Trong môn học này, các nhà di truyền học có gắng để dự đóan/ước tính các tần số gen và tìm hiểu ảnh hưởng của chọn lọc, xác định chúng trong các quần thể tự nhiên.. Chúng ta dùng giàn kh
Trang 1Giới thiệu về di truyền học quần thể
B.M.Burns và A.D.Herring
Đặt vấn đề
Di truyền học quần thể là bộ môn nghiên cứu
về thành phần di truyền của các quần thể
Trong môn học này, các nhà di truyền học có
gắng để dự đóan/ước tính các tần số gen và tìm
hiểu ảnh hưởng của chọn lọc, xác định chúng
trong các quần thể tự nhiên Các mô hình tóan
học cũng đồng thời được phát triển để giải
thích sự tương tác của các nhân tố như chọn
lọc, kích cỡ quần thể, đột biến và di cư lên sự
cố định (fix) hoặc mất của các gen liên kết và
không liên kết
Chương này sẽ trình bày sơ lược một số khái
niệm rất cơ bản của quần thể, nó sẽ giúp chúng
ta có thêm hiểu biết về các chương trình giống
vật nuôi
Tần số gen (alen)
Tần số gen (alen) là tần suất xuất hiện của một
alen trong tất cả số alen trong quần thể Nó
cũng đồng thời xác định khả năng chọn ngẫu
nhiên một giao tử từ quần thể có chứa alen đó
Giả sử chúng ta có 50 đực giống Angus Trong
đó, 45 là màu đen và 5 là màu đỏ Giả sử
chúng ta biết chính xác kiểu gen của các đực
giống đó như sau:
Tần số của alen ED và e là bao nhiêu?
Tần số của alen ED = 0 , 8
100
80 )
2 50 (
) 1 10 ( ) 2 35 (
=
=
ì
ì +
ì
Tần số của alen e =
2 , 0 100
20 )
2
50
(
)
1
10
(
)
2
5
(
=
=
ì
ì
+
ì
Giả sử 50 bò đực giống đó được phối giống
ngẫu nhiên cho 1.000 bò cái (có cùng tần số
alen) Tần số gen và alen mong đợi ở các bê
con là bao nhiêu?
Chúng ta dùng giàn khung Punnett và ghi tần
số alen của các đực giống ở hàng trên cùng, tần
số các alen ở các bò cái lên cột thứ nhất bên trái và nhân 2 tần số với nhau vì các cá thể đã
kết hợp với nhau một cách ngẫu nhiên
Kết quả của sự kết hợp này cho ta 64% các bê
là đồng hợp trội (đen), 32% dị hợp thể (đen),
và 4% là đỏ (đồng hợp lặn) Giả sử có 1.000
bê đã được sinh ra thì:
Tần số của alen ED =
200
1600 )
2 1000 (
) 1 320 ( ) 2 640 (
=
=
ì
ì +
ì
Tần số của alen e =
2 , 0 2000
400 )
2 1000 (
) 1 320 ( ) 2 40 (
=
=
ì
ì +
ì
Trong khung cảnh này, các tần số kiểu gen là theo tỷ lệ Weinberg Cân bằng Hardy-Weinberg (HWE) là một trạng thái không thay
đổi của các tần số gen và từ đó ta sẽ có tần số kiểu gen, trong một quần thể khi các điều kiện sau đây là thực (hoặc rất gần thực):
1 quần thể lớn, giao phối ngẫu nhiên,
2 không có chọn lọc ở thế hệ trước (bố mẹ),
3 không có đột biến ở thế hệ trước,
4 không có đột biến của các alen,
5 bố-mẹ là đại diện cho mỗi thế hệ (không
có genetic drift) Giả sử p là tần số của một alen và q là tần số của alen kia:
p + q = 1 đối với tất cả các trường hợp mà một gen chỉ có 2 alen
Dưới cân bằng Hardy-Weinberg (HWE):
Tần số của một nhóm đồng hợp thể là = p2
Tần số của một nhóm dị hợp thể là = 2pq Tần số của một nhóm đồng hợp thể kia là = q2
