Phương pháp tính số loại kiểu gen và số kiểu giao phối trong quần thể

Từ năm học 2010-2011 ở các kì thi đại học, cao đẳng do bộ GD&ĐT tổchức và các kì thi học sinh giỏi do tỉnh Thanh Hóa tổ chức thi văn hóa và thigiải toán trên máy tính cầm tay đã khai thá

A MỞ ĐẦU

1 Lí do chọn đề tài

Trong các năm học từ 2009 Bộ GD&ĐT đã tổ chức thi tốt nghiệp, đại học

và cao đẳng bằng phương pháp thi trắc nghiệ đối với môn sinh học Phươngpháp thi này đã khai thác được lượng lớn kiến thức, kiến thức sâu và mở rộnghơn đặc biệt từ khi thay sách giáo khoa Do đó để đem lại kết quả cao trongcác kì thi thì học sinh phải hiểu, vận dụng các kiến thức đã học trong các kì thimột cách thành thục mới đem lại kết quả cao trong các kì thi

Từ năm học 2010-2011 ở các kì thi đại học, cao đẳng do bộ GD&ĐT tổchức và các kì thi học sinh giỏi do tỉnh Thanh Hóa tổ chức (thi văn hóa và thigiải toán trên máy tính cầm tay) đã khai thác các dạng bài tập về di truyềnquần thể, trong đó các dạng bài toán liên quan đến tính số loại kiểu gen và sốkiểu giao phối trong quần thể ngẫu phối là dạng mới nhưng đã khai thác ở rộng

và sâu về kiến thức phần này, do đó chỉ có những học sinh giỏi có tư duy tốtmới làm được Tuy nhiên việc yêu cầu kiến thức phần này ở mức độ cao,nhưng chưa có một tài liệu tham khảo nào viết chi tiết về phương pháp tính, cónhiều chỗ, nhiều công thức đang còn hướng dẫn chung chung chưa cụ thể hoặc

có tài liệu chỉ viết cho một phần nào đó

Trên cơ sở như vậy, để giúp học sinh nắm được phương pháp tính cơ bản,

có hệ thống, cách tính cho nhiều trường hợp, dễ hiểu và đơn giản, áp dụngthuận lợi, đặc biệt tạo ra sự hứng thú khi làm các bài tập về tính số loại kiểugen và số kiểu giao phối trong quần thể giao phối nên tôi đã lựa chọn đề tài

sáng kiến kinh nghiệm: “Phương pháp tính số loại kiểu gen và số kiểu giao phối trong quần thể ”.

Với sáng kiến kinh nghiệm này, tôi mong muốn giúp học sinh biết ứng dụngcác phép toán đã học trong chương trình để xác định nhanh số loại kiểu gen, sốkiểu gen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp và số kiểu giao phối của quần thể trongkhi làm các bài tập tự luận cũng như các câu hỏi trắc nghiệm khách quan.Đồng thời, thông qua đó, tôi hy vọng tình yêu sinh học của các em học sinhngày càng tăng lên

2 Mục đích nghiên cứu.

Giúp học sinh hiểu, tự xây dựng, nắm vững được các phương pháp tính sốloại kiểu gen, số kiểu giao phối, số kiểu gen đồng hợp tử, số kiểu gen dị hợp tửtrong quần thể ngẫu phối một cách có hệ thống Đồng thời giúp học sinh hìnhthành kĩ năng làm các bài tập thuộc các dạng trên từ đó các em sẽ giải nhanh,tính nhanh và chọn được phương án đúng trong các kì thi, nhất là thi trắcnghiệm trong một thời gian ngắn nhất

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.

