpedinidae Narcine brasiliensis với 28 NST (Donahue, 1974) ở tất cả cá sụn trừ Himer hàm lượng ADN trong nhân tế bào dao động từ 2,8 đến 16,2pg/ nhân đơn bội (bảng 3) Người ta cho rằng đa bội hóa có vai trò rất lớn trong tiến hóa Xêlakhi, thí dụ ở cá

Torpedo đuối thuộc giống Torpedo và Dasyatis hàm lượng ADN trong nhân tăng gấp đôi so với cá đuối thuộc giống Raja (Stingo và c.s, 1982)

ở cá lưỡng tiêm (Dipnoi) sự tiến hóa kiểu nhân theo hướng tăng mạnh số lượng ADN trong nhân; ở các loài hiện đại con số này dao động từ 80-160pg Trong khi số lượng NST của cá không lớn (xem bảng 2 và 3)

Nghiên cứu kích cỡ tế bào của tổ tiên cá lưỡng tiêm hiện đại cho thấy tế bào lớn từ từ nhưng không bị chững lại Có lẽ sự tăng trưởng hàm lượng ADN trong nhân cùng diễn ra song song Có thể có được 1 vài nhận định về các nguyên nhân của vấn đề này Đối với tất cả các cá còn lại thuộc nhóm cá lưỡng tiêm khác biệt trước hết bởi "lá phổi" đặc biệt của nó thay cho bóng bơi và cho phép chuyển sang thở không khí Sự chung sống hai cơ chế hô hấp cần đến tính đàn hồi cao của các quá trình sinh lý Có thể việc tăng nhiều lần hàm lượng ADN đảm bảo cho cơ thể có được một lượng cần thiết các loại men khác nhau Chuyên hóa được tăng cường ở cá lưỡng tiêm và sự hạn chế các tổ sinh thái có ích cho đời sống (vùng nước ngọt có bùn không sâu lắm và được sưởi ấm tốt) đã tác động làm giảm số lượng NST và đồng thời tạo nên các phức hệ gen bền vững

Bằng cách nào mà kiểu nhân của cá lưỡng tiêm tiến hóa thì đến nay chưa rõ lắm Điều này có thể diễn ra bằng cái gọi là nhân đôi (duplication) nối tiếp tuần tự các đoạn nhiễm sắc thể nhưng cũng không loại trừ quá trình tăng trưởng số lượng các chromonem trong các NST, NST đa sợi nhiễm sắc (polytenization) Cách đây không lâu người ta xác định rằng ở cá Dipnoi

có vấn đề đa bội hóa genom; trong các loài thuộc giống Protopterus có loài P.dolloi với số lượng NST và hàm lượng ADN trong nhân tăng gấp đôi (Vervoort 1980)

Một số nhà khoa học cho rằng sự giống nhau về hàm lượng ADN giữa đại diện cá lưỡng tiêm và một số động vật lưỡng cư (Urodela) có liên quan đến sự thân thuộc về chủng loại phát sinh Cũng có thể sự chuyển lên cạn của động vật ở nước ban đầu kéo theo sự tăng trưởng mạnh hàm lượng ADN trong nhân (Bachmann, 1972) như đã diễn ra với cá lưỡng tiêm thích nghi sống được ở 2 môi trường

Các cá sụn Ganoid (họ Acipenseridae và Polyodontidae) có số lượng NST thể lớn và cũng khá giàu ADN, trong trường hợp này chúng giống cá Selachomorphas Có thể sự phát triển kiểu nhân như vậy liên quan đến cách sống và kích cỡ cá, trong đó có sự vận động nhiều

và khả năng lớn nhanh Còn một đặc điểm nữa hợp nhất 2 nhóm này lại là sự có mặt của nhiều

"NST điểm" nhỏ ở chúng Vai trò NST điểm giải thích chưa được rõ lắm, mặc dù một số nhà nghiên cứu về nhân của Italia cho rằng chúng chứa vật chất di truyền "dư thừa", được sử dụng khi cần tổng hợp protein Số lượng các NST như thế có thể dao động; sự có mặt của chúng

được coi như cơ chế đặc biệt để tăng biến dị NST mà không ảnh hưởng đến tính toàn vẹn của

bộ genom cơ bản

Về số lượng NST và hàm lượng ADN trong nhân của họ cá Tầm (Acipenseridae) chia làm 2 nhóm: 1 nhóm gồm các cá Tầm nhiều NST các loài trong giống Acipenser còn nhóm kia có số NST bằng 1/2 nhóm đầu (các loài trong giống Huso)

Sự khác nhau giữa các nhóm về hàm lượng ADN trong genom và kích cỡ hồng cầu chứng tỏ các giả thuyết về nguồn gốc đa bội của 1 số loài trong họ cá tầm Acipenseridae là có cơ sở (Fontana, 1970, Vaxiliev, 1985)

Các con đường tiến hóa kiểu nhân trong bộ cá trích (Clupeiformes) và cá Hồi (Salmoniformes): cá trích và các họ gần nó có lẽ về cơ bản giữ số lượng nhiễm sắc thể (2n = 48-52) đặc trưng cho tổ tiên cá xương hiện đại (Sheel, 1974) Nhưng có một số ngoại lệ, thí dụ loài Gonostoma bathyphilum thuộc họ Jonostomatidae chỉ phát hiện được 12 nhiễm sắc thể lớn (Post, 1974) Có thể nói đây là số nhiễm sắc thể ít nhất được xác định Cũng ở trong giống này có loài G elongatum với 48 nhiễm sắc thể Căn cứ sự có mặt trong giảm phân 6 bộ tứ tử vòng, các nhiễm sắc thể lớn của G bathyphilum đã được hình thành do một số liên kết tâm

động

Bộ cá hồi (Salmoniformes) được chia theo kiểu nhân thành họ cá hồi (Salmonidae) và cá Kharius (Thymallidae) Cá của các họ vừa nêu vào cuối kỷ đệ tam hoặc đầu kỷ đệ tứ đã trải qua sự nhân đôi bộ NST của chúng, vấn đề này coi như đã được chứng minh (Ohno, 1970) ở cá gốc tam bội (có lẽ chung cho tất cả nhóm) phải là gần 96 - 100 NST Về sau trong quá trình phân hoá cá hồi, cá xích, cá hồi kharius diễn ra sự phân ly các kiểu nhân kèm theo lưỡng bội hoá genom thứ cấp Số lượng NST ở tất cả các loài trừ cá hồi kharius được được giảm đi ít nhiều Về tính đa bội hoá của cá hồi và cá xích được nói đến qua các dẫn liệu di truyền, đó là

sự có mặt trong genom một số lớn các locus được nhân đôi (Kirpichnikov, 1973; Markert và c.s, 1975; Ferris và c.s, 1979 v.v…)

