Bài giảng di truyền thực vật đại cương chương 1 cấu trúc và tái bản vật chất di truyền ở cấp độ phân tử, tế bào

1.Về phương diện lý luận, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau: a Vấn đề tàng trữ thông tin di truyền TTDT: Nghiên cứu về cơ sở vật chất, cấu trúc, tổ chức của b

DI TRUYỀN THỰC VẬT ĐẠI CƯƠNG

Giáo viên: Phạm Thị Ngọc

Số đt: 097.267.32.09

TÀI LIỆU THAM KHẢO

• Lê Đình Lương, Phan Cự Nhân Cơ sở di truyền học, 1998

• Phạm Thành Hổ Di truyền học, 2007

• Nguyễn Hồng Minh Di truyền học, 1999

• Gardner E.J.,… Principles of Genetics, 1991

MỞ ĐẦU Mục tiêu:

• Khái quát môn học

• Vị trí của các môn học trong các môn cơ sở

• Ý nghĩa đối với chọn giống, nông nghiệp hiện

đại

I Đối tượng và nhiệm vụ của di truyền học, thế nào là di truyền học hiện đại

• Di truyền học nghiên cứu hai tính chất cơ bản, gắn liền của cơ

thể sống: tính di truyền và tính biến dị

• Sự thống nhất biện chứng của hai tính chất này thể hiện ở tất

cả các mức độ tổ chức của sự sống: phân tử, tế bào, cá thể và quần thể

• Mọi cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của cơ thể sống đều được kiểm tra bởi các gen

Như vậy di truyền học hiện đại là môn khoa học nghiên cứu

về gen ở các cấp độ khác nhau

1.Về phương diện lý luận, di truyền học tập trung giải

quyết những vấn đề cơ bản sau:

a) Vấn đề tàng trữ thông tin di truyền (TTDT):

Nghiên cứu về cơ sở vật chất, cấu trúc, tổ chức của bộ máy di truyền:

gen - NST- genome - cấu trúc di truyền của quần thể

b) Vấn đề thực hiện TTDT:

Cơ sở biểu hiện của gen, điều hoà hoạt động của gen, vấn đề thể hiện

kiểu hình của tính trạng trong mối tương tác kiểu gen - môi trường

c) Vấn đề về cơ chế truyền đạt TTDT qua các thế hệ:

Cơ chế phát sinh các dạng đột biến, cơ chế biến đổi định hướng,

chuyển nạp gen

2 Về phương diện ứng dụng, di truyền học tập trung giải quyết những vấn đề cơ bản sau:

- Ứng dụng những cơ sở lý luận về di truyền để tuyển chọn ra những phương thức lai tối ưu nhất, phù hợp với từng đối tượng cụ thể

-Tuyển lựa ra những phương thức chọn lọc hiệu quả nhất để thu sản phẩm: tế bào, dòng, quần thể

- Điều khiển sự phát triển của tính trạng di truyền

- Gây các đột biến thực nghiệm, chuyển nạp gen, bảo vệ và sửa chữa những hỏng hóc di truyền

II Các giai đoạn phát triển của di truyền học

1 Giai đoạn trước Menđen và sự ra đời công trình của Menđen:

- Thế kỷ thứ V trước CN:

+ Hippocrate (thuyết di truyền trực tiếp)

Vật liệu sinh sản được thu nhận từ tất cả các phần của cơ thể 

tất cả các cơ quan đều trực tiếp ảnh hưởng tới các tính trạng của

hậu thế

- Thế kỷ thứ IV trước CN:

Vật liệu sinh sản không thu nhận từ các bộ phận của cơ thể mà

được tạo ra từ chất dinh dưỡng, mà về bản chất chúng ấn định

cho sự cấu tạo các phần khác nhau của cơ thể

Mỗi phần của cơ thể đều sinh sản ra những phần tử nhỏ gọi

là chất mầm (genmule), từ các phần của cơ thể chúng theo máu tập trung vềcơ quan sinh dục, qua đó các tính trạng được truyền đạt cho hậu thế Mỗi cá thể sinh ra do sự hoà hợp đặc tính di truyền của cả bố và mẹ

Međen đã chứng minh: sự di truyền có tính giai đoạn, được kiểm tra bởi các nhân tố di truyền mà sau này gọi là gen  đạt nền móng cho sự phát triển của di truyền học