Nội dung chương di truyền quần thể sinh học 12, trong đó phần quần thể giaophối là chủ yếu

1

Hệ thống và xây dựng các công thức, phương pháp tính, kĩ năng tính, chọnlọc các các bài toán có hệ thống trong giảng dạy, ôn thi học sinh giỏi, ôn thiđại học và cao đẳng, ôn thi tốt nghiệp ở nội dung quần thể giao phối cho đốitượng học sinh lớp 12 trường THPT Đặng Thai Mai

4 Nhiệm vụ nghiên cứu.

Trên cơ sở ôn cho học sinh đi thi học sinh giỏi, thi đại học và cao đẳng, dạyhọc ở THPT thì thấy các em chưa nắm vững kiến thức về tính số loại kiểu gen

và số kiểu giao phối trong quần thể ngẫu phối nên khi làm bài hay bị nhầm lẫndẫn đến kết quả không cao trong các kì thi Để cho học sinh học tốt, cần làm rõcác vấn đề:

- Số loại kiểu gen là gì? Số kiểu giao phối là gì? Số loại kiểu gen đồng hợp

tử là gì? Số kiểu gen dị hợp tử là gì?

- Công thức tính? Phương pháp tính? Vận dụng công thức như thế nào?

- Bài toán thuộc dạng nào? Bài toán phải sử dụng công thức nào để tính?

- Kĩ năng giải như thế nào?

5 Phương pháp nghiên cứu.

Xuất phát từ đối tượng và nhiệm vụ nghiên cứu, để đạt được mục đích đã đề

ra trong quá trình nghiên cứu tôi đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu tài liệu: sách giáo khoa, sách giáo viên, tài liệu và sách thamkhảo,……

- Nghiên cứu và tổng kết kinh nghiệm giảng dạy

- Thực nghiệm sư phạm

- Phân loại, phân tích, tổng hợp và hệ thống lí thuyết

- Tổng hợp các dạng bài toán có liên quan đến nội dung nghiên cứu

Dựa trên các câu hỏi và bài tập trong các kì thi học sinh giỏi tỉnh Thanh Hóayêu cầu đối với các thí sinh dự thi ở các kì thi như: giải toán trên máy tính cầmtay và học sinh giỏi các môn văn hóa

Để giải quyết được các yêu cầu như trên, trước hết chúng ta cần trả lời cáccâu hỏi:

+ Gen nằm ở đâu trong tế bào?

2

+ Nhiễm sắc thể trong tế bào của thể lưỡng bội tồn tại như thế nào? Phân biệtnhiễm sắc thể thường và nhiễm sắc thể giới tính, nhiễm sắc thể X và Y về đặcđiểm cấu tạo và chức năng?

+ Thế nào là kiểu gen? Thể đồng hợp, dị hợp là gì ?

+ Mối liên hệ giữa kiểu gen và bộ nhiễm sắc thể ?

+ Cách viết kiểu gen áp dụng cho 1 cặp nhiễm sắc thể và nhiều cặp nhiễm sắcthể ?

+ Số loại kiểu gen được tạo thành trong quần thể nhiều hay ít phụ thuộc vàonhững yếu tố nào ? cách tính ?

Vấn đề nêu ra cần được làm rõ như sau :

+ Trong tế bào, gen chủ yếu nằm trên nhiễm sắc thể Mỗi gen có một vị tríxác định (gọi là lôcut gen) và có thể tồn tại dưới dạng một hoặc nhiều alenkhác nhau

+ Trong tế bào của thể lưỡng bội, nhiễm sắc thể tồn tại thành từng cặp Cónhiễm sắc thể thường (mỗi cặp gồm hai nhiễm sắc thể có hình dạng kích thước

và trình tự phân bố gen giống nhau gọi là nhiễm sắc thể tương đồng) và nhiễmsắc thể giới tính (một giới có cặp XY hoặc XO, một giới có cặp XX) Nhiễmsắc thể thường là nhiễm sắc thể mang gen quy định tính trạng thường, khôngliên kết giới tính Nhiễm sắc thể giới tính là nhiễm sắc thể mang gen quy địnhgiới tính và gen quy định tính trạng thường có liên kết giới tính, có nhiễm sắcthể X và Y - hai loại nhiễm sắc thể giới tính này có cấu trúc khác nhau, mộtloại mang gen quy định tính đực còn một loại mang gen quy định tính cái củasinh vật Cấu trúc của 2 loại nhiễm sắc thể này có vùng tương đồng (mang cáccặp gen alen) và vùng không tương đồng (gen chỉ có trên X hoặc trên Y) + Kiểu gen là toàn bộ các alen của các gen trong tế bào Có kiểu gen đồnghợp (Chứa các cặp gen alen mà mỗi cặp gồm hai alen giống hệt nhau) và kiểugen dị hợp (Chứa cặp gen alen gồm hai alen khác nhau)