Sự phân ly họ cá hồi (Salmonidae) dẫn đến khác biệt rất lớn về kiểu nhân thậm chí trong phạm vi một giống (bảng 3) Thí dụ, ở cá hồi Thái bình dương (Oncorhynchus) số NST biến đổi trong phạm vi từ 74 ở cá Keta đến 52 ở cá Goorbusa, số vai (NF - số vai cơ bản) gần như không đổi R.M Victorovsky (1975) cho rằng hầu hết các biến đổi NST diễn ra trong lúc phân ly giống Oncorhynchus được liệt vào kiểu liên kết tâm động (chuyển đoạn Robertson)

Ông coi cá Keta như một loài gần với loài gốc với 100 NST tâm mút Loài "diễn tiến" (kiểu nhân) theo tác giả vừa nói trên thì nên dành cho cá hồi Đại tây dương trải qua nhiều biến đổi NST nhất - không dưới 37 - 40 Biến dị to lớn bên trong loài về số lượng NST còn gặp ở cá hồi nước ngọt S clerki (bảng 4) Giống Salvelimus phân hoá ở mức thấp hơn Người ta cho rằng sự phân hoá này được bắt đầu trước hay sau thời kỳ băng hà lần thứ nhất và vẫn chưa kết thúc (Victorovsky, Glubokovsky, 1977) Nghiên cứu hình thái giống này cho phép dự đoán rằng chúng đã xuất hiện từ dạng Salmo trutta

Trong số các cá Salvelinus thấy có sự khác biệt rất lớn về kiểu nhân cũng như các đặc

điểm hình thái sinh học lớn ở nhiều loài đại diện Bắc châu á như S.alpinus và S.malma Số lưỡng bội NST của nhiều cá dao động rất lớn (Victorovsky, 1978)

Trong số cá Xích (giống Coregonus) nhiều loài có 80 NST Một số cá Xích khác số lượng NST gần tới 78-79, và chỉ một loài C.nasus đặc trưng bởi bộ NST với số lượng rất ít Có

lẽ sự phân hoá genom của Coregonus diễn ra cách đây không lâu Loài cá xích Mỹ thuộc giống Prosopium biến đổi mạnh nhất; sự phân ly có thể được đẩy nhanh do sự khác biệt của số lượng không lớn cá với các tổ sinh thái được thả vàođịa bàn này (Booke, 1974)

Cá Kharius có lẽ đã giữ được mức cao nhất của kiểu nhân "tổ tiên" mình (theo số lượng NST) Nhưng trong quá trình tiến hoá số vai được tăng lên Cơ chế khả dĩ của việc tăng này là đảo đoạn ngoài tâm động

Các họ gần gũi với cá hồi và cá xích cùng một bộ đó là Osmeridae Argentiridae, cá ở nước sâu Bathylabidae vẫn giữ mức lưỡng bội gốc Một số cá ở sâu thuộc họ Bathylagidae có hàm lượng ADN tăng và số lượng NST của chúng cũng tăng Vấn đề này không liên quan đến

đa bội hoá mà với các lặp đoạn nối tiếp của vật chất NST và các biến đổi genom do kết quả chuyển đoạn

Khó đánh giá chính xác các nguyên nhân giảm thiểu số lượng NST trong quá trình lưỡng bội hoá thứ cấp của các genom cá hồi Có thể có 3 cách giải thích:

1 Sự giảm thiểu các bộ NST lưỡng bội diễn ra một cách tự động do kết quả khá thuận lợi hơn của việc kết dính các NST (với sự cố định tiếp theo các biến đổi ấy) hơn việc tách chúng Đa bội hoá tác động liên kết các NST thân thuộc về nguồn gốc (Victorovsky, 1978)

2 Sự giảm thiểu số lượng NST liên quan đến chuyển hoá của loài trong quá trình này

đã hình thành các phức hệ của các gen liên kết đã tạo ra ưu thế thích nghi rõ ràng (Rosen, 1972; Kirpichnikov, 1973)

3 Việc liên kết tâm động các NST thân thuộc đã tỏ ra có lợi, bởi nó tác động đẩy nhanh lưỡng bội hoá ở các thể đa bội (Roberts, 1970) Khả năng cố định đơn thuần ngẫu nhiên các NST biến đổi không có sự tham gia chọn lọc tự nhiên là rất hiếm, đặc biệt nếu xét đến tính

cá biệt của những biến đổi ấy Nói đúng hơn, trong tiến hoá đã giữ lại những biến đổi có giá trị thích nghi Những khái niệm này giúp làm sáng tỏ các giải thích về chọn lọc trở nên có căn cứ hơn

Còn một điều nữa là các dấu vết đa bội hoá không xa xưa lắm của cá hồi diễn ra ở nhiều loài cá này trong việc hình thành ở giảm phân các NST vòng, valent và các lệch chuẩn của các dạng NST

Những biến đổi tiến hoá trong bộ cá chép (Cypriniformes) nói lên một điều khá thú vị

Sự ổn định lạ kỳ về số lượng NST các họ cá chép nếu không tính đến một số ít đa bội thể, số lượng NST ở họ này dao động không đáng kể, chỉ có họ phụ chuyên hoá Rodeinae đặc trưng bởi số lượng NST ít nhất (50 NST (hình 13)

Số lưỡng bội NST Hình 13 Phân bố các loài theo số lượng NST khác nhau thuộc các cấp phân loại cá

a Cyprinidae; b Characidae; c Lebiasinidae (Cypriniformes); d Cyprinodontifomes - Các loài đa bội thể được

loại ra; đối với các loài đa hình có ghi số lượng NST tối đa thường gặp

Sự biến đổi khối lượng lớn của cá chép theo Kirpichnikov (1987) có liên quan đến các

đặc điểm sinh học - sức sinh sản cao, đa dạng các tổ sinh thái, tính thích ứng Tất cả điều này cần biến dị di truyền lớn mà không liên quan đến tái tổ hợp các gen