2 Giai đoạn phát triển của di truyền học kinh điển:

- 1900, Hugo de Vries (Hà Lan), Erich Karl Correns (Đức) và E von

Tschermark (Áo) độc lập phát hiện ra các quy luật Menđen  1900 - năm

khai sinh của di truyền học

-1902, W Bateson và L Cuenot: chứng minh quy luật Menđen ở động vật

- 1909 W Bateson dẫn tới 100 tính trạng ở thực vật và động vật di truyền

theo các quy luật Menđen

- 1901, Hugo de Vries đưa ra thuyết đột biến

- Đầu thế kỷ 20 hình thành các quan điểm đầu tiên về vai trò cảu NST đối

với sự di truyền

- 1911, T.H Morgan và cs xây dựng thuyết di truyền NST

- 1920, N.I.Vavilov (Nga) thiết lập quy luật “dãy biến dị tương đồng”

- 1925, G.A.Nadson và G.S Philipov phát hiện ảnh hưởng gây đột biến

phóng xạ

- 1933, T Painter phát hiện ra NST khổng lồ -> cơ sở cho nghiên cứu đột

biến cấu trúc NST và thiết lập bản đồ tế bào học của NST

3 Sự phát triển của di truyền học phân tử và kỹ thuật di truyền:

-1944, O Avery, MC Leod và Mc Carty chứng minh ADN là vật chất di truyền -> sự ra đời của di truyền học phân tử

-1953, J Oatson và F Cric phát minh ra mô hình cấu trúc phân

tử của ADN

- Những năm 60 xác định toàn bộ 60 codon

- 1961, F Jacod, J Monod đưa ra mô hình operon giải thích cơ chế điều hoà sao mã ở vi khuẩn  nghiên cứu về cơ chế điều hoà hoạt động của gen

- Từ những năm 70 nhiều tri thức mới trong di truyền ra đời

III Các phương pháp nghiên cứu di truyền:

• Phương pháp lai

• Phương pháp toán học

• Phương pháp tế bào học

• Phương pháp vật lý, hoá học và sinh học khác

IV Ý nghĩa của di truyền học đối với chọn giống và phát triển một nền nông nghiệp bền vững

• Ý nghĩa lớn đối với thực tiễn và các môn khoa học khác (y học, sinh thái )

• Di truyền học là phương thức luận cơ bản của tiến hoá, đặc biệt là cơ sở của chọn giống

Chương I

CẤU TRÖC VÀ TÁI BẢN VẬT CHẤT DI TRUYỀN

Ở CẤP ĐỘ PHÂN TỬ, TẾ BÀO

MỞ ĐẦU: ADN là vật chất mang thông tin di truyền

Hiện tượng biến nạp:

• Thí nghiệm của Griffith (1928): thí nghiệm trên vi khuẩn diplococcus pneumococcus

• Gồm: + dạng có vỏ polysacarit độc, gây bệnh (S - smooth)

• + dạng không có vỏ bọc, lành (R – rough )

nhiễm bệnh

Kết kuận: tế bào vi khuẩn nòi R đã nhận được đặc tính tạo

vỏ ở nòi S

THÍ NGHIỆM CỦA F.GRIFFIT

1944, Oswald Avery, Colin Malead và Maclyn MC Carti đã tách ADN từ nòi S đưa vào môi trường nuôi cấy nòi R  xuất hiện nòi S  ADN nòi S đã biến nạp vào nòi R  Rb

có tính tạo vỏ

Kết luận : ADN là vật chất di truyền

b Các chứng minh trên thực khuẩn thể

- 1952, Alfred Hershey và Martha Chase:

2 mẫu virus: + một mẫu trên ADN được đánh dấu bằng 32P + mẫu kia trên protein được đánh dấu bằng 35S Sau 1 chu kỳ sinh sản khi cho E coli phát triển trên môi trường đồng

vị phóng xạ 32P và 35S được dùng làm chất đánh dấu đặc thù để phân biệt ADN và protein

1 dòng E coli được lây nhiễm phage đánh dấu 32P và dòng kia 35S

Kết quả: 35S nằm lại ngoài tế bào vi khuẩn với vỏ bọc virus trống

rỗng

32P nằm bên trong tế bào  vi khuẩn sinh sản cho thế hệ virus mới

Kết luận: vật chất di truyền của virus là ADN chứ không phải protêin

Virus Structure

Capsids, Nucleic Acid, Envelope

Helical

Bacteriophages Viruses of bacteria

A complex bacteriophage

1.1.1 Thành phần hoá học và cấu trúc không gian của ADN

a) Thành phần hoá học:

ADN là phân tử trùng hợp lớn (polymer), gồm nhiều đơn phân (monomer) gọi là nucleotide, mỗi nucleotide gồm:

• Đường pentose, 5 cacbon (deoxyribose –C5H10O4)

• Nhóm phosphates

• Bazơ nitơ Nhóm phosphates liên kết với C5, bazơ với C1

CÁC GỐC BAZƠ CẤU TRÖC HÓA HỌC CỦA 4 NUCLEOTIDE TRONG ADN

Nucleic acids

4 loại nucleotide của ADN:

+ Dẫn xuất của purine:

• Adenine (A)

• Guanine (G)

+ Dẫn xuất của pyrimidine:

• Thymine (T)

• Cytosine (C)

• Tổng các bazơ purine bằng

tổng các bazơ pyrimidine:

A + G = T + C hay A = T;

G = C

• Tỷ lệ là 1 chỉ số đặc

trưng

cho loài (ví dụ: ở người là

1,52; lúa mì – 1,19; nấm men

– 1,79…)

C G T A





• Tổng các bazơ purine bằng

tổng các bazơ pyrimidine:

A + G = T + C hay A = T;

G = C

• Tỷ lệ là 1 chỉ số đặc

trưng

cho loài (ví dụ: ở người là

1,52; lúa mì – 1,19; nấm men

– 1,79…)

C G T A





James Watson and Francis Crick

b) Cấu trúc không gian của

ADN

1953, James Watson và Fransis

Cric đưa ra mô hình cấu trúc

không gian của ADN:

polynucleotide xoắn nhau (chuỗi

xoắn kép),

+ bazơ nitơ mạch này liên kết

với bazơ nitơ mạch kia bằng

cầu nối hiđrô, theo nguyên tắc

bổ sung

+ Mỗi vòng của chuỗi xoắn kép dài

34A0gồm 10 cặp bazơ, khoảng

cách giữa 2 bazơ liền nhau là

3,4A0 = 0,34nm

+ Các vòng xoắn nối tiếp nhau và

cuốn quanh 1 trục dọc chung, các

bazơ nằm ngang song song và

vuông góc với trục của chuỗi xoắn

kép

+ Hai sợi trong phân tử ADN có

hướng ngược nhau (đối nghịch

song song)

CÁC DẠNG CẤU TRÖC XOẮN CỦA ADN

Kiểu xoắn ốc

Số cặp base của 1 vòng xoắn

Góc xoắn so với mặt phẳng của base

h – khoảng cách giữa 2 base kề nhau (A 0 )

Đường kính của chuỗi xoắn kép (A 0 )

…

3

Từ trái qua phải A-ADN, B-ADN và Z-ADN

Từ trái qua phải B-ADN, A-ADN và Z-ADN

1.1.2 Những đòi hỏi tất yếu của vật chất di truyền mà ADN đáp ứng được

a) Vật chất di truyền phải tàng trữ tất cả thông tin cần thiết để điều khiển những cấu trúc đặc trưng và hoạt động trao đổi chất của tế bào

b) Vật chất di truyền được tái bản một cách chính xác để truyền đạt thông tin cho các thế hệ tế bào sau

c) Vật chất di truyền phải có khả năng xảy ra và ghi nhận những biến đổi, thông tin khi đã biến đổi phải được ổn định

và di truyền được

1.2 Các dạng kiến trúc các trật tự nucleotide

trong ADN nhiễm sắc thể

1.2.1 ADN kiến trúc đơn bản

 Genome của virus và vi khuẩn chỉ chứa dạng ADN đơn

bản

 Là phần ADN chính của genome

 Hầu hết các gen của genome được mã hõa bởi ADN trật

tự đơn bản (trừ một số gen như gen histon, ARN ribosome)

