Xây dựng công thức giải bài tập quần thể tự phối có chọn lọc và xác định cấu trúc quần thể có gen liên kết NST giới tính

Lý do chọn đề tài Trong quá trình dạy học môn sinh học 12, tôi nhận thấy một trong số các dạngbài tập khó đối với học sinh là dạng bài tập di truyền học quần thể, mà thời giandành cho ch

1.2.1 Sử dụng và xây dựng các công thức có liên quan về nội phối có

chọn lọc tự nhiên:

3

1.2.1.1 Dạng 1: Kiểu gen aa không có khả năng sinh sản (vẫn sống) 3

1.2.1.2 Dạng 2: aa chết khi đang còn là hợp tử (aa không có trong

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm và

các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

6

2.2.2 Sử dụng công thức tính tần số tương đối alen và thành phần kiểu

gen trường hợp tần số tương đối của alen giống nhau ở 2 giới để củng

cố, khắc sâu kiến thức lý thuyết phần di truyền liên kết với giới tính

10

2.2.2.2 Phương pháp áp dụng để giải quyết vấn đề 10

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1.1 Lý do chọn đề tài

Trong quá trình dạy học môn sinh học 12, tôi nhận thấy một trong số các dạngbài tập khó đối với học sinh là dạng bài tập di truyền học quần thể, mà thời giandành cho chương “Di truyền học quần thể” chỉ có hai tiết lý thuyết, không có tiết bài

tập và tiết ôn tập Do đó, học sinh sẽ gặp nhiều khó khăn khi gặp phải các dạng bàitập này trong các đề thi tốt nghiệp, đặc biệt là đề thi đại học

Các đề thi đại học, cao đẳng gần đây, một số đề thi Olimpic Sinh học Quốcgia và Quốc tế đều có nội dung liên quan tới phần Di truyền học quần thể Trong cácbái tập về quần thể, những bài tập các kiểu gen khác nhau cùng tồn tại nhưng sứcsống không như nhau hoặc một số kiểu gen không có khả năng sinh sản hoặc trongcác thế hệ có hiện tượng chết ở một số loại kiểu gen nào đó thì việc xác định tần sốcác alen, thành phần kiểu gen ở các thế hệ tiếp theo tương đối khó, rắc rối và họcsinh khó có thể làm được, nếu học sinh làm được thì cũng chỉ là những học sinh khágiỏi nhưng học sinh chỉ tính được bằng cách liệt kê thông thường và bài toán chỉ xéttrường hợp ngẫu phối hoặc tự phối qua một thế hệ, nếu nhiều thế hệ thì có thể liệt

kê theo cách giải này nhưng mất quá nhiều thời gian cho một bài tập Mặt khác,trường hợp các gen nằm trên NST giới tính thuộc đoạn không tương đồng cũng gâykhó khăn cho học sinh trong việc xác định tần số các loại alen và cấu trúc di truyềncủa quần thể ở một thế hệ nào đó

Vì vậy, việc xây dựng các công thức liên quan tới bài tập ở nội dung này có ýnghĩa thiết thực trong việc rèn luyện tư duy lôgic và kỹ năng phân tích đánh giá vấn

đề của học sinh Sách giáo khoa, sách bài tập Sinh học thuộc chương trình THPT đãđưa ra nhiều công thức giúp học sinh giải quyết tốt các bài tập thuộc phần di truyềnquần thể Tuy nhiên, hiện nay trong thực tế có hai vấn đề còn có những khó khănhiện nay đối với giáo viên và học sinh khi giải quyết các bài toán về di truyền họcquần thể đó là: Vấn đề thứ nhất, cho đến nay chưa có một tài liệu nào xây dựng côngthức tính tần số tương đối các a len tại thế hệ bất kỳ ở quần thể giao phối của gennằm trên NST giới tính X thuộc đoạn không tương đồng, trường hợp tần số alenkhác nhau ở giới đực và giới cái Vấn đề thứ hai, việc xác định tần số alen và cấutrúc quần thể trong trường hợp quần thể nội phối có chọn lọc Chính vì vậy, trongquá trình dạy học, tôi đã sử dụng các công thức đã có sẵn để minh họa khắc sâu nộidung lý thuyết đồng thời xây dựng một số công thức đang còn thiếu Một số kinh

nghiệm đó được trình bày trong đề tài “Xây dựng công thức giải bài tập quần thể

tự phối có chọn lọc và xác định cấu trúc quần thể có gen liên kết NST giới tính”.