Từ ví dụ về màu lông của bò ở trên, p = 0,8 và
q = 0,2 Khi các bố mẹ được giao phối ngẫu nhiên, nhóm đồng hợp thể của các bê đen có
Trang 2tần số ước tính là p (= 0,64), nhóm dị hợp thể
ước tính là 2pq (= 2 x 0,8 x 0,2 = 0.32), và
nhóm bê đỏ ước tính là q2 (= 0,04)
Rút từ tỷ lệ HWE đem kiểm tra với Khi bình
phương (χ2)
χ2 = Σ (Oi – Ei)2
Ei
Oi = số quan trắc trong nhóm
Ei = số mong đợi trong nhóm ith
Giá trị χ2 tính được này được đem so sánh với
giá trị χ2 lý thuyết (trong bảng) dựa vào số bậc
tự do (DF) DF = số nhóm (trong trường hợp
này là số kiểu gen) trừ đi số thông số dự tính (p
hoặc q, là bằng 1 trong trường hợp này) trừ 1
(3 – 1 – 1 = 1 DF cho trường hợp này)
Nếu χ2 tính tóan được có giá trị lớn hơn giá trị
χ2 lý thuyết, các tần số kiểu gen sẽ không đạt
tỷ lệ HWE (không cân bằng Hardy-Weinberg)
Kiểu gen EDED EDe ee
Tần số của alen ED và e là bao nhiêu?
Tần số của alen ED =
Tần số của alen e =
Nếu nhóm này gồm 100 cá thể đạt HWE,
chúng ta hy vọng có 64 EDED (đồng hợp trội
đen), 32 EDe (dị hợp thể đen), và 4 ee (đồng
hợp thể lặn đỏ) Tính số bò quan sát từ số bò
mong đợi đủ để kết luận nhóm bò này có ở
trạng thái HWE không?
χ2
= (76 – 64)2
+ (8 – 32)2
+ (16 – 4)2
= 56,25
64 32 4
χ2
.05, 1 = 3,841, như vậy chúng ta chắc chắn
rằng nhóm bò này không ở trạng thái cân bằng
Hardy Weinberg (HWE) Một vòng giao phối
ngẫu nhiên sẽ thiết lập HWE vì các tần số di
truyền của thế hệ con sẽ là hàm số trực tiếp của
các tần số alen của bố mẹ
Các hệ thống giao phối tạo ra biến sai trong
HWE
Kiểu giao phối có thể dẫn đến các biến sai từ
các tỷ lệ HWE Ví dụ khi bị đồng huyết Quần
thể càng đồng huyết thì quần thể càng trở nên
đồng hợp thể Tuy nhiên, đồng huyết không tự
nó tạo ra sự thay đổi tần số của các alen, chỉ làm tần số kiểu gen thay đổi Sẽ xẩy ra sự tăng tần số đồng hợp thể với sự giảm tần số dị hợp thể Nếu F đại diện cho mức độ đồng huyết của quần thể thì tần số các kiểu gen là như sau:
P (tần số của một đồng hợp thể) = p2 + pqF
H (tần số của dị hợp thể ) = 2pq(1 – F)
Q (tần số của đồng hợp thể còn lại)= q2 + pqF Nếu mức độ đồng huyết là bằng 0, chúng ta vẫn sẽ có tỷ lệ HWE Nếu F gần tới 0, chúng
ta sẽ có HWE gần hơn Nếu F bằng 1.0, toàn
bộ quần thể là đồng hợp thể (không có dị hợp thể); P (tần số của một đồng hợp thể) có thể bằng p (tần số của alen tương ứng) và Q cũng
sẽ bằng q Đồng huyết ảnh hưởng đến tất cả các loci gen
Giao phối tương hợp (giao phối tương hợp
dương) là kiểu ghép đôi giao phối của các cá thể có kiểu hình giống nhau Kiểu giao phối này dư thừa đồng hợp thể và thiếu dị hợp thể, giống như đồng huyết, nhưng giữa chúng có một sự khác nhau lớn Kiểu giao phối này chỉ
ảnh hưởng đến loci gen có mặt trong việc tạo
ra kiểu hình cho nhóm giao phối tương hợp
8 , 0 200
160 )
2 100
(
) 1 8 ( ) 2
76
ì
ì +
ì
Giao phối không tương hợp (giao phối tương
hợp âm) là kiểu ghép đôi giao phối của các cá thể có kiểu hình không giống nhau Kiểu ghép