1.2.2 Các dạng ADN kiến trúc lặp bản, các ý nghĩa của chúng

• ADN có các trật tự lặp lại với bội số trung và cao

+ Trung bình: số bản sao 20 – 50 + Cao: số bản sao 250 – 6000 hoặc 105

• ADN có các trật tự lặp lại với bội số rất cao :106 bản

• Ý nghĩa: Tham gia vào quá trình tiếp hợp của đôi NST

tương đồng, tham gia vào quá trình trao đổi chéo gen, quá trình tái cấu trúc của NST và quá trình hoạt hoá gen Ngoài

ra còn bảo vệ các gen qua trọng, bảo toàn khối liên kết gen

1.3 Tái bản ADN

1.3.1 Nguyên lý bản bảo toàn

Trong cơ chế tái bản bán bảo toàn, chuỗi xoắn

kép được tách ra 2 mạch đơn, mỗi mạch đơn của

ADN gốc được dùng làm khuôn cho tổng hợp 1

mạch mới Kết quả 2 chuỗi kép được hình thành,

mỗi một trong chúng chứa một mạch gốc và một

mạch mới

CÁC GIẢ THIẾT TÁI BẢN ADN

a) Kiểu bảo toàn; b) Kiểu bán bảo toàn; c) Kiểu phân tán

THÍ NGHIỆM CỦA MESELSON - STAHL (1957 )

Dựa vào hiệu lực của đồng vị phóng xạ nặng 15 N và kỹ thuật tách các đại phân tử trên cơ sở trọng lượng:

+ Nuôi E coli qua một số thế hệ với nguồn độc nhất chứa 15 N

+ Đặt một mẫu các tế bào vi khuẩn chứa

15 N trong môi trường 14 N đến khi ADN tái bản trở lại  đưa ADN này vào ly tâm siêu tốc

+ Một thế hệ thứ 2 lại được cho phát triển trong môi trường 14 N  ADN lại được đưa vào siêu ly tâm

(Dung dịch chloride cesium – CsCl  được dùng trong siêu ly tâm, nó tạo thành

1 gradien nồng độ liên tục Khi cho ADN vào chúng sẽ lắng xuống với 1 hàm lượng tương đương với nồng độ chúng)

Kết quả:

• Các mẫu thí nghiệm chứa

nhiều ADN nhẹ hơn

• Thế hệ thứ nhất: ADN lai có tỉ

trọng nằm giữa ADN nặng 15N

và ADN nhẹ 14N

• Thế hệ thứ 2: ½ số phân tử

ADN là lai, nửa còn lại là ADN

nhẹ 14N

Kết luận: ADN được tái bản

theo kiểu bán bảo toàn

1.3.2 Cơ chế tái bản ADN ở sinh vật nhân sơ

Là một quá trình phức tạp, trải qua các cơ chế chung sau:

• Tách rời hai mạch

• Phải có đoạn mồi (primer): là đoạn ADN hay ARN mạch đơn ngắn bắt cặp với mạch đơn khuôn

• Đủ 4 loại nucleosid triphosphat (dATP, dGTP, dTTP, dCTP) bắt cặp bổ sung với các nucleotide mạch khuôn

• Mạch mới tổng hợp theo hướng 5’P  3’OH

• Các nucleotide mới được nối với nhau bằng liên kết cộng

hóa trị để tạo mạch mới

Hệ enzyme tái bản ADN:

ADN – polymerase I : 400 phân tử trong 1 tế bào, TLPT-

109.000 dalton

Chức năng: sửa chữa ADN

ADN - polymerase II: 100 phân tử trong 1 tế bào TLPT-

120.000 dalton

Chức năng: xác định sự bắt đầu tổng hợp 1 phân đoạn mới

ADN và kết thúc sự tổng hợp ADN

ADN - polymerase III: 10 phân tử trong 1 tế bào TLPT-

180.000 dalton

Chức năng: gia tăng chiều dài của sợi mới được tổng hợp

Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn)

Năm 1969 R Okazaki chứng minh kiểu tái bản nửa gián đoạn của ADN:

Bằng cách đánh dấu nhanh ADN đang tái bản với 3H - thimidin Okazaki đã chứng minh:

ADN mới tái bản đều ở dạng những đoạn ngắn từ 1000 - 2000 Nu (đoạn okazaki) Đoạn okazaki được bắt đầu bằng một đoạn ngắn (10 đơn vị), ARN mồi Đoạn mồi dùng làm chất mồi kéo dài tiếp chuỗi polydeoxyribonucleotit, Nu gắn vào đầu 3’–OH tự do và kéo dài, theo chiều 5’–3’ Sau khi loại bỏ ARN và lấp đầy khoảng trống dưới tác dụng của ADN- polymerase I các đoạn okazaki được nối lại với nhau bằng enzim nối ADN ligase