ở một số nhóm thuộc họ cá chép, trong đó có các loài đại diện Mỹ thuộc giống Notropis có sự ổn định các bộ NST mặc dù có phân hoá hình - sinh thái của các loài (Gold,

a

c

b

d

1980) Chính trong nhóm cá đang phát triển tiến bộ này có thể giữ các thể đột biến có được chủ yếu do cạnh tranh với các dạng lưỡng bội bình thường Đa bội thể xuất hiện ở 3 họ: Cyprinidae, Cobitidae và Catostomidae Đây chính là giai đoạn quan trọng trong tiến hoá tiến

bộ của cá xương ở kỷ thứ 3 Trong số cá chép đa bội có nhiều loài (không dưới 7 loài) thuộc

họ phụ cá Barbinae và 2 - 3 loài thuộc Cyprininae Cá chép Cyprinus carpio, cá vàng Carassius auratus và dạng cá diếc bạc lưỡng tính Carassius auratus gibelio có các bộ NST

được nhân đôi (2n = 98 - 104) Các quần thể đơn tính C.a.gibelio có bộ NST 3n = 150 (Makino, 1939; Cherfas, 1966) Các dạng lưỡng bội và tam bội cùng tồn tại trong một số loài phụ cá diếc bạc ở Nhật, còn loài phụ C.a.langsdorfi gồm 3 dạng với bộ NST 100, 156 và 206 NST (Ueda, Ojima, 1978) ở cá diếc đặc biệt sông Đunai C.carassius kiểu nhân gồm 50 NST, nhưng con số này cần kiểm tra lại

ở họ phụ cá trôi Barbinae các loài lớn (B barbus, B brachicephalus, B meridionalis,

B tauricus, Tor putitora v.v…) là những thể tứ bội (theo xuất xứ); phần lớn các dạng bé (cá thuộc giống Puntius, trước đây được liệt vào giống Barbus) là lưỡng bội Trong 2 họ phụ cá chép sự đa bội hoá đã diễn ra độc lập ở cá Viun (họ Cobitidae) bên cạnh các cá lưỡng bội đã tìm thấy một số loài đa NST như Botia macracantus, B modesta, Misgurnus fossilis Trong khi đó ở một loạt các loài người ta tìm thấy các phức hợp lưỡng - tứ bội, thậm chí lưỡng - tam -

Trong tiến hoá một loạt các họ thuộc bộ cá chép diễn ra khá rõ xu thế giảm số lượng các bộ NST Thí dụ, ở họ cá Lebiasinidae số lượng NST của một số loài giảm tới 22 - 30, (bảng 3) Trong trường hợp này mối liên hệ giữa số lượng NST và chuyên hoá rõ hơn ở cá hồi

ở một số họ (Characidae, Anostomidae v.v…) nhiều loại có số lượng NST tăng (trên 50) và thường gặp NST cân vai (Scheel, 1972) Đi đôi với việc tăng số lượng NST ở cá Characidae tăng luôn cả hàm lượng ADN Do vậy, trong bộ cá chép tiến hoá kiểu nhân đã diễn ra với tốc

độ khác nhau và theo các hướng khác nhau Điều đó dẫn đến sự phân hoá lớn các bộ NST

Một trong số các bộ cá được nghiên cứu nhiều về tiến hoá kiểu nhân đó là các họ trong

bộ cá Vược (Perciformes) ở nhóm dị hợp về gen có các họ với mức đàn hồi (mềm dẻo) và chuyên hoá rất khác nhau Khả năng thích ứng rộng rãi đặc trưng ở họ cá Vược (Percidae), họ Centrarchidae, là những họ mà hầu như tất cả các loài đều có 48 NST Giống Etheostoma trong họ cá Vược là ngoại lệ; các loài lớn với số cá thể nhiều của họ này được chuyên hoá rất cao, nhưng ở tất cả chúng đều có số NST không đổi là 48 (2n) Trong khi đó các họ như họ cá bống trắng (Gobiidae), họ cá rô phi (Cichlidae) và họ cá rô (Anabantidae) gồm nhiều dạng chuyên hoá, nhưng chúng ta cũng thấy nhiều trường hợp số lượng NST giảm (bảng 3) Đối với các bộ Seorpaeniformes, bộ cá bơn (Pleuronectiformos), bộ cá gai bụng và một số nhóm phân loại cá xương tiến bộ khác khó có nhận xét vì ít tài liệu Chỉ nói thêm rằng cá ở những bộ này

xu hướng giảm số lượng NST thấy khá rõ (bảng 3)

B¶ng 4 Hµm l−îng ADN trong genom cña c¸ (theo Kirpichinkov, 1987)

Cyclostomata

Myxini

Petromyzoni

Pisces Selachomorpha

5.4-16.2 2.8-8.1 1.5-1.6 80-163 3.0-7.0 4.7-4.9 1.7-1.8 2.9-5.1 1.2-1.4 1.5 0.8-2.7 1.7-6.4 2.8-3.5 1.5-2.0

0.7-2.0

0.7-1.4 1.7-2.2 2.0

1.1-2.4 4.1-4.4 2.3-4.4 1.4-1.5 0.6-1.0 1.3 0.7 1.0-1.4

0.6-0.9 0.7-0.8 0.4

Đã có khá nhiều dẫn liệu trong phần nói về NST, do vậy cần giới hạn vấn đề tiến hóa NST; chúng ta không thể phân tích hết sự tiến hóa của nhiễm sắc thể của tất cả các nhóm phân loại, thí dụ bộ cá nheo (Siluriformes), bộ cá Sóc (Cyprinodontiformes).v.v… mà chỉ giới thiệu các số liệu về số NST, hàm lượng ADN ở các bảng 3 và 4 Qua các dẫn liệu ở bảng 3 và 4 ta

có thể nhận xét rằng có sự giảm thiểu rõ rệt về số lượng NST cũng như hàm lượng ADN trong genom theo mức độ chuyển dịch từ các nhóm nguyên thuỷ đến các nhóm có tổ chức cao hơn Quy luật này đã được các nhà nghiên cứu chú ý từ lâu (Hinergardner, 1968, 1976; Kirpichnikov, 1973; Ohno, 1974, vv ) Trong số các nhóm nguyên thuỷ nhất là cá mixyni và cá amphioxi có bộ NST với số lượng không nhiều lắm Nhưng chúng lại đặc trưng bởi hàm lượng ADN rất cao Trong các nhóm phân loại khác thấy có cả tăng lẫn giảm số lượng NST

Sự thoái hoá số lượng NST có lẽ không nên quy về nguyên nhân cố định ngẫu nhiên các chuyển đoạn Robertson và đúng hơn là nên xem chọn lọc quy định bởi các điều kiện tồn tại của nhóm cá này hay nhóm cá khác và tính thích nghi của cá đối với môi trường sống Sự giảm số lượng trong một số trường hợp chắc chắn có liên quan đến chuyên hoá của các loài cần hạn chế bớt tổ hợp vật chất di truyền Nhưng mối liên hệ này không tuyệt đối Sự thay đổi

số lượng NST và hàm lượng ADN trong nhân có thể là sự thích nghi với các điều kiện tồn tại