đôi giao phối này làm tăng dị hợp thể và giảm
đồng hợp thể Nhưng một lần nữa, sự thay đổi tần số kiểu gen sẽ chỉ xẩy ra tại các gen ảnh hưởng đến kiểu hình Nếu có chủ định tránh ghép đôi giao phối với họ hàng, thì sẽ xẩy ra thiếu hụt đồng hợp thể trên tất cả các loci (đó
là điều đã thấy ở rất nhiều quần thể người)
2 , 0 200
40 )
2 100
(
) 1 8 ( )
2
16
ì
ì +
ì
Cả 3 hệ thống giao phối trên đều sẽ làm thay
đổi tần số các kiểu gen, nhưng không làm thay
đổi tần số các alen
Bốn yếu tố chính gây nên những thay đổi
tần số alen là (1) chọn lọc, (2) di cư, (3) đột
biến và (4) sự lạc dòng di truyền (genetic
drift) sẽ được thảo luận ở cuối chương này
Việc xác định mức độ đồng huyết trong một
Trang 3(Ne) là một khái niệm quan trọng Kích thước
hữu hiệu của quần thể là số cá thể là bố mẹ
(hoạt động phân phối di truyền cho thế hệ sau)
Khái niệm này được phát triển bởi Sewall
Wright
Công thức để xác định kích thước hiệu quả của
quần thể là:
Ne = 4 x Nm x Nf
Nm + Nf
Nm = số lượng con làm bố
Nf = số lượng con làm mẹ
Mức độ tăng đồng huyết sau 1 thế hệ = 1
2Ne
Với quần thể có tỷ lệ đực cái (bố và mẹ) không
như nhau thì sử dụng công thức sau:
Mức độ tăng đồng huyết/thế hệ = 1 + 1
8Nm 8Nf
Các ví dụ
Trường hợp A Tổng số bố mẹ = 420 (20 đực,
400 cái)
Ne = (4)(20)(400) = 76,2
20 + 400
Trường hợp B Tổng số bố mẹ = 80 (40 đực,
40 cái)
Ne = (4)(40)(40) = 80
Mức độ tăng đồng huyết là 0,066/thế hệ trong
trường hợp A và 0,063/thế hệ trong trường hợp
B, hầu hết là giống nhau vì Ne cho cả hai hầu
như là bằng nhau
Đối với gia súc giống, số lượng đực giống
thường là yếu tố chính của đồng huyết tích lũy
trong các quần thể đóng
Dùng thống kê để ước tính đồng huyết ở
quần thể - mức rộng
FIS - xác suất để 2 alen rút ngẫu nhiên trong
một quần thể là như nhau qua các thế hệ từ một
tổ tiên chung trong quần thể,
- so sánh mức độ dị hợp trong các cá thể so với
mức dị hợp trung bình trong quần thể đó,
FST - xác suất để 2 alen rút ngẫu nhiên trong một quần thể là như nhau qua các thế hệ từ một
tổ tiên chung đẩy lùi về trước (hệ số quan hệ tổ tiên)
- so sánh mức độ trung bình dị hợp qua quần thể so với mức dị hợp trong toàn bộ quần thể,
FIT - so sánh mức độ dị hợp trong cá thể so với trong toàn bộ quần thể
Các nguyên nhân làm thay đổi tần số alen
1 Chọn lọc thế hệ bố mẹ
Chúng ta hãy trở lại ví dụ về màu lông của bò,
ở đó tần số alen đen là 0,8 và tần số alen đỏ là 0,2 Nếu ta có một quần thể bò lớn và chúng kết hợp ngẫu nhiên với nhau tương ứng với gen
đó, chúng ta hy vọng tỷ lệ HWE của 3 kiểu gen (64% EDED, 32% EDe và 4% ee)
Tần số kiểu gen và tần số alen sẽ là bao nhiêu nếu chúng ta chỉ cho phép các bò đỏ làm đực giống để tạo ra các con ở thế hệ sau? Trường hợp này hoàn toàn dựa vào tần số alen của bố
mẹ ở các bò mẹ là p = 0,8 và q = 0,2, nhưng
ở bò đực là p = 0 và q = 1.0
0,8 0,2
Do đó, trong thế hệ con 80% các bê là màu đen