Đề tài nhằm giải quyết các nội dung:

- Đưa ra công thức tính tần số tương đối các alen riêng cho gới đực và giới cáitại thế hệ n

- Đưa ra công thức xác định cấu trúc di truyền của quần thể trong trường hợp

tự phối có chọn lọc

1.2 Mục đích nghiên cứu

- Đối với giáo viên: có cái nhìn tổng quát hơn về việc giảng dạy phần ditruyền học đồng thời có thể bổ sung những hạn chế về kiến thức và phương pháp màSGK và SGV đã đưa ra

- Đối với học sinh: hiểu được bản chất của di truyền học quần thể và có thể ápdụng thành thạo vào việc giải các bài tập về di truyền quần thể đồng thời có hứngthú và yêu thích môn học hơn

1.3 Đối tượng nghiên cứu

- Đội tuyển thi học sinh giỏi các cấp trong các năm từ năm học 2015 – 2016

đến năm học 2016 – 2017

- Học sinh ôn thi đại học các lớp 12A1, lớp 12A2 từ năm học 2016 – 2017 đếnnăm học 2017 – 2018

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Tiến hành kiểm tra tự luận trong bài kiểm tra chất lượng đội tuyển HSG cáccấp từ năm học 2015 – 2016 đến năm học 2016 – 2017

- Tiến hành kiểm tra trắc nghiệm trong thời gian 50 phút ở lớp ôn thi đại học

- Trong quá trình thực hiện giảng dạy và ôn luyện cho các đội tuyển HSG và

ôn thi Đại học tôi đã sử dụng phương pháp xây dựng cớ sở lý thuyết để từ đó nắmvững bản chất để xây dựng công thức cho các dạng bài tập và sử dụng thống kê để

xử lý số liệu

1.5 Những điểm mới của SKKN

Điểm mới trong đề tài là tôi đã đưa ra được cách xây dựng các công thức chodạng bài tập này mà chưa có hoặc có tài liệu đưa ra nhưng chưa chính xác, từ đógiúp học sinh nắm được bản chất và tự xây dựng công thức, điều này khắc phục tìnhtrạng nhớ một cách máy móc các công thức, và tạo được hứng thú, tăng niềm tin chocác em trong quá trình giải bài tập và giúp các em tự tin đối với những bài tập khó

PHẦN 2 NỘI DUNG SÁNG KIẾN KINH NGHIỆM 2.1 Cơ sở lý luận của sáng kiến kinh nghiệm

1.2.1 Sử dụng và xây dựng các công thức có liên quan về tự phối có chọn lọc tự nhiên:

1.2.1.1 Dạng 1: Kiểu gen aa không có khả năng sinh sản (vẫn sống)

Giả sử quần thể có thành phần kiểu gen xAA + yAa + zaa = 1, được tính khi kiểu

gen aa đang tồn tại trong quần thể

a) Cách tính truyền thống

Do kiểu gen aa không có khả năng sinh sản nên trong quần thể chỉ có những

cá thể có kiểu gen AA và Aa giảm phân tạo giao tử và tham gia sinh sản

Lúc này tỷ lệ các loại kiểu gen tham gia sinh sản: P0 =  1





y x

y AA y x x

Tự thụ phấn sẽ có các phép lai: AA x AA  Tỉ lệ không thay đổi = x/(x +y)

Aa x Aa  y/4(x+y)AA: 2y/4(x+y)Aa : y/4(x+y) aa

Tần số các kiểu gen sau 1 thế hệ tự phối khi các cá thể aa không sinh sản là :

y x y x

y y

2 4 4 4 4

y x A

) 2 2 ( 2

2 2

1 ) 1 1 (

1 ) 1 1 (

y y

x

y y

x

y

a

4 4

2 4

4 4



y x

y a

) 2 2 ( 2

2

1 ) 1 1

) 2 2 ( 2

2 2

2 ) 1 2 (

2 ) 1 2 (

) 2 2 ( 2

2

2 ) 1 2

) 2 2 ( 2

2 2

3 ) 1 3 (

3 ) 1 3 (

) 2 2 ( 2

2

3 ) 1 3

Tần số tương đối các alen ở thế hệ 4 khi các cá thể có kiểu gen aa không có khảnăng sinh sản là:

) 2 2 ( 2

2 2

4 ) 1 4 (

4 ) 1 4 (

) 2 2 ( 2

2

4 ) 1 4



b) Cách tính mới

Ban đầu quần thể có cấu trúc dạng xAA + yAa + zaa = 1

Do kiểu gen aa không có khả năng sinh sản nên ta bỏ qua aa, khi đó quần thể sinhsản có dạng: k AA + t Aa = 1