đặc biệt

Những biến đổi cấu trúc NST theo kiểu dung hợp tâm động (và có thể cả tách tâm

động) và đảo đoạn gần tâm động (paracentric inversion) giữ vai trò chính trong tiến hoá kiểu nhân Cũng như nhiều sinh vật khác có thể dự đoán rằng đảo đoạn gần tâm động (paracentric inversion), lặp đoạn cùng trình tự phân bố các locus (tandem duplication) và mất đoạn (deletion) nhỏ bé đều tham gia đáng kể vào quá trình này, nhưng hiện tại chúng ta chưa có các phương pháp để phát hiện chúng ở cá

Đa bội hoá luôn luôn có vị trí trong tiến hoá của cá, những trường hợp xuất hiện độc lập các thể đa bội ở họ cá Tầm, các bộ cá Hồi và cá Chép hoặc ở cấp độ thấp hơn là ở bộ cá Trê Không loại trừ vai trò của đa bội trong sự phát triển tiến hoá của các cấp độ phân loại khác Khả năng sống sót của các cá thể đa bội quy định sự hiện diện kiểu xác định di truyền giới tính tương đối đơn giản ở đa số cá, và đối với một số hoàn toàn không có NST giới tính

Tiến hoá ở bộ NST ở cá lưỡng tiêm là thí dụ đặc biệt của sự gia tăng gấp nhiều lần vật chất NST song song với sự tăng kích cỡ tế bào Thí dụ này có thể có ích khi nghiên cứu con

đường xâm nhập của sinh vật dưới nước lên cạn

Có nhiều ý kiến về sự tồn tại những khác biệt số lượng NST giữa cá nước ngọt và nước biển, cá sống ở nước sâu và gần bờ (Nicolski, Vaxaliev, 1973) Nhận xét về sự tăng số lượng NST cá nước ngọt, nhưng ở một loạt các bộ và họ riêng rẽ các loài cá nước ngọt có sự thoái hoá mạnh mẽ về số lượng NST, trong khi cá biển và cá bán lưu hành ngược lại, có sự gia tăng Thí dụ rõ nét nhất về sự giảm số lượng NST có thể rút ra từ cá sóc ở nước ngọt Các dẫn liệu

về số lượng NST nhiều ở cá Bắc cực có thể tin tưởng được phần nào, nhưng cả trong trường hợp này cũng không nên quên yếu tố chính là sự phân hoá các kiểu nhân của cá, nói cách khác

là mức độ chuyên hoá của chúng Không thể phủ nhận rằng cá ở nhiệt đới và á nhiệt đới mức

độ chuyên hoá cao hơn

Trên cơ sở xem xét kiểu nhân của 408 loài cá thuộc 45 họ và 95 giống V.P.Vaxiliev (1985) đã phân tích mối liên hệ giữa tiến hoá kiểu nhân với một số yếu tố như tiến hóa kiểu nhân trong mối liên hệ với cách ly không gian, mức sinh sản, thời gian tồn tại của cấp độ phân loại (taxon), cân bằng sinh thái, khối lượng genom, cấu trúc kiểu nhân v.v… Tiếc rằng vấn đề nêu lên rất rộng và hấp dẫn nhưng số liệu chưa nhiều nên các lập luận và giải thích còn hạn chế

Những hiểu biết về cơ chế biến đổi tiến hoá NST cá cho phép bổ sung nhiều dẫn liệu quan trọng về chủng loại phát sinh, đặc biệt là quan hệ giữa các nhóm trong phạm vi các họ cá Chúng ta đơn cử họ cá chép (Cyprinidae) là họ chủ yếu sống ở nước ngọt, phong phú cả về

số l−ợng lẫn chủng loại.Cách đây gần 150 năm Gỹnther (1868) đã chia họ này thành 11 họ phụ Muộn hơn, Berg (1911) khi nghiên cứu các chép ở Nga và các vùng phụ cận đã chia thành 10 họ phụ, nh−ng đến năm 1949 tác giả này lại gộp tất cả thành 4 họ phụ Kr−janovsky (1947 - 1949) cũng chia họ cá chép thành 4 họ phụ Còn Niconsky (1975) cho rằng họ cá chép bao gồm 10 họ phụ Cần nói rõ là các tác giả vừa nêu phân loại dựa trên các đặc điểm hình thái và sinh thái Tất nhiên sự khác nhau không chỉ ở số l−ợng các họ phụ mà quan trong hơn

đó là cách sắp xếp quan hệ họ hàng giữa các nhóm trọng họ Cyprinidae

Dựa trên các đặc điểm về kiểu nhân, Vaxiliep (1985) đã chia cá chép thành 9 nhóm khác nhau:

Nhóm thứ nhất số NST l−ỡng bội (2n) là 50 Trong số đó số NST cân tâm 12 - 16, kiểu nhân này có ở các loài thuộc 13 giống chính

Nhóm thứ hai số l−ợng NST l−ỡng bội là 50 - 48 Tất cả các NST đều cân tâm hoặc lệch tâm

Nhóm thứ chín có số NST là 78 Kiểu nhân này có ở loài opsarichthys uscirostris

Yu và cộng sự năm 1987 đã chia họ cá chép theo các kiểu nhân thành 7 nhóm với 10

họ phụ (hình 14)

Hình 14 Tiến hoá kiểu nhân và chủng loại phát sinh họ cá chép (theo Yu và c.s, 1987)

2n = 50 (Leuciscus

bonio)2n = 74-78 (opsarichthys zacco) Leuciscinae 2n = 48 (Ctenopharyngo-

don Tinca tinca)

Kiểu nhân của họ cá chép cho thấy số lượng NST lưỡng bội 2n = 48 - 50 chiếm tuyệt

đại đa số Trong tổng số 222 loài thuộc họ này thể có 192 thuộc kiểu nhân nói trên (Vaxiliev, 1985)

Nhìn chung, kết quả nghiên cứu về chủng loại phát sinh các nhóm phân loại theo phương pháp cổ điển (tạm gọi đối với phương pháp phân loại dựa trên các đặc điểm hình thái

và sinh thái) và phương pháp hiện đại (dựa trên phân tích kiểu nhân) không sai khác nhau lớn lắm Tuy nhiên, việc kết hợp giữa 2 phương pháp nói trên mang tính cách bổ sung lẫn nhau và

có sức thuyết phục hơn

V đa hình nhiễm sắc thể của cá

Như chúng ta đã thấy, số lượng NST biến đổi trong phạm vi rộng và một trong những cơ chế quan trọng nhất của sự biến đổi ấy là dung hợp tâm động của các NST thuộc các đôi khác nhau (chuyển đoạn Robertson) Hậu quả trước tiên từ kiểu biến đổi nói trên, nếu nó được giữ lại trong quần thể thì sẽ là đa hình NST Có thể chia làm 3 mức đa hình:

1 Đa hình các tế bào cùng 1 cơ thể (mức bên trong cá thể hay là thể khảm (mosaicisme))

2 Những khác biệt giữa các cá thể trong phạm vi 1 gia đình hoặc 1 quần thể (mức bên trong quần thể)

3 Những khác biệt giữa các quần thể hay các nòi (strains), loài phụ (subspecies) trong phạm vi 1 loài (mức giữa các quần thể)

1 Biến dị NST bên trong cá thể (mosaicisme)

Hiện tượng này thường gặp ở nhiều loài cá ở phôi cá hồi hoa người ta đã tìm ra sự dao

Bảng 5 Biến dị kiểu nhân của cá Hồi hoa Salmo gairdneiri (Kaidannova, 1974)

Kiểu nhân (2n) Gia đình

số Phôi số

Tổng số phiến trung

Biến dị lớn trong "nội bộ cá thể" cũng đã được Roberts (1970) tìm thấy ở cá hồi Đại tây dương Salmo salar Đáng tiếc là các số liệu của Roberts có phần chưa thuyết phục Nguyên liệu để làm các tiêu bản mitosis là các tế bào lấy từ buồng trứng, nhưng trong quá trình nuôi cấy các NST riêng rẽ lúc phân bào có thể bị mất; ngoài ra, trong các điều kiện nuôi cấy tế bào đặc biệt 2 vai của NST có thể bị tách ra (ở cá này có 7 - 8 đôi)

Theo tài liệu nghiên cứu nhiều năm của IA.V Barsene (1977, 1978, 1980, 1981) hiện tượng đa hình tế bào của cá hồi Đại tây dương là rất lớn, nhưng lại ít liên quan đến chuyển

đoạn Robertson Cơ sở của vấn đề này là ở chỗ có lẽ có sự trục trặc khi tách các NST đồng dạng, sự bài xuất (elimination) một số NST trong thời kỳ nguyên phân và sự chuyển đoạn giữa các NST Theo Barsene thì phổ biến nhất là các bộ NST kiểu 16m + 42a (NF = 74) và 14m + 44a (NF = 72) Tuy nhiên, cũng gặp những tiêu bản có số tương quan NST khác với 2 kiểu trên

E.V Chernenko (1976) đã đưa ra nhiều dẫn liệu về biến dị các bộ NST theo kiểu thể khảm (mosaicism) ở các giai đoạn phát triển phôi của Oncorhyncus nerka Mỗi phôi đặc trưng bởi sự biến dị NST của nó, gặp nhiều nhất là các bộ 2n = 56, 57, 58 Số lượng NST tâm mút gia tăng cùng với sự gia tăng số lượng chung của NST trong các kiểu nhân Điều này cho thấy vai trò chuyển đoạn Robertson, mặc dù không loại trừ các kiểu biến đổi khác

ở cá hồi O.Kisutch cũng phát hiện thấy hiện tượng đa hình NST, nhưng biên độ dao

động không lớn lắm, khoảng 58 - 60 (Ohno, 1969) Chuyển đoạn Robertson ở đây chỉ diễn ra

ở 2 đôi NST Số lượng vai rất ổn định (NF = 104) ở cá mặt trời Lepomis cyanellus tại một trong những quần thể gia hoá đã tìm thấy biến dị NST liên quan đến dung hợp tâm động của 2

đôi NST ở những cá thể với 47 NST, dị hợp theo kiểu chuyển đoạn Robertson đã diễn ra sự phân ly số lượng NST với sự hình thành các tế bào theo 3 kiểu (2n = 46, 47, 48) Số lượng NST cân vai lớn (m) ở các tế bào tương ứng là 2,1 và 0 (hình 16) ở một loài cá chép nhỏ châu á Acheilognatus rhombea sự phân ly tế bào soma ít nhiều mang tính chất khác ở cùng một cá thể tìm thấy các tế bào với 3 kiểu nhân khác nhau rất rõ nét ở tế bào với 48 NST thì tất cả đều tâm mút (a), còn ở loại 46 NST thì có 2 NST cân tâm (m), ở 44 NST có 4 NST cân tâm (Nogusa, 1955) Có lẽ 2 chuyển đoạn cùng diễn ra một lúc khiến 4 NST tâm mút trước đó là 2

đôi nay thành 2 NST cân tâm hoặc 8 NST thành 4 cân tâm

Hình 16 Sơ đồ phân ly NST tế bào soma của cá Lepomis cyanellus (theo Becak và c.s, 1966) chỉ giới thiệu 2 đôi NST có chuyển đoạn

a Các đồng hợp tử bình thường với 48 NST tâm mút (a); b Các dị hợp tử với 2n = 47 và không phân ly trong các

tế bào soma; c Các đồng hợp tử với liên kết tâm động của 2 đôi NST (2n = 46, trong số đó có 2 đôi NST tâm

giữa)

Đa hình NST giữa các tế bào thường gặp ở cá hồi Ohno (1970) đã giải thích điều đó bằng nguồn gốc đa bội của cá hồi; giữa các cặp của NST nhân đôi đều giữ được á lực, trong giảm phân hình thành các thể đa trị (multivalen) ở cá hồi hoa, sự biến dị NST theo thể khảm

có thể do hậu quả trực tiếp của nguồn gốc tạp giao Ngoài biến dị Robertson có thể có các cơ chế khác nhau về đa hình NST giữa các tế bào; đó là các NST không tách nhau tạo nên các biến đổi phức tạp NST và trong những trường hợp này thường có sự thay đổi số vai

2 Biến dị NST trong nội bộ quần thể hay đa hình NST thực sự

Các nhà khoa học đã tìm thấy những khác biệt về số lượng NST giữa các cá thể của một số loài cá Những biến dị này xuất hiện ở đa số các loài với những sai khác NST giữa các

tế bào do dung hợp tâm động, thí dụ ở cá Acheilognatus rhombea, Lepomis cyanellus, Salmo gairdneiri, Salvelinus malma và S leucomaenis ở cá Hồi hoa trong cùng một nhóm cá giống tìm thấy các biểu thị số lượng NST từ 58 đến 64 NST Còn trong quần thể Lepomis cyanellus

có cá với 48 NST (các hợp tử bình thường), 47 (dị hợp tử do chuyển đoạn) và 46 (đồng hợp tử chuyển đoạn)