và 20% sẽ là màu đỏ Chúng ta đã làm tăng tần
số các bê đỏ lên 5 lần HWE trên cơ sở đàn bò cái
Tần số mới của 2 alen trong quần thể bê là bao nhiêu? Chúng ta có thể tính trực tiếp từ tần số của các kiểu gen:
p = P + 1/2H q = Q + 1/2H
Do đó, đối với ví dụ này, bây giờ p = 0 + 1/2 (0,8) = 0,4, và q = 0,2 + 1/2 (0,8) = 0,6 Chúng
ta đã làm tăng tần số của alen đỏ từ 0,2 lên 0,6 Hơn nữa, mặc dù có tới 80% là các bê đen, nhưng không một con nào trong chúng là đồng hợp trội
Trang 4Khi quyết định chọn con nào để trở thành bố mẹ
và chúng sẽ cho ra bao nhiêu con, đó là chọn lọc
nhân tạo Trong quần thể hoang dại (tự nhiên),
chọn lọc tự nhiên sẽ hoạt động, nhưng trong
giống vật nuôi thì cả chọn lọc nhân tạo và chọn
lọc tự nhiên cùng hoạt động Chọn lọc tự nhiên là
các khái niệm có từ các quan sát và lý thuyết của
Charles Darwin Chọn lọc nhân tạo có thể làm
thay đổi tần số alen so với chọn lọc tự nhiên rất
nhanh Chọn lọc nhân tạo có thể đưa quần thể tới
các điều kiện tiến hóa khác nhau hơn chọn lọc tự
nhiên, chọn lọc tự nhiên một mình thì không thể
làm được việc đó
Tất cả các quần thể luôn tiến hóa (thay đổi) theo
thời gian Các quần thể luôn chịu áp lực của sự
thay đổi của các yếu tố môi trường Dưới các
điều kiện khác nhau, các kiểu cá thể khác nhau
sẽ có đáp ứng thuận lợi cho khả năng sống và
sinh sản của chúng Khái niệm này được gọi sự
phù hợp tương đối của các kiểu gen khác nhau
Sự phù hợp tương đối của các kiểu gen bị ảnh
hưởng bởi tần số các alen theo thời gian
Tầm quan trọng của fitness ở bò thịt và khả năng
sống, sinh sản trong môi trường nhiệt đới và tầm
quan trọng của chúng trong việc sản xuất/kinh
doanh có lãi của hệ thống sản xuất bò thịt thương
phẩm sẽ được đề cập ở chương tới
Hãy xem xét 3 kiểu gen và các giá trị phù hợp có
thể trong các trường hợp khác nhau:
J 1 J 1 J 1 J 2 J 2 J 2
1.0 1.0 0 J1 trội hoàn toàn, J2J2 gây chết
1.0 1.0 0.50 J1 trội hoàn toàn, J2J2 bán gây chết
Sự phù hợp tương đối của kiểu gen thích hợp
nhất được biểu thị bằng 1,0 và các kiểu gen khác
là mức tương đối so với nó (0,80 là 80% phù hợp
với kiểu gen tốt nhất, v.v.) Sự thay đổi tần số
của các kiểu gen từ thế hệ này qua thế hệ kế tiếp
có thể ước tính theo công thức sau:
P = R1 x p2
(R1 x p2) + (R2 x 2pq) + (R3 x q2)
H = R2 x 2pq
(R1 x p2) + (R2 x 2pq) + (R3 x q2)
Trong các công thức trên R1, R2 và R3 tương ứng với sự phù hợp tương đối của các kiểu gen
J1J1, J1J2 và J2J2
2 Di cư của bố mẹ
Di cư là khái niệm mà các cá thể của một quần thể chuyển vào một quần thể khác và trở thành
bố mẹ trong quần thể mới Khái niệm này có rất nhiều ứng dụng đối với vật nuôi cho thịt Chọn lọc giữa các giống sẽ hiệu quả hơn chọn lọc trong giống đối với nhiều tính trạng có tầm quan trọng kinh tế khác nhau vì chúng sẽ đem lại nhiều lợi ích kinh tế hơn Khi chọn lọc giữa các giống sẽ có nhiều biến dị di truyền hơn là trong giống Tất nhiên nó còn phụ thuộc vào các tính trạng mà chúng ta quan tâm và giống mà ta xem xét