 Viết kiểu gen tức là viết cách sắp xếp của các cặp gen alen khác nhau trêncùng và giữa các cặp nhiễm sắc thể Ví dụ: Viết kiểu gen là AA, aa, Aa cónghĩa một gen chỉ có hai alen nằm trên nhiễm sắc thể thường Viết kiểu gen làaaBBdd, AABBDd, AaBbDd, có nghĩa là ba gen nằm trên các nhiễm sắcthể thường khác nhau Viết kiểu gen là XAXa, XaY, nghĩa là một gen nằmtrên vùng không tương đồng của nhiễm sắc thể giới tính X Viết kiểu gen là X

Y, XY, X X , nghĩa là hai gen khác nhau cùng nằm trên vùng không tươngđồng của nhiễm sắc

thể giới tính X Viết kiểu gen là , , , , có nghĩa là hai gen, mỗi

gen có hai alen cùng nằm trên một cặp nhiễm sắc thể thường v.v

 Như vậy, số loại kiểu gen được tạo thành trong quần thể phụ thuộc vào: + Số lượng alen của gen và số gen trên một nhiễm sắc thể Hay số kiểu genphụ thuộc số cách sắp xếp của các alen của các gen khác nhau trên cùng mộtnhiễm sắc thể

+ Số cặp nhiễm sắc thể được xét trong tế bào

3

Trên cơ sở như vậy, tôi thiết nghĩ đề tài sáng kiến kinh nghiệm này sẽ có íchcho học sinh đang ôn thi tốt nghiệp THPT, đặc biệt dùng cho ôn thi học sinhgiỏi, ôn thi đại học và cao đẳng.

2 Thực trạng vấn đề

Trong chương trình sinh học phổ thông hiện nay, với thời lượng 2 tiếtcho phần di truyền học quần thể ngoài việc trang bị cho học sinh đầy đủ nộidung lí thuyết, giáo viên chỉ có thể giúp học sinh xây dựng được một số côngthức áp dụng tính tần số alen và tần số kiểu gen, xác định cấu trúc di truyềncủa quần thể cho trường hợp gen nằm trên nhiễm sắc thể thường

Do vậy học sinh chỉ hiểu và làm được bài tập dạng này còn khi gặp dạng toán

áp dụng cho trường hợp gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính, trường hợp cónhiều alen …thì đa số học sinh còn lúng túng, không tìm ra phương pháp giải

Nhằm giúp các em tiếp thu kiến thức một cách hiệu quả mà không thấy nảnđối với môn sinh học nói chung và phần di truyền học quần thể nói riêng

Từ thực trạng trên, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài: “Phương pháp tính số loại kiểu gen và số kiểu giao phối trong quần thể ” phục vụ cho học sinh lớp

12 trường THPT Đặng Thai Mai Và với học sinh trường THPT Đặng ThaiMai thì đề tài này có một ý nghĩa rất riêng, mang tính thực tế cao và bổ sungmột cách thiết thực phần kiến thức về di truyền học quần thể cho các em

3 Nội dung, biện pháp thực hiện các giải pháp của đề tài

3.1 Nội dung

Nội dung của đề tài trình bày theo kiểu quy nạp, đầu tiên là hướng dẫn chi tiếtcách viết số loại kiểu gen trong trường hợp 1 locut gen có 2 alen (đơn giảnnhất) và sau đó khái quát thành công thức tính số loại kiểu gen trong trườnghợp 1 locut gen có nhiều alen và sau đó xét tiếp trường hợp nhiều locut gen màmỗi locut có nhiều alen Các trường hợp lần lượt xét là:

1 Một locut gen nằm trên nhiễm sắc thể thường

2 Một locut gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính

a) Một locut gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X không có alen tương ứngtrên Y

b) Một locut gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X có alen tương ứng trên y