Khi đó ở Fn: Tần số kiểu gen Aa là: Fn (Aa) =  t

Tần số kiểu gen AA là: Fn (AA) = 1 – Fn (Aa) – Fn (aa)

1.2.1.2 Dạng 2: aa chết khi đang còn là hợp tử (aa không có trong quần thể)

a) Cách tính truyền thống

Một quần thể ở thế hệ xuất phát có cấu trúc là: P0: x AA + y Aa = 1 (1)

Tần số kiểu gen của các cá thể trong quần thể sau 1 thế hệ tự phối là:

y x y x

y y

2 4 3 4 3

) 1 2 ( 2

2 2

1 ) 1 1 (

1 ) 1 1 (

) 1 2 ( 2

2

1 ) 1 1



Tần số kiểu gen sau 2 thế hệ tự phối (theo lý thuyết - tính cả tần số kiểu gen aa) là:

1 6

8 6

8

2 6

y Aa y x

y AA

) 1 2 ( 2

2 2

2 ) 1 2 (

2 ) 1 2 (

) 1 2 ( 2

2

2 ) 1 2

16 10

16

2 10

y Aa

y x

y AA

) 1 2 ( 2

2 2

3 ) 1 3 (

3 ) 1 3 (

) 1 2 ( 2

2

3 ) 1 3

32 18

32

2 18

y Aa

y x

y AA

) 1 2 ( 2

2 2

4 ) 1 4 (

4 ) 1 4 (

) 1 2 ( 2

2

4 ) 1 4



b) Cách tính mới

Một quần thể ở thế hệ xuất phát có cấu trúc là: P0: k AA + t Aa = 1

Khi đó ở Fn: Tần số kiểu gen Aa là: Fn (Aa) =  t

t

n

n 2 1 2

2



Tần số kiểu gen AA là: Fn (AA) = 1 – Fn (Aa)

1.2.2 Xây dựng công thức gen trên NST X không có alen tương ứng trên Y

- Trường hợp quần thể cân bằng: Tần số alen lặn q (Xa) tính bằng (số cá thểđực mắc bệnh)/ tổng số cá thể đực của quần thể

q(Xa) = q(Xa Y)P(XA) = 1- q(Xa)

- Trường hợp quần thể chưa cân bằng: Ta phải xác định lại cấu trúc di truyềncủa quần thể, sau đó ta xác định tần số alen trội và lặn rồi cho ngẫu phối để đưa vềtrạng thái cân bằng

2.2 Thực trạng vấn đề trước khi áp dụng sáng kiến kinh nghiệm và các giải pháp đã sử dụng để giải quyết vấn đề

2.2.1 Về tự phối có chọn lọc tự nhiên:

Đối với các bài toán về ngẫu phối hay tự phối không có tác động của chọn lọc

tự nhiên hay các nhân tố tiến hóa khác tác động thì việc xác định tần số tương đốicủa các alen hay tỷ lệ kiểu gen của quần thể ở các thể hệ đã có công thức để xác địnhvafcos thể nhanh chóng tìm ra Tuy nhiên, với các bài toán về tự phối mà có tác độngcủa chọn lọc tự nhiên (kiểu gen nào đó không sinh sản hoặc bị đào thải ngay sau khisinh ra) thì việc xác định tần số tương đối của các alen hay tỷ lệ kiểu gen của quầnthể ở các thể hệ thì phải tách ra và tính từng thế hệ, điều này mất rất nhiều thời gian

mà câu hỏi trắc nghiệm chỉ có thời gian 01 đến 1,5 phút/câu Do đó, nếu áp dụngcách tính truyền thống là rất khó khăn hoặc không thể làm được nếu ở thế hệ rất xa

so với thể hệ ban đầu

Vì vậy, việc phát hiện ra các công thức mới để xác định tần số tương đối củacác alen hay tỷ lệ kiểu gen của quần thể ở một thể hệ bất kỳ đã giúp cho việc làm bàithi của học sinh diễn ra nhanh chóng và chính xác.

Ví dụ 1: Một quần thể tự thụ phấn khởi đầu có thành phần kiểu gen: 0,45AA: 0,3 Aa:

0,25aa Biết alen A quy định hạt vàng, alen a quy định hạt xanh, cá thể có kiểu gen aakhông có khả năng sinh sản Tính theo lý thuyết tỉ lệ kiểu gen AA: Aa: aa sau:

a) 1 thế hệ tự thụ phấn là bao nhiêu?

b) 3 thế hệ tự thụ phấn là bao nhiêu?