Đa hình NST bên trong quần thể kiểu Robertson gặp ở cá Spicara flexuosa (họ Centracanthidae) Số NST chuẩn ở các thể khác nhau là 44, 45, 46 (Vaxiliev, 1980) ở họ Cottidae đa hình về số lượng NST là loài Myoxocephalus scorpius ở họ cá Gobiidae có loài Gobius ophiocephalus, trong cả 2 trường hợp số cá được nghiên cứu ít nên cần phải bổ sung

ở cá mòi Bạch hải Cluper harengus có gặp các cá thể với 52 - 54 NST, trong số cá Hồi có cá Gorbusa là đa hình NST Biến dị kiểu nhân gặp ở một số quần thể thuộc các loài cá Sóc châu Phi (Aphyosemion cognatum, A.bivittaum, A.calliurum và A.cameronense) Trong tất cả các trường hợp vừa nói trên kiểu chuyển đoạn Robertson chắc chắn đã đóng vai trò đáng kể trong tiến hoá kiểu nhân

Như đã nhắc đến, ở cá còn có hiện tượng đa hình bên trong quần thể kiểu phi Robertson Trên cơ sở tính biến dị được Barsene mô tả (1977) ở cá hồi Đại tây dương, Vaxiliev (1983) ở cá bống con Benthophilus stellatus, Arai và Fujiki (1978) đều cho rằng cá Pseudoblennius marmoratus có lẽ sự biến đổi cấu trúc kiểu đảo đoạn ngoại tâm và cân tâm (perecentric inversion) đã dẫn đến sự thay đổi số vai NST Việc phát hiện các cá thể với một

bộ 3 NST (dị bội thể) ở các quần thể thuộc giống Salvelinus đã nói lên khả năng tồn tại ở một

số loài đa nhiễm sắc thể biến dị theo kiểu lệch bội lẻ (aneuploid) Hiện tượng này cũng được

sự chú ý của nhiều tác giả như Vaxiliev (1983), Mitrophanov (1983) Cuối cùng không ai nghi ngờ có hiện tượng biến dị số lượng của các vi NST (NST bé) ở cá tầm và cá Dasyatidae

3 Biến dị NST giữa các quần thể

Những khác biệt về số lượng NST giữa các quần thể trong cùng loài đặc biệt lớn ở họ cá Sóc (Cyprinodontidae), Kirpichnikov (1987) cũng đã dẫn ra một số loài thuộc giống Aphyosemion

Các dãy lưỡng bội với sự ổn định số lượng vai cũng đã tìm thấy ở một số loài thuộc các giống Aplocheilus và Notobranchius Cũng ở họ này sự khác biệt giữa các quần thể về số lượng NST đã được xác định khi nghiên cứu 2 loài Aphanius chantrei và Fundunlus notatus Các chủng với 46 và 48 NST có ở loài cá Lepomis cyanellus Các kiểu nhân của các loài cá hồi Salmo gaiedneri, S.clarki và S.aguabonita, Salvelinus malma và S.leucomaenis cũng đã diễn ra biến dị

ở những loài phụ cá hồi Coregonus lavaretus maraenoides và C.l.ludoga có số lượng NST giống nhau, nhưng số NST cân tâm trong kiểu nhân của cá C.l.ludoga ít hơn loài phụ kia

4 lần Sự chuyển dịch các loài phụ này khi được thuần hoá vào hồ Xê-van đã dẫn tới xuất hiện

đa hình quần thể (Ruxkian, 1980)

Cá hồi Xevan Salmo ischchan gồm 4 chủng sinh học với số lượng NST khác nhau (80

và 82) Các chủng NST có ở 2 loài thuộc họ cá Cobitidae là Misgurnus anguillcaudatus và Cobitis taenia Cá trê thuộc họ Bagridae và một số loài cá nước ngọt khác cũng có hiện tượng phân hóa này Sự khác biệt giữa các quần thể thường gặp trong các nhóm phân loại đặc trưng bởi biến dị số lượng NST bên trong quần thể và trong cá thể riêng lẻ Biến dị này không phổ biến rộng lắm ở cá, mặc dù những sai khác giữa các loài thường liên quan đến chuyển đoạn Robertson và các biến đổi cấu trúc NST khác được củng cố trong quá trình tiến hóa

Có lẽ việc tái cấu trúc bộ máy NST trong quá trình hình thành loài diễn ra tương đối nhanh chóng và bây giờ chỉ có thể phát hiện ở một vài "điểm nóng" của tiến hoá cá

VI Nhiễm sắc thể giới tính

Một thời gian dài, các nhà nghiên cứu không phát hiện được các dị NST Người ta giải thích rằng so với động vật có xương sống bậc cao cá có cơ chế xác định giới tính nguyên thuỷ

ở cá xương hiện đại có thể gặp các loài đồng lưỡng giới, trong số này có cá vược biển (họ Serrannidae) và các đại diện thuộc những họ khác như Rivulus marmoratus thuộc họ cá sóc ở một số trường hợp hiện tượng lưỡng giới có sự thay đổi kế tiếp nhau, đực chín trước, hoặc thường xuyên hơn - cái chín trước Lúc đầu, tuyến sinh dục hoạt động như noãn sào, sau đó bắt đầu thoái hóa các noãn bào và xuất hiện những vùng có tế bào sinh dục đực (họ Serrannidae, họ Lethrinidae, họ Anthidae, v v.) Các cá đồng giới tính hay lệch giới tính có lẽ không có sự di truyền xác định giới tính

Một số cá thể lưỡng tính và chuyển tiếp giới tính đã được phát hiện ở nhiều loài có giới tính riêng biệt rõ ràng Thí dụ, ở các loài cá hồi, cá chép, cá rô phi, cá Gupi ở cá chép và cá Gupi thậm chí có trường hợp tự thụ tinh Hiện tượng chuyển tiếp giới tính hàng loạt còn đặc trưng cho một số quần thể cá Acerina cernua (Brusckaia, 1976)

ở đa số các loài cá mà trong đó thỉnh thoảng xuất hiện một số cá thể lưỡng giới đều có cơ chế xác định giới tính Các loài khác nhau, có khi lưỡng giới đều có cơ chế xác định giới tính Các loài khác nhau, có khi nguyên cả nhóm phân loại có thể ở những giai đoạn khác nhau của sự phát triển các cơ chế ấy Dạng nguyên thuỷ nhất là đa gen xác định giới tính Gen