4

c) Một locut gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính Y không có alen tươngứng trên X.

d) Một locut gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X ở loài có cơ chế xácđịnh giới tính là XX/XO

3 Hai locut gen cùng nằm trên một cặp nhiễm sắc thể thường

4 Hai locut gen nằm trên cặp nhiễm sắc thể giới tính X không có alen tươngứng trên Y

5 Hai hoặc nhiều locut gen nằm trên các cặp nhiễm sắc thể tương đồng khácnhau

3.2 Biện pháp thực hiện

Như ta đã biết quần thể giao phối mang tính đa hình: đa hình về kiểu gendẫnđến đa hình về kiểu hình Trong quần thể giao phối có nhiều cá thể, mỗi cáthểmang một kiểu gen khác nhau (trừ trường hợp sinh đôi cùng trứng).Kiểugen là tập hợp tất cả các alen trong nhân tế bào sinh dưỡng (xô ma) của cơthể(2n) Khi nói đến kiểu gen thực tế ta chỉ xét đến các gen đang xét còn cácgenkhác ta bỏ qua.Kiểu gen đồng hợp tử là cơ thể mang hai alen có cấu trúc giốngnhau của cùngmột gen Trong c ơ thể có nhiều gen,nếu tất cả các gen đều đồng hợp tử thì kiểu gen đó là đồng hợp Kiểu gen dịhợp tử là cơ thể mang hai alen có cấu trúc khác nhau của cùng một gen Trong

cơ thể có nhiều gen, nếu có một gen dị hợp tử thì kiểu gen đó là dị hợp.Số kiểugiao phối = số loại kiểu gen của giới đực x số loại kiểu gen của giới cái.Ta cóthể chia cách tính số loại kiểu gen trong quần thể giao phối thành các trườnghợp sau:

3.2.1 Trường hợp một gen có r alen.

a Gen nằm trên nhiễm sắc thể thường.

a.1 Phương pháp thông thường.

Khi gặp bài toán yêu cầu tính số kiểu gen chung, số kiểu gen đồng hợp, sốkiểu gen dị hợp; đa số học sinh thường vẫn có thói quen giải theo cách sau:

- Bước 1: Liệt kê tất cả các kiểu gen có thể tạo thành, từ đó viết các phép lai

có thể có trong quần thể ( trừ các phép lai nghịch )

- Bước 2: Tính ( đếm ) số kiểu gen chung, số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen

dị hợp hay số kiểu giao phối của quần thể ( tùy theo yêu cầu của bài toán )

Ví dụ 1: Ở quần thể ngẫu phối, xét một gen có 2 alen A, a nằm trên nhiễm

sắc thể thường Xác định số kiểu gen chung, số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen

dị hợp, số kiểu giao phối của quần thể có thể được tạo thành ?

- Bước 2: Tính số kiểu gen chung, số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp

và số kiểu giao phối của quần thể

Số kiểu gen chung = 3

Số kiểu gen đồng hợp = 2

Số kiểu gen dị hợp = 1

Số kiểu giao phối của quần thể ngẫu phối = 6

Ví dụ 2: Ở quần thể ngẫu phối, xét một gen có 3 alen A1, A2, a nằm trên

nhiễm sắc thể thường Xác định số kiểu gen chung, số kiểu gen đồng hợp, sốkiểu gen dị hợp và số kiểu giao phối của quần thể ?

Số kiểu gen chung = 6

Số kiểu gen đồng hợp = 3 Số kiểu gen dị hợp = 3

Số kiểu giao phối của quần thể = 21

Ví dụ 3: Một gen có 4 alen A1, A2, A3, a nằm trên nhiễm sắc thể thường.

Cho biết số kiểu gen có thể có, số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp và sốkiểu giao phối của quần thể? Biết rằng quần thể trên ngẫu phối

Cách giải :

- Bước 1:

+ Liệt kê tất cả các kiểu gen có thể được tạo thành

6

+ Liệt kê các phép lai có thể được tạo thành ( trừ các phép lai nghịch ).