I Quá trình tháo xoán chuỗi kép:

ADN làm tháo xoắn

• Enzyme helicase (rep) tham gia tách mạch tạo chạc

ba sao chép (helicase sử dụng năng lượng ATP làm

đứt các liên kết hydro)

binding) gắn vào các mạch đơn ADN làm chúng tách

nhau và thẳng ra Mỗi SSB bám vào 8 bazơ của sợi

đơn ADN

Cơ chế tái bản ADN ở E.coli Cơ chế tái bản ADN theo Okazaki (tái bản nửa gián đoạn)

II Quá trình lắp ráp các nuleotit ở chạc tái bản:

 ADN-polymerase III gắn vào mạch khuôn và lắp các nucleotide bổ sung vào vị trí tương ứng

hướng vào chạc ba

hợp phức tạp hơn theo hướng từ chạc ba ra ngoài

Các bước tổng hợp mạch khuôn 5’ 3’

• Enzyme primase gắn mồi (primer) ARN khoảng 10

nucleotide có trình tự bổ sung với mạch khuôn

• ADN-polymerase III nối theo mồi ARN tổng hợp các

đoạn ngắn 1000 – 2000 nucleotide – các đoạn

Okazaki đến khi gặp ARN mồi phía trước thì dừng lại

• Enzyme ADN-polymerase I nhờ hoạt tính

exonuclease 5’  3’ cắt bỏ ARN mồi, lắp các

nucleotide của ADN vào chỗ trống và thực hiện

polymer hóa hướng 5’  3’

• Khe hở giữa các đoạn okazaki được nối liền nhờ

enzyme ADN ligase Mạch được tổng hợp theo

hướng từ chạc ba ra ngoài gọi là mạch sau (lagging

strand)

CHẠC TÁI BẢN

3

Polymerase III

Leading strand

base pairs

5’

5’

3’

3’

Supercoiled DNA relaxed by gyrase & unwound by helicase + proteins:

Helicase + Initiator Proteins

ATP

SSB Proteins

RNA Primer

primase

2 Polymerase III

Lagging strand

Okazaki Fragments

1

RNA primer replaced by polymerase I

& gap is sealed by ligase

MÔ HÌNH TÁI BẢN ADN DẠNG VÕNG CỦA E.COLI

1.3.3 Tái bản ADN ở sinh vật nhân chuẩn

• Quá trình chung giống như ở Prokaryote

• Tái bản ADN ở eukaryote phức tạp hơn và có tốc độ chậm

hơn

• Khởi sự tái bản xảy ra từ nhiều điểm (đơn vị tái bản -

replicon) và thường diễn ra theo hai chiều

• Tế bào có cơ chế kiểm soát nghiêm ngặt quá trình sao

chép, điểm nào đã sao chép qua 1 lần rồi thì không lặp lại

trước khi toàn bộ ADN được sao chép hoàn toàn

MÔ HÌNH TÁI BẢN ADN Ở EUKARYOTE

1.3.3 Tái bản theo cơ chế vòng lăn

• ADN vòng được khía (cắt) 1 mạch tại điểm khởi đầu sao chép bởi 1 loại protein khởi đầu

• Protein khởi đầu luôn bám ở đầu 5’, còn đầu 3’ như là mồi (primer) cho sự tổng hợp ADN được diễn ra dưới tác động của ADN-polymerase III

• Trên mạch đơn không bị cắt sự tái bản được diễn ra liên tục theo vòng tròn

• Mạch bị cắt đứt sự tổng hợp ADN diễn ra không liên tục, theo từng đoạn okazaki gồm các bước sau:

+ ARN polymerase bám vào điểm khởi đầu

và tổng hợp ARN mồi

+ ADN polymerase III nối theo ARN mồi tổng hợp các đoạn okazaki

+ ADN polymerase loại bỏ các đoạn ARN mồi + Enzyme ADN lygase gắn các đoạn okazaki tạo 1 vòng ADN kép hoàn chỉnh

TÁI BẢN THEO KIỂU VÕNG LĂN

Rep protein

(plasmid encoded)

dso (double strand replication origin)

DNA pol III

sso (single strand replication origin)

RNA primer

(primase)

Elongation

1 DNA pol I

2 DNA pol III