Trả lời

* Giải theo phương pháp cũ: Bằng cách thống kê qua các thế hệ

Do kiểu gen aa không không có khả năng sinh sản nên không tạo giao tử, tỷ lệcác kiểu gen của quần thể tham gia sinh sản là:

 Thành phần kiểu gen F3 là: 0,9118AA : 0,0588Aa: 0,0294aa

* Giải theo phương pháp mới:

a) Với n = 1, ta có:

Do kiểu gen aa không có khả năng sinh sản nên quần thể 0,45AA: 0,3 Aa: 0,25aa đượcviết thành 0,45 AA : 0,3Aa hay 0,6 AA : 0,4 Aa

Khi đó ở F1: Tần số kiểu gen Aa là: F1 (Aa) =  t

1 1

1    = 0,2 Tần số kiểu gen aa là: Fn (aa) =

= 0,1 Tần số kiểu gen AA là: Fn (AA) = 1 – Fn (Aa) – Fn (aa) = 1 – 0,2 – 0,1 = 0,7  Tỷ lệ kiểu gen ở F1 là: 0,7AA : 0,2Aa: 0,1aa

a) Với n = 3, ta có:

Tần số kiểu gen sau thế hệ 3 tự thụ phấn khi aa không sinh sản là:

Khi đó ở F3: Tần số kiểu gen Aa là: F3 (Aa) =  t

1 3

3    = 0,0588 Tần số kiểu gen aa là: F3 (aa) =

= 0,0294 Tần số kiểu gen AA là: F3 (AA) = 1 – F3 (Aa) – F3 (aa) = 1 – 0,0588 – 0,0294 = 0,9118

 Tỷ lệ kiểu gen F3 là: 0,9118AA : 0,0588Aa: 0,0294aa

Ví dụ 2: Ở một quần thể thực vật lưỡng bội, xét một gen có hai alen nằm trên nhiễm

sắc thể thường: alen A quy định hoa đỏ trội hoàn toàn so với alen a quy định hoatrắng Khi quần thể này đang ở trạng thái cân bằng di truyền có số cây hoa trắngchiếm tỉ lệ 4% Cho toàn bộ các cây hoa đỏ trong quần thể đó tự thụ phấn thu đượcthế hệ F1, tiếp tục cho toàn bộ các cây hoa đỏ trong quần thể F1 tự thụ phấn thu đượcthế hệ F2, theo lí thuyết, tỉ lệ kiểu hình thu được ở đời con F2 là:

A 0,9545 hoa đỏ : 0,0455 hoa trắng B 0,86 hoa đỏ : 0,14 hoa trắn

C 0,75 hoa đỏ : 0,25 hoa trắng D 0,25 hoa đỏ : 0,75 hoa trắng

* Phương pháp giải cũ

Thành phần kiểu gen trong quần thể: 0,64AA + 0,32Aa + 0,04aa =1

Sau khi loại bỏ kiểu gen, thành phần kiểu gen là:

0,64/0,96AA: 0,32/0,96Aa  2/3AA: 1/3Aa

Thành phần kiểu gen sau một thế hệ tự thụ phấn là: AA = 2/3 +1/12 = 9/12

Aa = 2/12 ; aa = 1/12  Tỷ lệ kiểu gen: 9/12 AA: 2/12 Aa: 1/12 aa

Sau khi loại bỏ kiểu gen aa : 9/11AA: 2/11 Aa

Thành phần kiểu gen sau 2 thế hệ tự thụ phấn là: 19/22AA: 2/22Aa: 1/22aa

Hay 0,8635AA: 0,0910Aa: 0,0454aa Tỷ lệ kiểu hình 0,9545 hoa đỏ : 0,0455hoa trắng

* Áp dụng giải pháp mới

Thành phần kiểu gen trong quần thể: 0,64AA + 0,32Aa + 0,04aa =1

Sau khi loại bỏ kiểu gen, thành phần kiểu gen là:

0,64/0,96AA: 0,32/0,96Aa  2/3AA: 1/3Aa

Khi đó ở F2: Tần số kiểu gen Aa là: F2 (Aa) =  t

1 2

2    = 0,0910 Tần số kiểu gen aa là: Fn (aa) =

= 0,0455 Tần số kiểu gen AA là: Fn (AA) = 1 – Fn (Aa) – Fn (aa) = 1 – 0,0910 – 0,0455 = 0,8635

=> Tỷ lệ kiểu hình 0,9545 hoa đỏ : 0,0455 hoa trắng

Ví dụ 3: Ở một loài thực vật, gen A quy định hạt có khả năng nảy mầm trên đất bị

nhiễm mặn, alen a quy định hạt không có khả năng này trên vùng đất bị nhiễm mặn

Từ một quần thể thu được tổng số 10000 hạt trong đó có 1600 hạt có kiểu gen AA,

4800 hạt có kiểu gen Aa Đem gieo các hạt này trên vùng đất bị nhiễm mặn thì thấy

có 6400 hạt nảy mầm (thế hệ P) Cho P tự thụ phấn thu được F1, tiếp tục cho tự thụphấn qua nhiều thế hệ Theo lý thuyết, tỷ lệ kiểu gen ở F5 là bao nhiêu?