"đực" và "cái" ở trong nhiều NST và việc phát triển đực hay cái phụ thuộc vào sự cân bằng của các gen đó Thí dụ về kiểu xác định giới tính này có thể nói đến cá kiếm Xiphophorus helleri

và cá đẻ con Limia (Poecillia) Vittata và L.caudofasciata thuộc họ cá khổng tước (Poeciliidae) Các gen riêng biệt ảnh hưởng đến sự phát triển tuyến sinh dục có tác động tương

đối yếu, sự thay đổi môi trường sống của cá hoặc môi trường kiểu gen có thể dễ dàng kéo theo

sự thay đổi tương quan giới tính Kiểu quy định giới tính hoàn thiện nhất cần nói đến các NST giới tính đặc biệt (gonosome) NST giới tính ở tất cả các động vật được ký hiệu bằng chữ X (cái) và Y (đực) Cái gọi là dị giao tử ở đực là khi mà cá cái mang 2 NST đồng dạng X, còn

đực mang một đôi không đồng dạng: 1 NST X và 1 NST Y (hình 17a,b) Còn trường hợp dị giao tử ở cái có nghĩa là con đực mang 2 NST đồng dạng (ZZ) và cái 2 NST khác nhau (ZW)

ở một số cá đẻ con thuộc họ khổng tước (Poeciliidae) và cá Sóc (Cyprinodontidae) trong đó có cá Gupi - khổng tước bảy màu (Poecilia reticulata) và cá Medaka (cá sóc - Oryzias latipes) giới tính được xác định bởi các NST Nhưng sự khác biệt giữa các NST giới tính không phát hiện được Việc nhận biết các NST này chỉ có thể thực hiện qua các gen màu sắc nằm trong đó Có thể dự đoán rằng việc phân biệt NST X và Y của những loài này nhờ sự

có mặt của một hoặc một số gen giới tính đặc biệt Việc trao đổi chéo giữa NST X và Y là khó diễn ra, nhưng qúa trình huỷ hoại NST lẻ còn đang ở vào giai đoạn ban đầu ở loài phụ cá diếc bạc Carassius auratus auratus các NST giới tính cùng kích cỡ không phân biệt được, nhưng khi nhuộm băng C ở cá cái thấy rất rõ một vệt đặc biệt ở mút vai ngắn của cả 2 NST đồng dạng, trong khi ở cá đực thì vệt như thế chỉ thấy ở một NST mà thôi

a Đực b Cái Hình 17 Bộ NST lưỡng bội của cá hồi hoa Rainbow

a Cá đực mang XY (dị giao tử); b Cá cái mang XX (đồng giao tử) Một số quần thể cá khổng tước (Poecilia) và rô phi có NST X với các gen cái khác nhau tuỳ theo lực tác động Đối với những trường hợp này ở cùng một loài tồn tại dị giao tử cả

đực lẫn cái

Sự quy định giới tính bởi các NST giới tính đã được phân hoá, khác nhau về một hoặc một số gen giới tính có lẽ là đặc trưng cho nhiều loài cá, trong đó có đa số cá hồi và cá chép, cá sóc và những nhóm khác Các nhân tố di truyền ảnh hưởng đến giới tính (có lẽ đến sự phát triển các hocmon quy định giới tính) ở các cá nói trên còn có trong các NST thường Sự tác

động tương hỗ phức tạp giữa các NST giới tính và NST thường thể hiện rất rõ đối với cá rô phi (Hammerman, Avtalion, 1979) Tuy nhiên, cần nhấn mạnh rằng các gen giới tính trên NST giới tính giữ vai trò chủ yếu trong việc xác định giới tính Trong tài liệu bàn về cơ chế xác

định giới tính cá rô phi Oreochromis niloticus, Trần Đình Trọng (2000) trên cơ sở thừa nhận giới tính của loài này là do đa gen quy định, trong đó các gen trên NST giới tính có vai trò quan trọng nhất, thứ đến là các "yếu tố" giới tính Tác giả đã đưa ra giả định các kiểu gen giới tính khác nhau quy định tính đực và cái (mỗi giới có nhiều kiểu gen quy định) để giải thích hiện tượng không ổn định về tỉ lệ đực cái ở các gia đình cá rô phi Theo tác giả, trong tự nhiên cũng có một tỉ lệ nhỏ cá rô phi siêu đực (YY), song việc tạo nên cá siêu đực và sử dụng nó để lai với cá rô phi cái bình thường nhằm có được đàn cá rô phi đơn tính đực (XY 100%) là điều không đơn giản về lý thuyết cũng như thực tế

Biến đổi giới tính dưới tác động ngoại cảnh (ví dụ: nhiệt độ) cũng có thể xảy ra ở cá có NST giới tính Cho cá con ăn thức ăn có chứa hocmon đực (testosterone) và hocmon cái (estradiol) hoặc hoà các hocmon ấy để tắm cho cá con có khi cũng biến đổi được giới tính, nhưng ở thế hệ con của cá biến đổi lại trở về giới tính ban đầu do các cơ chế di truyền giới tính quy định

Biến đổi giới tính cá rô phi ở mức độ nhất định bằng hocmon về mặt lý thuyết cho phép xác định tương đối đơn giản kiểu dị giao tử hoặc đồng giao tử mà không cần dùng đến phương pháp tế bào học hay phân tích di truyền tỉ mỉ Cũng về lý thuyết(*) nếu cá cái đồng giao tử sau khi biến đổi thành cá đực (dưới tác động của testosterone) được lai với cá cái bình thường cho thế hệ con toàn cá cái Nếu cá cái là dị giao tử thì kết quả lai sẽ cho thế hệ con gồm cả đực lẫn cái

(*) Kết quả ứng dụng vào thực tế có sai khác nhất định (xem trang 165, chương VII)

Trong một số nhóm phân loại cá, quá trình tiến hoá NST giới tính diễn ra khá muộn Cho tới nay, có trên 50 loài cá thuộc các bộ khác nhau đã tìm thấy các dị NST giới tính đích thực, đôi khi chúng còn khác nhau rõ rệt về kích cỡ và cấu tạo (bảng 6)

Đa phần cá đã gặp là dị giao tử ở đực ♂♂XY, ♀♀XX), dị giao tử ở cái ít gặp hơn (♂♂

ZZ, ♀♀WZ).ở cá Gambusia affinis dị giao tử ở cái điển hình đối với loài phụ G.a affinis sống