3 Sự lạc dòng di truyền
Sự lạc dòng di truyền (genetic drift) là thuật ngữ
đề cập về tình trạng khi mà nhóm bố mẹ không thật đại diện cho quần thể lại tạo ra thế hệ sau
Sự lạc dòng di truyền có tiềm năng lớn để làm thay đổi tần số các alen trong quần thể nhỏ vì bất
kỳ một cá thể đại diện nào (bố mẹ) cũng sẽ chiếm một tỷ lệ lớn trong toàn bộ nhóm làm
bố-mẹ Điều này xẩy ra do quá trình chọn mẫu ngẫu nhiên Quay trở lại ví dụ bò đen và bò đỏ ở trên, trong đó p = 0,80 và q = 0,20 Nếu quần thể ở trạng thái HWE, và chọn ngẫu nhiên 100 đực giống, chúng ta hy vọng 64% chúng là đồng hợp trội, 32% là dị hợp thể và 4% là đồng hợp lặn
Đôi khi chúng ta thấy có ít hơn 4 con đực giống
đỏ trong số 100 con đã chọn, nhưng cũng có khi lại nhiều hơn 4 con, v.v., chỉ vì nó là chọn ngẫu nhiên Điều gì sẽ xẩy ra nếu thay vì chọn
100 thì ta chỉ chọn có 10 con? Chúng ta sẽ không thể có 0,4 con bò đực đỏ? Nhưng có thể không
có con nào hoặc có một con, v.v Quần thể (hoặc nhóm mẫu) càng nhỏ, càng có nhiều cơ hội
để xem xét một nhóm chệch với quần thể hiện tại
4 Đột biến gen
Đột biến gen trong thảo luận này đề cập đến hiện tượng một alen thay đổi cách thức Điều này xẩy
ra trong tự nhiên, hoặc cũng có thể do tiếp xúc với hóa chất hay chất phóng xạ Trên quan điểm
di truyền, cường độ đột biến là rất nhỏ vì có nhiều cơ chế hồi phục/sửa chữa ADN và chúng
Trang 5nhiễm Một trong những đột biến tự nhiên thông thường trong thế giới động vật là thay đổi từ alen
có sừng sang alen không sừng Trong tất cả các quần thể bò có sừng lúc này hoặc lúc khác sẽ có một số bê không sừng xuất hiện
Khi một alen thay đổi sang một dạng khác, tần
số của alen đó sẽ cực kỳ nhỏ trong quần thể Nó cũng có thể không được thấy/không xuất hiện nếu nó là lặn Tuy nhiên, nếu là chọn lọc có lợi cho nó thì theo thời gian tần số của nó có thể sẽ tăng lên Chọn lọc nhân tạo đã làm cho một số quần thể bò 100% không sừng, nhưng cần nhiều thời gian trong giai đoạn đầu của quá trình cải tiến giống Các alen có thể đột biến thành dạng mới, nhưng chúng cũng có thể đột biến trở lại dạng ban đầu từ dạng mới (tuy nhiên điều này sẽ xẩy ra với tốc độ nhỏ hơn nhiều) Kết quả là, các phương trình để tính toán cho mức độ đột biến
dự đoán trong việc ước tính tần số alen theo thời gian đã được tạo ra Tốc độ chọn lọc tự nhiên đã
được dự đoán là vào khoảng 1/100.000 đến 1/1.000.000 các tế bào phân chia Nó cũng đồng thời là ước tính cho số giao tử đột biến đối với một gen nhất định nào đó Đột biến là công cụ sơ
đẳng để tạo nên thông tin di truyền mới Nó cũng giống như thắng trong xổ số: Cơ hội hầu như là bằng 0, nhưng nó xẩy ra mọi lúc! Không sừng
và bò có cơ đôi, cừu Callipyge và Booroola Merino, lợn nhạy cảm với halothane, và các trường hợp khác là các đột biến đã được cố định (fix) hoặc hầu như đã cố định trong các quần thể