A 0,739 AA: 0,261Aa B 0,261 AA: 0,739Aa

C 0,75 AA: 0,25 Aa D 0,9632 AA: 0,0368Aa

*Phương pháp cũ

Theo bài ra ta có: 0,16AA: 0,48Aa: 0,36aa

Thành phần kiểu gen các cá thể ở P nảy mầm:

P: 0,16/0,64 AA: 0,48/0,64Aa  0,25AA: 0,75Aa

Thành phần kiểu gen ở F1: AA= 0,25 + 0,75/4 = 0,4375

Aa = 0,75/2 = 0,375; aa = 0,75/4 = 0,1875 0,4375AA: 0,375Aa: 0,1875aa

Thành phần kiểu gen các cá thể ở F1:

F1: 0,4375/0,8125AA: 0,375/0,8125Aa  0,538 AA: 0,462 Aa

Thành phần kiểu gen (tính theo lý thuyết) ở F2:

F2: (0,538+0,462/4)AA: 0,462/2Aa: 0,462/4aa  0,6535AA: 0,231Aa: 0,1155aa.Thành phần kiểu gen của các cá thể trong quần thể là: F2: 0,739 AA: 0,261Aa

Theo bài ra ta có: 0,16AA: 0,48Aa: 0,36aa.

Thành phần kiểu gen các cá thể ở P nảy mầm: 0,25AA: 0,75Aa

Áp dụng công thức, ta tính được thành phần kiểu gen:

Khi đó ở Fn: Tần số kiểu gen Aa là: F5 (Aa) =  t

t

n

n 2 1 2

2

75 , 0 2

5 1

5    = 0,0368 Tần số kiểu gen AA là: F5 (AA) = 1 – Fn (Aa) = 1 – 0,0368 = 0,9632

Thành phần kiểu gen của các cây: 0,9632AA: 0,0368Aa

2.2.2 Sử dụng công thức tính tần số tương đối alen và thành phần kiểu gen trường hợp tần số tương đối của alen giống nhau ở 2 giới để củng cố, khắc sâu kiến thức lý thuyết phần di truyền liên kết với giới tính

2.2.2.1 Thực trạng

- Khi giảng dạy phần Di truyền liên kết với giới tính chúng ta thường gặp câuhỏi “Nói bệnh mù màu và bệnh máu khó đông là bệnh của nam giới có đúng không?Tại sao?”

Sinh học 12 nâng cao (sách giáo viên) hướng dẫn trả lời:

“ Sai, vì bệnh mù màu và bệnh máu khó đông không chỉ biểu hiện ở nam giới màcòn biểu hiện ở nữ giới nhưng hiếm hơn”

Câu trả lời này không hoàn toàn thỏa mãn câu hỏi nêu ra Vì:

+ Chưa chứng minh (lý giải) được vì sao bệnh mù màu ở nữ hiếm hơn ở nam ?+ Tại sao lại tồn tại quan niệm bệnh mù màu và bệnh máu khó đông làbệnh của nam giới ?

Mặt khác các bài tập về yêu cầu xác định tần số alen và cấu trúc di truyền củaquần thể ở thế hệ n thì học sinh thường lúng túng và không giải quyết được bài toán

vì cách tính qua từng thế hệ sẽ rất dài và mất rất nhiều thời gian

2.2.2.2 Phương pháp áp dụng để giải quyết vấn đề

Xây dựng công thức tổng quát tính tần số tương đối các alen trong trường hợptần số tương đối các alen ở 2 giới khác nhau: Giả sử tần số tương đối của các alen ởthế hệ xuất phát như sau:

♀: p(A) = pi; q(a) = qi

♂: p(A) = pj; q(a) = qj

Ta có:

pi XA pi pj XA XA pi qj XA Xa pi XA Y

qiXa pj qi XA Xa qi qjXa Xa qiXa YCấu trúc di truyền :

Nhận xét: Qua mỗi thế hệ ngẫu phối tần số tương đối của các alen ở giới đực chính

là tần số tương đối các alen của giới cái ở thế hệ trước đó, tần số tương đối của cácalen ở giới cái bằng tổng tần số tương đối các alen của giới đực và giới cái ở thế hệtrước đó