Số kiểu giao phối của quần thể = 55

Ví dụ 4: Một quần thể ngẫu phối, xét 1 gen gồm có 5 alen A1, A2, A3, A4, a

nằm trên nhiễm sắc thể thường Cho biết số kiểu gen có thể có, số kiểu genđồng hợp, số kiểu gen dị hợp và số kiểu giao phối có thể được tạo thành ?

- Bước 2: Tính số kiểu gen chung, số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp

và số kiểu giao phối của quần thể:

Số kiểu gen chung = 15

Số kiểu gen đồng hợp = 5

Số kiểu gen dị hợp = 10

Số kiểu giao phối của quần thể = 120

a.2 Phương pháp giải nhanh.

Với cách giải trên, học sinh thường phải mất rất nhiều thời gian mới tìm rađược đáp án, đôi khi còn nhầm lẫn dẫn đến sai sót rất đáng tiếc Qua thực tiễngiảng dạy nhiều năm, đặc biệt là khi hướng dẫn học sinh làm bài tập trắcnghiệm khách quan, tôi đã hướng dẫn học sinh vận dụng các phép toán đã họctrong chương trình để rút ra được công thức tính nhanh số kiểu gen, số kiểugen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp và số kiểu giao phối của quần thể ngẫu phối Qua 4 ví dụ 1, 2, 3, 4 ta có thể rút ra được bảng tổng quát sau :

STT Số alencủa gen Số kiểu genđồng hợp Số kiểu gendị hợp Số kiểu genchung ( KGC ) Số kiểu giaophối

2

) 1 5 (

=

C2 r

r + C2

r =

2

) 1 ( r

+ số KGC

Trong trường hợp tổng quát, đối với một gen có r alen nằm trên nhiễm sắcthể thường, dựa vào bảng tổng quát trên, ta có thể rút ra được công thức tínhnhanh số loại kiểu gen, số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp và số kiểugiao phối của quần thể như sau :

- Số kiểu giao phối của quần thể ngẫu phối = C 2

số KGC + số KGC

Như vậy, chỉ bằng một thao tác đơn giản, bằng cách vận dụng các phép toán

đã học trong chương trình, học sinh có thể tính ngay được số kiểu gen chung,

số kiểu gen đồng hợp, số kiểu gen dị hợp và số kiểu giao phối của quần thểngẫu phối trong 4 ví dụ 1, 2, 3, 4.

b Gen nằm trên nhiễm sắc thể giới tính.

b.1 Trường hợp gen nằm trên X, không có alen tương ứng trên Y.

b.1.1 Phương pháp thông thường.

- Bước 1: Liệt kê tất cả các kiểu gen có thể có, viết các phép lai có thể đượctạo thành

- Bước 2: Tính ( đếm ) số kiểu gen chung, số kiểu giao phối của quần thểngẫu phối ( tùy theo yêu cầu của bài toán )

Ví dụ 1: Một gen có 3 alen A, a nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X, không

có alen tương ứng trên Y Xác định số kiểu gen chung, số kiểu giao phối có thểđược tạo thành? Biết rằng quần thể trên ngẫu phối

Cách giải :

- Bước 1:

+ Liệt kê tất cả các kiểu gen có thể tạo thành:

+ Liệt kê các phép lai có thể tạo thành:

Số kiểu gen thuộc giới XX = 3

Số kiểu gen thuộc giới XY = 2

Số kiểu gen chung = 3 ( XX ) + 2 ( XY ) = 5

Số kiểu giao phối = 6

Ví dụ 2: Một gen có 3 alen A1, A2, a nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X,

không có alen tương ứng trên Y Xác định số kiểu gen chung, số kiểu giao phối

có thể được tạo thành trong quần thể ? Biết rằng quần thể ngẫu phối

Số kiểu gen giới XX = 6

Số kiểu gen giới XY = 3

Số kiểu gen chung = 6 + 3 = 9

Số kiểu giao phối = 18

Ví dụ 3: Một gen có 3 alen A1, A2, A3, a nằm trên nhiễm sắc thể giới tính X,

không có alen tương ứng trên Y Xác định số kiểu gen chung và số kiểu giaophối có thể được tạo thành trong quần thể? Biết rằng quần thể trên ngẫu phối