ở cạnh bờ vịnh Mêhicô, còn loài phụ khác G.a holbrooki sống ở châu Mỹ và châu Âu thì lại không thấy dị NST Người ta đã mô tả những trường hợp không có NST Y ở cá đực (kiểu XX - XO); dự đoán xảy ra sự liên kết giữa NST Y với một trong các NST thường bằng chuyển đoạn

Sự liên kết với các NST trong genom như vậy có thể liên hệ tới các kiểu xác định giới tính

♀♀XXXY, ♂♂XXY ở 4 đại diện của bộ cá sóc, cá chình điện, cá bống con (Gogionellus shufedti), cá ertrenit thuộc giống Hoplias và một loài thuộc bộ cá nóc (Tetraodontiformes) NST lẻ (không có đôi) có thể đạt kích cỡ rất lớn (hình 18)

Hình 18 Các kiểu nhân cái và đực của cá Megupsilon aporus

ở cá cái 44 NST thường và 4 NST X; ở cá đực 44 NST thường, 2 NST X và 1 NST lớn Y

(theo Uyeno, Miller, 1971) Như vậy, trong vấn đề cơ chế xác định giới tính cá là nhóm động vật dị hợp gen cực kỳ phức tạp Chúng ta gặp ở đây hiện tượng đồng lưỡng tính và lệch lưỡng tính, sự xác định giới tính hỗn hợp khi mà các kiểu gen và môi trường đều ảnh hưởng đến việc phát triển tính trạng giới tính, các cơ chế đa gen và cuối cùng là sự có mặt của các NST lẻ (Y hoặc W) thường không khác với các NST đồng dạng với chúng (X hoặc Z), nhưng không ít trường hợp cũng có thể phát hiện được những khác biệt hình thái rõ rệt giữa chúng

Bảng 6

Các NST không đồng dạng của cá

(Tiếp trang sau)

Bộ, họ Giống - loài hợp NST Kiểu dị Nguồn tài liệu

Hai loài (không giống nhau) Hai loài (không giống nhau)

B¶ng 6 (tiÕp)

VII Di truyền ngoài NST của cá

Di truyền học Mendel có một thí nghiệm rất điển hình: ở ốc xoắn Limnaea có 2 kiểu xoắn là xoắn phải theo chiều kim đồng hồ và xoắn trái ngược chiều kim đồng hồ ở các con lai

F1 thuận nghịch tất cả đều theo chiều xoắn của mẹ Nhưng đến thế hệ F2 tất cả các con lai đều xoắn phải, ở con lai F3 tỷ lệ phân ly 3:1 (3/4 xoắn phải và 1/4 xoắn trái) không phân biệt bố

mẹ xoắn trái hay phải (hình 19)

Hình 19 Vai trò của tế bào chất trong việc quyết định hướng xuắn của ốc Limnaea

D Gen quyết định hướng xuẵn phải; d xuắn trái

Về hiện tượng giống mẹ ở F1 được các nhà di truyền học thống nhất giải thích rằng không phải do di truyền tế bào chất của mẹ, mà là trong quá trình phát triển, noãn bào tổng hợp một số loại vật chất trong đó có iARN được sao chép từ ADN của nhân; loại này liên kết với protein và tồn tại dưới dạng tiểu thể thông tin ở tế bào chất Sau khi thụ tinh các tiểu thể thông tin giải phóng khỏi protein, liên kết với ribosome và chương trình hoá việc tổng hợp protein ở những giai đoạn đầu của sự phát triển hợp tử Do vậy mà hướng sự phát triển ấy theo kiểu mẹ Kiểu xoắn phải được quy định bởi gen D trội so với gen d hướng trái ở những giai

đoạn đầu tiên khi các gen ở bộ genom của dị hợp tử mới chưa kịp phát huy tác dụng thì các gen trội được sao chép ở dạng tiểu thể thông tin phải hoạt động và quy định hướng xoắn của

ốc Limnae theo mẹ Thực chất kiểu xoắn của ốc cũng do gen từ trong nhân quy định và vì lý

do trên quy luật di truyền Mendel chậm đi một thế hệ Hiện tượng di truyền này không phải do gen ở ngoài NST (không liên quan đến gen của NST)

Các trường hợp cụ thể về di truyền không liên quan đến NST còn chưa được phát hiện

ở cá Hiện tượng ngoại lệ khá phổ biến đó là mẫu khuynh (matroclinic) trong một số tạp giao

được truyền lại cho thế hệ con F1 các đặc điểm của mẹ Matroclinic đôi khi biểu hiện rõ ở tạp giao cá cùng loài và khác loài Cơ sở của matroclinic có thể nhận biết qua 3 hiện tượng:

1 Sự có mặt trong tế bào chất các cấu trúc có chứa ADN (trước hết là mitochondrie) điều khiển sự tổng hợp một số protein đặc biệt Sự di truyền các gen ngoài NST này diễn ra theo đường mẹ, qua tế bào chất của trứng và có thể di truyền vững chắc theo mẹ

2 Sự tích luỹ trong tế bào chất và noãn hoàng của trứng chín một lượng lớn các sản phẩm hoạt động của NST của cơ thể mẹ (mARN và protein) Điều này dẫn đến ưu thế phát triển của các đặc điểm mẹ ở các giai đoạn ban đầu (phôi) Cần nói thêm rằng, nhiều gen bố của cá có lẽ chỉ bắt đầu hoạt động (tổng hơp protein) từ giai đoạn phôi nang,

thậm chí còn muộn hơn ảnh hưởng của mẹ được phát hiện khi tạp giao giữa cá chép nhà với cá chép hoang dại Amua, cá chép Rôpsa với cá chép Ucrain, cũng như giữa cá chép và cá diếc

3 Thụ tinh giữa tinh trùng bình thường với tế bào trứng không giảm phân (lưỡng bội) và kết quả xuất hiện các phôi tam bội với 2/3 bộ genom của mẹ và 1/3 của bố Các thể tam bội với ưu thế các tính trạng của mẹ cũng được lặp lại khi tạp giao xa giữa một số loài cá

Trong đa số các trường hợp di truyền giống mẹ của cá thực chất do tác động kiểu gen của

mẹ Hiện tượng di truyền một số đặc điểm giống mẹ thường chỉ giới hạn ở thế hệ con đời thứ nhất và mất đi ở các thế hệ sau Tất cả những điều vừa nói là minh chứng cho cơ chế matroclinic Song không nghi ngờ rằng những biểu hiện di truyền đích thực ngoài NST sẽ

được tìm thấy ở cá cũng như chúng đã tìm thấy ở một số động vật (trong đó có ruồi giấm) và ở nhiều thực vật